王海洋，明景謙，賈星蕊，付艷鵬，劉永杰，王貴全，楊 靜

中波紅外寬波段多光譜成像光學系統(tǒng)設計

王海洋1，明景謙1，賈星蕊1，付艷鵬1，劉永杰2，王貴全2，楊 靜1

（1. 昆明物理研究所，云南 昆明 650223；2. 昆明北方紅外技術股份有限公司，云南 昆明 650217）

本文設計了一種基于濾光片的制冷型中波紅外寬波段（2.7～5mm）多光譜雙視場成像光學系統(tǒng)，可將不同波段的紅外場景輻射透過相應的濾光片成像在紅外制冷型探測器上。本系統(tǒng)將多個濾光片置于濾光輪上，并放置在探測器前，不僅能減小濾光片的有效口徑，同時還兼容圖像的非均勻校正功能。通過轉動濾光輪，系統(tǒng)能夠得到多個所需的圖譜信息，通過差分技術可以更好地提取目標信息，提升靈敏度。該系統(tǒng)F數為4，焦距為70mm/280mm，MTF接近衍射極限，具有－50℃～80℃的主動消熱差功能，滿足應用要求。

多光譜；中波紅外寬波段；光學系統(tǒng)設計

0 引言

多光譜成像結合了傳統(tǒng)光譜儀和光電探測技術的特點，可同時提供二維圖像信息和光譜信息，具有新一代光譜遙測的準實時特性，對目標場景信息的探測和光譜特征的分析和提取[1-2]。寬波段多光譜成像技術是一種既能夠在多個譜段對同一目標成像又能測出光譜特征的新型探測手段，根據目標的自身輻射特征進行了針對性增強，從而達到了抑制背景雜波和提高目標辨別能力[3]。一般說來，提取圖像中的光譜信息可以利用具有光譜分離功能的濾光或分色元件如液晶可調諧濾光片（LCTF）、衍射光柵以及分光棱鏡等獲得，本文采用濾光片分光的方式[4]。此技術已經在遙感領域得到了廣泛地應用，包括：初期熱災害預警、地鐵安全監(jiān)控（劇毒危險氣體探測）和煤礦監(jiān)測（甲烷探測）、高壓輸變電檢測（六氟化硫探測）、化工廠泄漏（易燃易爆危險氣體探測）等應用[5]。

針對中波紅外寬波段制冷型焦平面探測器，本文設計了一種基于濾光片的中紅外波寬波段多光譜雙視場成像光學系統(tǒng)，本系統(tǒng)將多個濾光片置于同一濾光輪上，并放置在探測器前，不僅使濾光片的口徑小型化，同時還兼容圖像的非均勻校正功能，通過高速旋轉濾光輪就可實現不同譜段的成像。

1 工作原理與技術指標

1.1 構成和工作原理

為了獲取目標的輻射特性，該系統(tǒng)由一套裝有多個濾光片的濾光輪系統(tǒng)和寬光譜紅外光學系統(tǒng)組成。在光學系統(tǒng)中加裝含有多個濾光片的濾光輪方案原理清楚簡單，可實施性強。

使用濾光片可以實現對特定光譜波段的選取，譜吸收峰的單一帶通型濾光片直接對目標成像，每種濾光片可探測出一種目標輻射特性，這種方式比較常見，但靈敏度不高；另一種是采用多種差異波段（前截止或后截止）的濾光片，通過差分相鄰的濾光片探測目標輻射特性的方法，靈敏度較高。

多光譜光譜儀使用了兩種高通量的紅外濾光片，其中一種為不受有無目標輻射影響的全通型濾光片，另外一種濾光片為前截止型高通量的濾光片，采集兩種濾光片分別切入成像光路后的紅外光譜圖像進行差分運算提取目標特征。本文設計的濾光輪上裝有1片全通型和5片前截止型，可根據目標特性要求，加裝不同波段的前截止型濾光片。

其技術特點在于：①高通量型的濾光片避免了窄帶濾光片能量不足的缺點，充足的能量使得系統(tǒng)既提升了信噪比，又能夠對目標進行有效辨別；②差分技術通過提升多光譜成像光譜儀探測靈敏度來對目標的輻射特性進行識別，如圖1所示[6]。

圖1 差分技術示意圖[6]

紅外多光譜成像系統(tǒng)的原理圖如圖2所示。該多光譜成像光譜儀由紅外物鏡、濾光輪、制冷型焦平面探測器組件、黑體組件和數據處理組件構成。目標的紅外輻射經紅外物鏡聚焦和濾光輪分光后在制冷型焦平面探測器上成像。濾光輪上放置多組濾光片和校正擋片，通過濾光輪的轉動，經過差分技術，就可獲取所需的光譜數據，經數據處理組件后就可以獲取目標光譜圖像信息[6]。

1.2 技術指標

本次設計選用了一個定制波段為2.7～5mm中波紅外制冷型焦平面探測器，像元數為640×512，像元大小為15mm，具體技術指標如表1所示。

2 中波紅外寬波段多光譜雙視場光學系統(tǒng)設計

2.1 光學系統(tǒng)結構形式

為了消除中波紅外2.7～5mm波段的色差，通常認為采用卡式/離軸反射式光學系統(tǒng)較為適合。但卡式系統(tǒng)存在中心遮擋，對大視場遮擋尤為嚴重，且雜散光抑制手段較為復雜；離軸反射式系統(tǒng)同樣存在雜散光抑制難度大，裝調困難，同時考慮了空間包絡的需求，認為卡式/離軸反射式光學系統(tǒng)不適用于本次使用要求。

表1 技術指標

根據系統(tǒng)在寬光譜波段工作的特點，同時考慮到產品裝配工藝和空間包絡等要求，擬采用透射式的寬波段光學系統(tǒng)。

針對復雜背景下的特征目標，本文設計了中波紅外寬波段多光譜雙視場成像光學系統(tǒng)，這就可獲得不同距離特征目標的圖像和光譜信息。其變倍方式主要分為兩種：一種將變倍組切入光學系統(tǒng)來實現變倍。通過在光學系統(tǒng)中切入一個或一組透鏡，來達到變倍的效果，但同時還要多出一套高低溫和距離調焦的補償機構。該方法可能會在沖擊振動中丟失目標。

且該方法需要更大的體積包絡和多一套伺服機構，造成橫向空間尺寸變大，不利于產品小型化和低功耗的設計。另一種是通過軸向移動透鏡組來達到光學系統(tǒng)變倍的效果，該透鏡組同時用來實現高低溫和遠近距離的調焦，可以通過絲桿導軌或凸輪的方式來實現軸向移動變倍，都不會丟失目標。圖3為軸向移動式變倍的結構示意圖。

圖3 軸向移動式結構示意圖

Fig.3 Schematic diagram of axially movable structure

2.2 光學系統(tǒng)消色差與消熱差設計

對于主要像差為色差的透射式光學系統(tǒng)，由于光學元件的色差系數都為正，因此需要負透鏡來抵消正透鏡的色差。由于光學系統(tǒng)F數為4，波段為中波紅外，其焦深范圍為±0.1232mm，將2.7～5mm的軸向焦點控制在焦深范圍內即可。本設計僅采用了硅鍺兩種紅外材料，鍺類似可見光中的火石玻璃具有高折射率高色散系數，硅類似于可見光波段的冕牌玻璃具有高折射率低色散系數，本次將鍺設計成雙凹的負透鏡，同時將硅設計成雙凸的正透鏡，兩者組合成消色差透鏡組[7]，本次方案在一次和二次成像組里都加入了這個消色差透鏡組。通過多輪的迭代優(yōu)化，最終很好地完成了系統(tǒng)的色差以及二級光譜的校正，本次將焦點范圍控制到0.028mm，實現了系統(tǒng)的復消色差。

消熱差主要分為兩種方式：光學被動消熱差是利用光學材料熱特性之間的差異，通過不同特性材料的組合來消除溫度的影響，在較大溫度范圍內保持焦距、像面和像質穩(wěn)定。光學主動消差熱是利用溫度傳感器自動探測溫度，由電機驅動調焦鏡到達正確位置來補償溫度變化引起的像面位移。本次采用了光學主動式消熱差的設計方法，即通過變倍組的移動，在滿足像質的情況下，保證整個溫度范圍內的焦面位置不變。通過求出在不同溫度下系統(tǒng)中透鏡的曲率、厚度及透鏡間的間隔（考慮材料的膨脹系數）及不同透鏡材料的d/d，通過動態(tài)光學原理來求解變倍組不同溫度下的最佳位置，在求解過程總保持像面穩(wěn)定。

2.3 變倍原理

本次變倍結構采用了單片式色散系數較小的硅材料作為變倍組，以保證變倍組引入的色差盡可能小，這樣既平衡了寬窄視場位置像差，又保證了雙視場的齊焦性。

對于兩檔變倍的成像系統(tǒng)，變倍組應滿足物像交換原則，設光學系統(tǒng)的倍率為，則變倍組對焦距的變化為2，短焦距時變倍組的倍率2s為[8]：

寬視場時變倍組的倍率2l為：

當變倍組處于寬視場和窄視場時，變倍組的移動量為：

設變倍組與前置固定組的最小間隔為，寬視場時變倍組的物距為s，則前置固定組焦距1￠為：

由(4)式和(5)式可看出，變倍組焦距影響變倍組行程，同時影響前置固定組焦距1￠的選取，變倍組的移動距離與其焦距成正比[7]。

光學系統(tǒng)設計時需要考慮濾光片放置位置，由于光學系統(tǒng)窄視場焦距為280mm，且F數為4，將濾光片置于光學系統(tǒng)的大物鏡前端會使其有效口徑至少為70mm以上，此次采用多個濾光片構成一個濾光輪的結構形式，放在前端體積過大，且旋轉機構不穩(wěn)定。所以將濾光片設計在探測器前端，同時在濾光片輪上增加一個毛玻璃校正擋片，這樣保證了濾光片的口徑的小型化（僅需要12mm以上），又減少了一套校正機構。

采用CodeV軟件對上述光學系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，光學系統(tǒng)由前置物鏡組、變倍組、二次成像組、濾光片輪和探測器5部分組成，光學系統(tǒng)示意圖如圖4所示。本次設計僅采用了硅和鍺兩種紅外材料，共6片透鏡，4個非球面。系統(tǒng)總長為235mm（第一透鏡到焦平面）。單透鏡最大口徑不大于70mm，變倍行程為43mm，高低溫下變倍組調焦量為±2mm。

3 設計結果與分析

系統(tǒng)的工作溫度為－50℃～80℃，這里通過彌散斑和光學系統(tǒng)調制傳遞函數（Modulation Transfer Function, MTF）來評價全溫下成像質量。

光學系統(tǒng)調制傳遞函數（MTF）曲線在33lp/mm（特征頻率）處接近衍射極限，如圖5所示。光學系統(tǒng)全視場彌散斑在一個像元以內，如圖6所示。全視場畸變小于3%，如圖7所示。以上指標均滿足使用要求。

光學系統(tǒng)在－50℃～80℃的像質如圖8～11所示。

圖4 22℃時的光學系統(tǒng)示意圖

圖5 22℃時的光學系統(tǒng)調制傳遞函數（MTF）

圖6 22℃時的光學系統(tǒng)點列圖

圖7 22℃時的光學系統(tǒng)場曲和畸變

圖8 －50℃時的光學系統(tǒng)調制傳遞函數（MTF）

圖9 －50℃時的光學系統(tǒng)彌散斑點列圖

圖10 80℃時的光學系統(tǒng)調制傳遞函數（MTF）

圖11 80℃時的光學系統(tǒng)彌散斑點列圖

可以看到光學系統(tǒng)在高低溫下的像質良好，滿足使用需求。

以上像質為系統(tǒng)設計時平衡像差和公差的結果，彌散斑中只有低溫下小視場接近兩個像元，其余溫度都在一個像元附近。畢竟溫差過大，全溫范圍內均控制在一個像元，在不用二元面的前提下比較困難，但二元面在實際使用中對均勻冷背景時易出現圓環(huán)狀鬼像，故本次采用了非球面和球面的設計方式。

4 結論

本文通過合理匹配紅外材料，采用基于濾光片分光的方式，設計一種軸向移動變倍組的雙視場中波寬波段多光譜光學系統(tǒng)，該系統(tǒng)結構緊湊，且保證了100%冷光闌匹配，僅采用了硅和鍺兩種紅外材料就實現了70mm/280mm的4倍變倍功能，突破傳統(tǒng)中波熱像儀波段（3.7～4.8mm）的限制，在2.7～5mm波段范圍內都具有良好的成像質量。該系統(tǒng)通過光學主動消熱差的方式使得系統(tǒng)在－50℃～80℃的寬溫度范圍內像質優(yōu)良，滿足使用要求。在預防初期熱災害、氣體泄漏預警、目標偽裝辨別、特征目標提取等目標探測技術領域具有廣泛的應用前景。

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Optical Design of Multispectral Imaging Spectrometer in Broadband Mid-wave Infrared

WANG Haiyang1，MING Jingqian1，JIA Xingrui1，FU Yanpeng1，LIU Yongjie2，WANG Guiquan2，YANG Jing1

(1.,650223,;2.,,650217,)

A cooling-type mid-wave infrared broadband (2.7 to 5mm) multi- spectral dual-field imaging optical system based on a filter and cooled detector is designed. A scene can be imaged by using an infrared-cooled detector through the corresponding filter. In this system, the filter wheel with multiple filters is placed in front of the detector to minimize the aperture of the filters and provide compatibility with non-uniformity correction functions. The filter wheel is rotated to obtain multiple required spectrum information, and the differential technology can better extract the target information and improve the sensitivity. The F-number of the system is 4, focal length is 70mm/280mm, and modulation transfer function is close to the diffraction limit. The system has an optical active athermalization function in the range of-50℃ to 80℃. The simulation results show that the performance of the system can meet the design requirement.

multispectral, mid-wave infrared broadband, optical system design

TN216

A

1001-8891(2022)10-1059-07

2022-06-27；

2022-09-07.

王海洋（1983-），男，正高級工程師，碩士，主要從事紅外光學設計及紅外光譜成像技術方面的研究。jlyjwhy@163.com。

國家重點研發(fā)計劃（2017YFA0701200）。