中波红外宽波段多光谱成像光学系统设计

王海洋，明景谦，贾星蕊，付艳鹏，刘永杰，王贵全，杨 静

中波红外宽波段多光谱成像光学系统设计

王海洋1，明景谦1，贾星蕊1，付艳鹏1，刘永杰2，王贵全2，杨 静1

（1. 昆明物理研究所，云南 昆明 650223；2. 昆明北方红外技术股份有限公司，云南 昆明 650217）

本文设计了一种基于滤光片的制冷型中波红外宽波段（2.7～5mm）多光谱双视场成像光学系统，可将不同波段的红外场景辐射透过相应的滤光片成像在红外制冷型探测器上。本系统将多个滤光片置于滤光轮上，并放置在探测器前，不仅能减小滤光片的有效口径，同时还兼容图像的非均匀校正功能。通过转动滤光轮，系统能够得到多个所需的图谱信息，通过差分技术可以更好地提取目标信息，提升灵敏度。该系统F数为4，焦距为70mm/280mm，MTF接近衍射极限，具有－50℃～80℃的主动消热差功能，满足应用要求。

多光谱；中波红外宽波段；光学系统设计

0 引言

多光谱成像结合了传统光谱仪和光电探测技术的特点，可同时提供二维图像信息和光谱信息，具有新一代光谱遥测的准实时特性，对目标场景信息的探测和光谱特征的分析和提取[1-2]。宽波段多光谱成像技术是一种既能够在多个谱段对同一目标成像又能测出光谱特征的新型探测手段，根据目标的自身辐射特征进行了针对性增强，从而达到了抑制背景杂波和提高目标辨别能力[3]。一般说来，提取图像中的光谱信息可以利用具有光谱分离功能的滤光或分色元件如液晶可调谐滤光片（LCTF）、衍射光栅以及分光棱镜等获得，本文采用滤光片分光的方式[4]。此技术已经在遥感领域得到了广泛地应用，包括：初期热灾害预警、地铁安全监控（剧毒危险气体探测）和煤矿监测（甲烷探测）、高压输变电检测（六氟化硫探测）、化工厂泄漏（易燃易爆危险气体探测）等应用[5]。

针对中波红外宽波段制冷型焦平面探测器，本文设计了一种基于滤光片的中红外波宽波段多光谱双视场成像光学系统，本系统将多个滤光片置于同一滤光轮上，并放置在探测器前，不仅使滤光片的口径小型化，同时还兼容图像的非均匀校正功能，通过高速旋转滤光轮就可实现不同谱段的成像。

1 工作原理与技术指标

1.1 构成和工作原理

为了获取目标的辐射特性，该系统由一套装有多个滤光片的滤光轮系统和宽光谱红外光学系统组成。在光学系统中加装含有多个滤光片的滤光轮方案原理清楚简单，可实施性强。

使用滤光片可以实现对特定光谱波段的选取，谱吸收峰的单一带通型滤光片直接对目标成像，每种滤光片可探测出一种目标辐射特性，这种方式比较常见，但灵敏度不高；另一种是采用多种差异波段（前截止或后截止）的滤光片，通过差分相邻的滤光片探测目标辐射特性的方法，灵敏度较高。

多光谱光谱仪使用了两种高通量的红外滤光片，其中一种为不受有无目标辐射影响的全通型滤光片，另外一种滤光片为前截止型高通量的滤光片，采集两种滤光片分别切入成像光路后的红外光谱图像进行差分运算提取目标特征。本文设计的滤光轮上装有1片全通型和5片前截止型，可根据目标特性要求，加装不同波段的前截止型滤光片。

其技术特点在于：①高通量型的滤光片避免了窄带滤光片能量不足的缺点，充足的能量使得系统既提升了信噪比，又能够对目标进行有效辨别；②差分技术通过提升多光谱成像光谱仪探测灵敏度来对目标的辐射特性进行识别，如图1所示[6]。

图1 差分技术示意图[6]

红外多光谱成像系统的原理图如图2所示。该多光谱成像光谱仪由红外物镜、滤光轮、制冷型焦平面探测器组件、黑体组件和数据处理组件构成。目标的红外辐射经红外物镜聚焦和滤光轮分光后在制冷型焦平面探测器上成像。滤光轮上放置多组滤光片和校正挡片，通过滤光轮的转动，经过差分技术，就可获取所需的光谱数据，经数据处理组件后就可以获取目标光谱图像信息[6]。

1.2 技术指标

本次设计选用了一个定制波段为2.7～5mm中波红外制冷型焦平面探测器，像元数为640×512，像元大小为15mm，具体技术指标如表1所示。

2 中波红外宽波段多光谱双视场光学系统设计

2.1 光学系统结构形式

为了消除中波红外2.7～5mm波段的色差，通常认为采用卡式/离轴反射式光学系统较为适合。但卡式系统存在中心遮挡，对大视场遮挡尤为严重，且杂散光抑制手段较为复杂；离轴反射式系统同样存在杂散光抑制难度大，装调困难，同时考虑了空间包络的需求，认为卡式/离轴反射式光学系统不适用于本次使用要求。

表1 技术指标

根据系统在宽光谱波段工作的特点，同时考虑到产品装配工艺和空间包络等要求，拟采用透射式的宽波段光学系统。

针对复杂背景下的特征目标，本文设计了中波红外宽波段多光谱双视场成像光学系统，这就可获得不同距离特征目标的图像和光谱信息。其变倍方式主要分为两种：一种将变倍组切入光学系统来实现变倍。通过在光学系统中切入一个或一组透镜，来达到变倍的效果，但同时还要多出一套高低温和距离调焦的补偿机构。该方法可能会在冲击振动中丢失目标。

且该方法需要更大的体积包络和多一套伺服机构，造成横向空间尺寸变大，不利于产品小型化和低功耗的设计。另一种是通过轴向移动透镜组来达到光学系统变倍的效果，该透镜组同时用来实现高低温和远近距离的调焦，可以通过丝杆导轨或凸轮的方式来实现轴向移动变倍，都不会丢失目标。图3为轴向移动式变倍的结构示意图。

图3 轴向移动式结构示意图

Fig.3 Schematic diagram of axially movable structure

2.2 光学系统消色差与消热差设计

对于主要像差为色差的透射式光学系统，由于光学元件的色差系数都为正，因此需要负透镜来抵消正透镜的色差。由于光学系统F数为4，波段为中波红外，其焦深范围为±0.1232mm，将2.7～5mm的轴向焦点控制在焦深范围内即可。本设计仅采用了硅锗两种红外材料，锗类似可见光中的火石玻璃具有高折射率高色散系数，硅类似于可见光波段的冕牌玻璃具有高折射率低色散系数，本次将锗设计成双凹的负透镜，同时将硅设计成双凸的正透镜，两者组合成消色差透镜组[7]，本次方案在一次和二次成像组里都加入了这个消色差透镜组。通过多轮的迭代优化，最终很好地完成了系统的色差以及二级光谱的校正，本次将焦点范围控制到0.028mm，实现了系统的复消色差。

消热差主要分为两种方式：光学被动消热差是利用光学材料热特性之间的差异，通过不同特性材料的组合来消除温度的影响，在较大温度范围内保持焦距、像面和像质稳定。光学主动消差热是利用温度传感器自动探测温度，由电机驱动调焦镜到达正确位置来补偿温度变化引起的像面位移。本次采用了光学主动式消热差的设计方法，即通过变倍组的移动，在满足像质的情况下，保证整个温度范围内的焦面位置不变。通过求出在不同温度下系统中透镜的曲率、厚度及透镜间的间隔（考虑材料的膨胀系数）及不同透镜材料的d/d，通过动态光学原理来求解变倍组不同温度下的最佳位置，在求解过程总保持像面稳定。

2.3 变倍原理

本次变倍结构采用了单片式色散系数较小的硅材料作为变倍组，以保证变倍组引入的色差尽可能小，这样既平衡了宽窄视场位置像差，又保证了双视场的齐焦性。

对于两档变倍的成像系统，变倍组应满足物像交换原则，设光学系统的倍率为，则变倍组对焦距的变化为2，短焦距时变倍组的倍率2s为[8]：

宽视场时变倍组的倍率2l为：

当变倍组处于宽视场和窄视场时，变倍组的移动量为：

设变倍组与前置固定组的最小间隔为，宽视场时变倍组的物距为s，则前置固定组焦距1¢为：

由(4)式和(5)式可看出，变倍组焦距影响变倍组行程，同时影响前置固定组焦距1¢的选取，变倍组的移动距离与其焦距成正比[7]。

光学系统设计时需要考虑滤光片放置位置，由于光学系统窄视场焦距为280mm，且F数为4，将滤光片置于光学系统的大物镜前端会使其有效口径至少为70mm以上，此次采用多个滤光片构成一个滤光轮的结构形式，放在前端体积过大，且旋转机构不稳定。所以将滤光片设计在探测器前端，同时在滤光片轮上增加一个毛玻璃校正挡片，这样保证了滤光片的口径的小型化（仅需要12mm以上），又减少了一套校正机构。

采用CodeV软件对上述光学系统进行优化设计，光学系统由前置物镜组、变倍组、二次成像组、滤光片轮和探测器5部分组成，光学系统示意图如图4所示。本次设计仅采用了硅和锗两种红外材料，共6片透镜，4个非球面。系统总长为235mm（第一透镜到焦平面）。单透镜最大口径不大于70mm，变倍行程为43mm，高低温下变倍组调焦量为±2mm。

3 设计结果与分析

系统的工作温度为－50℃～80℃，这里通过弥散斑和光学系统调制传递函数（Modulation Transfer Function, MTF）来评价全温下成像质量。

光学系统调制传递函数（MTF）曲线在33lp/mm（特征频率）处接近衍射极限，如图5所示。光学系统全视场弥散斑在一个像元以内，如图6所示。全视场畸变小于3%，如图7所示。以上指标均满足使用要求。

光学系统在－50℃～80℃的像质如图8～11所示。

图4 22℃时的光学系统示意图

图5 22℃时的光学系统调制传递函数（MTF）

图6 22℃时的光学系统点列图

图7 22℃时的光学系统场曲和畸变

图8 －50℃时的光学系统调制传递函数（MTF）

图9 －50℃时的光学系统弥散斑点列图

图10 80℃时的光学系统调制传递函数（MTF）

图11 80℃时的光学系统弥散斑点列图

可以看到光学系统在高低温下的像质良好，满足使用需求。

以上像质为系统设计时平衡像差和公差的结果，弥散斑中只有低温下小视场接近两个像元，其余温度都在一个像元附近。毕竟温差过大，全温范围内均控制在一个像元，在不用二元面的前提下比较困难，但二元面在实际使用中对均匀冷背景时易出现圆环状鬼像，故本次采用了非球面和球面的设计方式。

4 结论

本文通过合理匹配红外材料，采用基于滤光片分光的方式，设计一种轴向移动变倍组的双视场中波宽波段多光谱光学系统，该系统结构紧凑，且保证了100%冷光阑匹配，仅采用了硅和锗两种红外材料就实现了70mm/280mm的4倍变倍功能，突破传统中波热像仪波段（3.7～4.8mm）的限制，在2.7～5mm波段范围内都具有良好的成像质量。该系统通过光学主动消热差的方式使得系统在－50℃～80℃的宽温度范围内像质优良，满足使用要求。在预防初期热灾害、气体泄漏预警、目标伪装辨别、特征目标提取等目标探测技术领域具有广泛的应用前景。

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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，正高级工程师，硕士，主要从事红外光学设计及红外光谱成像技术方面的研究。jlyjwhy@163.com。

国家重点研发计划（2017YFA0701200）。