紧凑型双波段无热化红外光学系统设计

姜 波，吴越豪，戴世勋，聂秋华，木 锐，张勤远



紧凑型双波段无热化红外光学系统设计

姜 波1，吴越豪1，戴世勋1，聂秋华1，木 锐2，张勤远3

（1. 宁波大学高等技术研究院红外材料及器件实验室，浙江 宁波 315211；2. 云南北方驰宏光电有限公司，云南 昆明 650000；3. 华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室，广东 广州 510641）

针对红外双波段量子阱探测器，设计了一个可同时工作在4.4～5.4mm（中波段红外）和7.8～8.8mm（长波段红外）波段的仅含3片透镜的紧凑型双波段无热化光学系统，有效焦距为30 mm，/#为2.1。对比先前报道的双波段无热化红外光学系统，此设计仅采用硫系玻璃材料Ge20Sb15Se65制备的两片镜片和常规红外材料ZnS制备的一片镜片，通过合理分配各个镜片的光焦度达到系统在中波红外及长波红外两个波段的无热化设计效果，且不含衍射面，整体结构紧凑，制备难度低。利用硫系玻璃易于精密模压制备非光学球面的特点，仅在一片硫系玻璃镜片上设计一处非球面。设计结果显示，系统在两个红外波段，－40℃～60℃温度范围内像质良好，且光学调制函数（MTF）接近衍射极限。

光学设计；红外系统；双波段；无热化

0 引言

因光学系统在单波段获得成像能力的限制，引起在探测目标时系统信息精确度不够[1]。比如中波红外系统在湿热的条件下拥有较强的观察能力，而在接近热源和杂散光辐射的条件下，长波红外系统拥有更显著的优点[2]。由此，使各波段的成像特征加以融合可充分得到探测目标有用的信息细节。

双波段成像系统一般有两种实现方式，一种是利用两种单波段探测器的成像系统，此系统又可分为分孔径式或共孔径式；一种是可响应双波段探测器的共孔径式成像系统[3]。双探测器系统有成本高、装调困难和体积笨重庞大的缺点，因此可响应双波段是未来探测器发展的趋势。Sofradir、JPL等公司都已开发出机能良好的双波段探测器。近几年，国内多家科研单位已涉及于双波段红外探测器共孔径式成像系统的研究。张春艳[4]等选择锗、硒化锌和硫化锌3种材料设计了柯克式四片结构的双波段消热差设计，实现了中波波段和长波波段较好无热化功能。此系统设计使用4片镜片、3种材料，但总体设计不够紧凑，且需在锗等常规红外材料基础上使用单点金刚石车削加工两个非球面，加工难度较高。张欣婷[5]等设计的红外双层谐衍射双波段无热化光学系统，此设计仅使用了锗和硫系玻璃两种材料，光学系统紧凑性较先前研究有所提升。然而此设计含有两个衍射面，系统加工成本较高的问题仍然存在。

光学红外材料受温度影响比可见光材料大得多。温度、压力和环境的变化将会引起红外系统的像面、焦距和像差的改变，这将使得系统成像质量的降低。温度差异引起的成像质量变化产生热差。对于响应中波和长波的双波段光学系统，不仅要考虑温度对系统的影响，更应考虑中波、长波条件两个波段同时消色差的问题。既满足消热差，又满足消色差的光学系统称为无热化系统。无热化系统的设计方法主要有机电主动式、机械被动式和光学被动式[6]，由光学被动式设计实现的无热化系统具有设计灵活、体积小、结构简单和成本低等优点，目前已成为红外热成像领域的研究首选[7]。通过匹配透镜材料的性能和镜头构架材料的性能来被动式消除系统的热差和色差。

本文展示了一种采用光学被动式设计的紧凑型红外双波段光学系统。此项设计使用硫系玻璃Ge20Sb15Se65和ZnS材料以达到降低系统成本和提升成像品质的目的。考虑到加工成本以及成像质量的要求，在易于模压成型的硫系玻璃镜片上仅引入了一个非球面，以更有效地控制光学像差。整体设计结果实现了一个有效焦距为30mm，工作波段为4.4～5.4μm、7.8～8.8μm，有效视场角为18.40°×13.80°的红外双波段成像系统，孔径光阑设置在冷屏上，保证在所有视场100%的冷光阑效率。设计表明，系统在－40℃～60℃的温度范围，整个工作波段和在整个视场角范围内达到了接近系统衍射极限的成像质量。

1 设计思路

1.1 设计原理

若使得双波段红外系统消热差和消色差，则需适当采用镜片材料和镜筒机械构架材料。同时应用光学材料的热性能差别，透镜光焦度得以合适分配，使温度变化过程中光学系统出现的像面离焦与镜头机械构架产生的离焦相互补偿，从而获得无热化效果[8-9]。为实现光学系统被动无热化设计，系统需满足光焦度方程、消热差方程和消色差方程。如果无热化系统由个单透镜组成，则：

1）光焦度方程：

2）消热差方程：

3）消色差方程：

式中：1是近轴光线在系统第一片镜面的入射高度，h是近轴光线在系统第片镜面的入射高度。如果透镜组为密接型，忽略镜片厚度引起的相邻镜片间高度差异，则近似认为h＝1；，，分别为第镜片组的光焦度、消热差系数和消色差系数。在光学设计过程中，一般可以忽略温度变化引起的透镜之间空气间隔的变化。

若光学系统机械构架选用一种材料，热差系数导致的像面离焦与镜头构架材料热膨胀系数导致的像面差异相抵消，可使得系统达到无热化，则需满足：

式中：h为机械构架材料热膨胀系数。

1.2 光学材料选择

对于红外材料，同时满足中波和长波红外成像要求的材料相对单波段的红外材料明显减少。可满足双波段成像的材料主要有：Ge、ZnSe、ZnS和硫系玻璃等。硫系玻璃的透过波长范围可从近红外扩展到长波红外，完全可以胜任双波段系统的设计。而且，对比于常规红外材料，硫系玻璃材料不仅制备工艺较为经济，而且可采用高精度模压的方式制备非球面和衍射面，从而有效降低制作高品质红外镜头的时间和经济成本[10]。对于红外系统的无热化设计，通常选择在指定波段下折射率、膨胀系数g和折射率温度系数d/d有差异的两种或两种以上材料进行配对来达到消热差和消色差的目的。基于红外材料的优点，首先选择硫系玻璃材料Ge20Sb15Se65，其次选择相对硫系玻璃折射率、膨胀系数和d/d小的红外材料ZnS。最终，确定硫系玻璃Ge20Sb15Se65和ZnS材料来完成双波段系统设计。如表1所示为所用红外材料性能参数。

表1 红外材料的主要性能参数

Table 1 Properties of infrared materials selected for the proposed lens

1.3 探测器选取

双波段分体式红外系统成本高、装调困难和体积笨重庞大，因此难以大范围的应用。为此，已有多家国内外科研机构开始致力于研究红外双波段探测器，希望在这种探测器基础上研发功能强大、结构紧凑的红外双波段成像系统[11]。量子阱（QWIP）材质探测器相对于碲镉汞（MCT）材质探测器具有外延材料及衬底良好的特性，而且量子阱材质可完全基于GaAs材料工艺设备和技术加工生产，拥有明显的价格优势[11]。量子阱探测器光谱范围可以包含中波波段和长波波段且波段带宽窄，更加适合设计和制备双波段红外光学系统。Sofradir、AIM和JPL等公司均已获得性能优良的量子阱双波段探测器[12]。本文选择Sofradir公司的面阵规格为384×288、像元大小为25mm×25mm的双波段量子阱探测器[13]。

1.4 设计选型

具有一定的视场角是对成像光学系统设计的基本要求，轴外像差的校正可借助分离透镜的系统设计来实现。本设计选用三分离式结构设计，系统初始结构由正、负、正光焦度透镜组成，此结构能较好的校正初级像差，且能够使用于视场较大的设计。为了场曲更好的得以校正，折射率材料较低的ZnS材料设计中间负焦度镜片。第一、三片透镜选用硫系玻璃Ge20Sb15Se65。在第三片镜片之后加入厚度为1mm的保护玻璃ZnS材料薄片。为了保证光学系统在所有视场100%的冷光阑效率，在像面之前20mm处设置一孔径光阑，大于20 mm的后工作距离以便于探测器的安装和调试。镜筒选用铝材料，其膨胀系数为23.6×10－6/K。如图1所示为初始设计结构图。

图1 光学系统初始结构图

对于中波或长波单一波段的红外系统设计，有时会添加衍射元件得以消除系统色差且减少系统镜片数量，但对于不同波段消色差，需通过改变系统衍射元件衍射面的衍射级次来提高衍射效率[14]。当宽波段范围内衍射级次多时，系统衍射效率下降，进而光能损耗增大。衍射面镜片的加工成本也较大。为此本文考虑在最后一片硫系玻璃上增加一个偶次非球面用于更好的校正像差。通过Zemax进一步优化，第一、二片镜片之间的空气间隔变大，第二、三片之间的空气间隔变小。第二片第二个面的曲率由正变为负，但并不影响第二片镜片整体的焦度正负值。其中镜片组第五面为8次偶次面，其中偶次系数4、6和8分别为－3.10×10－5、－1.10×10－7和8.97×10－10。表2为初始结构和最终结构的焦距变化和曲面间距变化表。1、2和3为三镜片焦距值，1和2为镜片间距。图2所示系统最终优化结构图。

图2 光学系统优化结构图

表2 系统初始和最终结构参数

2 光学系统评价

2.1 主要技术指标

本文的紧凑型双波段无热化光学系统配合Sofradir公司的384×288双波段量子阱探测器，像元尺寸为25mm×25mm。其主要技术指标如表3所示。

表3 系统设计参数

2.2 设计性能分析

对于离焦量的考虑，系统在双波段两中心波长4.9mm和8.4mm的焦深分别为4.9＝±24.9(/#)2＝±43.22mm和8.3＝±28.3(/#)2＝±73.21mm。因系统为双波段共孔径式，由此在温度变化时系统在两波段时产生的离焦量数值相等。表4列出系统优化后在－40℃、20℃和60℃时的总长度和离焦量。由表4可知，在－40℃～60℃的温度范围内，系统温度变化产生的离焦量均小于系统焦深。此光学系统满足无热化设计的需要。

光学系统在中波波段4.4～5.4mm，温度分别为－40℃、20℃和60℃时的MTF曲线如图3、图4和图5所示；在7.8～8.8mm，温度分别为－40℃、20℃和60℃时的MTF曲线如图6、图7和图8所示。由图看出，在3个不同温度点各角度处系统的MTF曲线没有明显的下降，且均接近衍射极限，具有了良好的消热差性能。

表4 光学系统离焦量

光学系统在中波波段4.4～5.4mm，温度分别为－40℃、20℃和60℃时的横向色差曲线如图9、图10和图11所示；在7.8～8.8mm，温度分别为－40℃、20℃和60℃时的横向色差曲线如图12、图13和图14所示。由图可知，系统在中波波段和长波波段时的最大横向色差分别小于4mm和3mm，且各波段横向色差几乎不随温度的变化而变化。由此可知，本系统具有良好的消色差性能。

表5展示了一个点物体发出的光由各个视场角入射系统时形成的弥散斑的均方根半径。由表4见，长波波段和中波波段分别在温度为－40℃、－10℃、20℃和60℃条件时，所有视场的均方根弥散斑大小均满足25mm×25mm的探测器像元尺寸。

图3 －40℃，4.4～5.4mm时系统MTF图

图4 20℃，4.4～5.4mm时系统MTF图

图5 60℃，4.4～5.4mm时系统MTF图

图6 －40℃，7.8～8.8mm时系统MTF图

图7 20℃，7.8～8.8mm时系统 MTF

图8 60℃，7.8～8.8mm时系统MTF图

图9 －40℃，4.4～5.4mm时系统横向色差图

图10 20℃，4.4～5.4mm时系统横向色差图

图11 60℃，4.4～5.4mm时系统横向色差图

图12 －40℃，7.8～8.8mm时系统横向色差图

图13 20℃，7.8～8.8mm时系统横向色差图

图14 60℃，7.8～8.8mm时系统横向色差图

表5 系统弥散斑半径

3 结论

光学系统不仅要对两个波段同时成像，而且要保证两波段的像面位置重合。为了提高系统工作的可靠性，光学系统做到了被动无热化，且在温度变化过程中仍需兼顾像面的稳定。本文通过衡量视场范围，合理分配光焦度和红外材料，充分考虑镜筒材料，实现了双波段被动无热化设计。整体设计结果实现有效焦距为30mm，工作波段为4.4～5.4mm、7.8～8.8mm，有效视场角为18.40°×13.80°的红外双波段成像系统。设计结果表明，系统在－40℃～60℃的温度范围内，在整个工作波段和在整个视场角范围内达到了接近衍射极限的成像质量。系统整体设计结构紧凑、简单，可以应用于红外双波段光学系统的推广。

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Design of a Compact Dual-band Athermalized Infrared System

JIANG Bo1，WU Yue-hao1，DAI Shi-xun1，NIE Qiu-hua1，MU Rui2，ZHANG Qin-yuan3

(1.,,315211,;2..,., 650000,; 3.,,510641,)

A compact dual-band athermalized infrared system is designed based on a QWIP dual-band infrared detector. The operating wavelengths of the system include the Medium Wavelength Infrared (MWIR, 4.4-5.4mm) and the Long Wavelength Infrared(LWIR, 7.8-8.8mm) regions, the effective focal length(EFL) is 30 mm, and the/# is 2.1. The system is designed as a combination of two singlets fabricated with the chalcogenide glass Ge20Sb15Se65and one singlet fabricated with the conventional infrared material Zinc Sulfide(ZnS). Utilizing the differences in the thermal-optical properties of the infrared materials, we realized an athermalized optical design by carefully adjusting the optical powers of the three singlets. Moreover, taking advantage of the superior property of chalcogenide glasses for molding preparation of aspherical surfaces, we are able to further improve the imaging quality of the design by introducing an aspherical surface on one of the chalcogenide singlets. The proposed system demonstrates imaging quality close to a diffraction-limited system for the designed operating wavelengths and for the temperature range from －40℃ to 60℃.

optical design，infrared system，dual-band，athermalized design

TN216

A

1001-8891(2015)12-0999-06

2015-04-09；

2015-05-10.

姜波（1990-），男，硕士研究生，主要从事红外光学系统设计方面的研究工作。E-mail：nbu_jiangbo@163.com

吴越豪（1982-），男，副研究员，博士，主要从事硫系玻璃光学设计，硫系玻璃光器件方面的研究工作。E-mail：wuyuehao@nbu.edu.cn

国家科技部重大国际合作项目，编号：2011DFA12040；发光材料与器件国家重点实验室开放基金，编号：2014-skllmd-01；浙江省重中之重学科开放基金项目，编号：XKXL1320、XKL141039；宁波市自然科学基金，编号：2014A610125。