宽谱段红外消热差光学系统设计

付跃刚，黄蕴涵，刘智颖

（长春理工大学 测控分析中心，吉林 长春130022）

引言

红外光学系统在现代目标识别与探索领域具有不可替代的作用。跨越连续红外波段探测器的出现，扩大了对不同类型目标的探测能力，这样可以在不同探测环境下使用同一光学系统对不同目标进行探测、识别。本文设计的宽谱段红外消热差光学系统在红外成像领域具有很大应用前景。

设计的中长波红外消热差光学系统采用法国Sofradir公司研制的面阵规格为384×288，像元间距为2μm的双色量子阱探测器作为接收器，工作波段为4.4μm ～8.8μm，视场为3°×2.25°，F＃与制冷探测器冷阑匹配为2.68，焦距为183mm。为了实现可加工性，所有面型皆为球面，通过对透镜形式的合理选择，透镜之间的合理搭配，最终设计的光学系统成像质量良好，环境适应性强。

1 设计思路

一般来说，红外光学系统的波段跨度为μm级别，因此，在跨波段范围内玻璃的折射率将会发生相对较大的改变，通常由于折射率的改变会带来像面的改变，而像面要保证成像质量好，必须随之变换。同时，在温度变化下，由于热膨胀的影响，材料的形状将会发生改变，进而光线的偏折发生影响，像面像质都会受到影响。因此如何在温度变化以及波段变化的条件下均保证像面稳定且像质良好，是本设计的一个难点。同时，由于采用了制冷探测器，光学系统光阑置于后方，这样会带来彗差等轴外像差的问题［1－2］，这对像差校正也带来一定的难度。

冷光阑示意图如图1所示。红外光学系统采用制冷光阑作为探测器接受目标时，制冷探测器的冷阑将作为整个光学系统的孔径光阑，起到限制光束的作用［3］。

图1 制冷探测器示意图Fig.1 Schematic diagram of cooled detector

采用制冷探测器的光学系统必须考虑冷光阑的匹配问题，如图2所示。从图2可以看出，当光线像方F数小于冷光阑所对应的F数时，将会有杂散光进入到探测器的像面上，对成像像质造成负面影响。所以，在使用制冷探测器时，光学系统的像方F数应严格与冷光阑所对应的F数相等［4］。

光学被动消热差是指在满足系统成像质量要求的同时，利用热膨胀系数之间的差异，合理地分配光焦度，并使光学系统像面产生的离焦，由镜筒材料产生的离焦相互补偿［5－8］，即：

图2 冷光阑匹配Fig.2 Cold shield matching

（1）式中Φi（i＝1～4）表示第i块透镜所具备的光焦度大小，保证整体光焦度。公式（2）中χi为各种玻璃材料的热膨胀系数，为保证温度变化下系统不产生离焦，玻璃透镜的热膨胀系数在红外连续波段内变化很小［9］，但色差系数变化很大［10］。所以，色差应该在各个波段内单独校正。为保证光学系统在各个波段下消除色差，像质保持稳定，以下公式中viX，viY，viZ（i＝1～4）分别代表第i块玻璃在4.4μm ～5.4μm、5.4μm ～6.4μm、6.4μm～8.8μm各个波段中的色差系数。其表达式如下：

（6）式～（8）式中，ni（number）（i＝1～4）为第i块玻璃在波段为number处所具备的折射率。

根据（1）式～（7）式可以合理地选择玻璃材料，得到对应于每块透镜的初始光焦度，以及合理的光学设计初始结构［11］。

1.1 设计指标

系统指标见表1所示。

表1 设计指标Table 1 Parameters of optical design

2 设计结果及分析

根据技术指标要求，以及计算所得的初始结构，结合ZEMAX光学软件对光学系统进行设计［12－14］，并分析不同温度下的像质。

宽谱段消热差红外透镜的最终设计结果如图3所示。整个系统仅由4片透镜组成，镜筒材料为钛合金，透镜主要由硒化锌（ZnSe），锗（Ge）及硫化锌（ZnS）材料组成，系统采用全球面，避免了非球面的使用，最大元件口径134mm，总长197.128mm。工作时F数保持不变，时刻保证冷光阑匹配。

图3 光学系统设计结果Fig.3 Layout of optical system

经过优化设计，系统在各个波段在－40℃～＋60℃温度下像面稳定，成像质量优良。图4、图5、图6分别为各个波段下不同温度的光学调制函数曲线。图4～图6中传递函数曲线为20℃、－40℃、－10℃、60℃的情况。

中波红外波段系统在20lp／mm处轴上各温度下的传递函数为0.55、0.52、0.56、0.55，边缘处分别为0.46、0.44、0.48、0.47。

长波红外波段系统在20lp／mm处轴上各温度下的传递函数为0.41、0.39、0.42、0.40，边缘处分别为0.35、0.34、0.36、0.37。

以上数值均满足环境适应性及像质要求。

表2为各个波段下的光学系统畸变情况，由表2可知，光学系统在各个波段的畸变差异极小，对系统成像质量影响不大。

图4 MTFs of 4.4μm～5.4μmFig.4 MTFs of 4.4μm～5.4μm

图5 MTFs of 5.4μm～6.4μmFig.5 MTFs of 5.4μm～6.4μm

图6 MTFs of 6.4μm～8.8μmFig.6 MTFs of 6.4μm～8.8μm

表2 畸变数值列表Table 2 Parameters of distortion value

3 结论

通过理论分析与推导，结合被动消热差理论，通过合理地选择透镜结构及透镜相对位置，最终设计出了一款针对Sofradir公司研制的双色量子阱红外焦平面探测器的红外宽谱段被动消热差光学系统。F＃为2.68，并与冷光阑相匹配，可实现在4.4μm～8.8μm波段－40℃～＋60℃范围内良好的成像。光学系统并未采用非球面，减少了加工的难度，具有结构简单，易于加工的优点，适用于导航，探测，搜索等工作中。

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