红外双波段共光路消热差光学系统设计

王少白 宋璐 黄辰旭

摘 要：【目的】为实现中长波双波段红外探测，同时满足系统轻小化要求，本研究设计一套红外双波段共光路消热差光学系统。【方法】该系统采用透射式共光路结构，使用锗、硒化锌和硫系玻璃等材料的组合来满足被动消热差要求。光学系统焦距为200 mm、F/#为2，工作波段覆盖范围为3～5 μm、8～10 μm，达到100%冷光阑效率。【结果】像质评价结果表明，该系统的调制传递函数在空间频率16l p/mm处的值大于0.5，在-55～+70 ℃宽温度范围内成像良好。该系统结构紧凑，总长度不超过120 mm。【结论】该共光路实现无热化和小型化的设计要求，具有一定的工程应用前景。

关键词：红外光学系统；消热差设计；双波段；共光路

中图分类号：TN214    文献标志码：A    文章编号：1003-5168（2023）08-0009-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.08.002

Athermal Design of Dual-Band Infrared Optical System with

Common Aperture

WANG Shaobai1 SONG Lu2 HUANG Chenxu1

（1. Luoyang Institute of Electro-Optic Equipment， AVIC， Luoyang 471000， China;

2. School of Information Engineering， Henan University of Science and Technology， Luoyang 471000， China）

Abstract： [Purposes] In order to meet the need of simultaneous mid & long wave infrared detection and constraints of light weight and small volume， anathermal dual-band infrared optical system with common aperture is designed. [Methods] The system adopts the transmission type common optical path structure， and the combination Ge， ZnS and AMTIR I meets the requirements of passive athermalization. The system's focal length is 200 mm and F/# equals 2， along with operation band covering 3～5 μm and 8～10 μm and 100% cold diaphragm efficiency. [Findings] The image quality evaluation results demonstrate MTF of the system exceeds 0.5 at the spatial frequency of 16 lp/mm and image quality retains fine in a wide temperature range of -55～+70 ℃， along with compact structure whose length not exceeding 120 mm. [Conclusions] This athermal and compact design with common aperture shows comparative applicable potentiality.

Keywords： infrared optical system;athermal design;dual-band;common aperture

0 引言

随着作战场景和方式的增多，在复杂环境中基于目标多波段特性进行探测识别的需求也日益增多，单纯利用某个红外波段进行探测已无法有效满足使用要求。目标在不同光谱波段下会呈现出不同的光学特性，可通过双波段光学系统来获取更多的目标信息，从而提高系统的识别能力。目前，中长双色红外焦平面探测器已投入使用，基于双色红外探测器的實际应用需求，要相应地设计出具备双波段成像能力的光学系统［1］。

机载红外探测系统的工作环境通常比较恶劣，温度变化范围约为-55～+70 ℃，红外材料对温度比较敏感。为了使该系统能在宽温度范围内保持稳定的光学性能，要对消热差进行研究和设计［2］。Jamieson［3］对光学系统的热效应进行详细研究。Olivieri等［4］对光学系统的热离焦特性进行详细分析；Hudyma［5］基于色散阿贝数-热差系数表来对密接光学系统消热差进行设计。Tamagawa等［6-7］通过引入色差系数和热差系数，对分离透镜组的消热差设计方法进行研究。胡玉禧等［8-9］对折射光学系统和空间光学系统的消热差进行研究。焦明印［10］对光学系统热补偿的通用条件进行研究。温彦博等［11］、刘琳等［12］将衍射元件应用到中波红外消热差设计中，但衍射元件存在宽光谱范围内衍射级次多、衍射效率低、加工困难、元件成本高等问题。

本研究在满足中波和长波红外双波段同时成像基础上，基于双色红外焦平面阵列探测器，设计出3～5 μm和8～10 μm双波段共光路消热差光学系统，通过合理选择材料，实现-55～+70 ℃的宽温度范围消热差，采用非球面来消除高级像差，经仿真验证，该系统能实现良好成像效果。

1 设计分析

常用的光学系统有三种结构形式，即反射式、折反射式、折射式。反射式系统不存在色差和二级光谱，对不同波段的光波没有选择性，对系统公差要求高，设计和加工装调较为困难。折反系统通常在反射镜基础上增加透镜，用于像差校正，由于这类系统的视场无法设计得太大，限制了应用范围。相对而言，折射式系统能有效减小系统的体积，设计和加工经验比较成熟。因此，本研究采用折射式结构对该系统进行设计。

在双波段光学系统设计过程中，会受到探测器、外形尺寸等因素制约，同时还要考虑光学零件的加工工艺、系统公差敏感度等。为了尽量减小光学系统的径向尺寸，提高像面对比度，保持100%的冷光阑效率，采用二次成像构型。光学系统结构如图1所示。

本研究设计的光学系统选用中波和长波红外双色探测器，靶面大小为（320 px，256 px）、像元是单边为30 μm的正方形、设计半像高为6.147 mm、F数为2、视场为2.75°×2.2°。要求该光学系统在-55～+70 ℃的范围内能良好成像，光学传递函数值在16 lp/mm空间频率处要高于0.5，光学畸变不大于3%。光学系统的主要技术指标见表1。

2 系统设计

由于可供红外光学系统使用的材料种类较少，且不同波段的性能差异较大，对红外光学系统的色差校正成为设计难点。由于红外光学材料的折射率温度系数较大，因此，红外光学材料的曲率、厚度等参数会因温度发生变化，使光学系统的像面产生漂移，导致探测器的焦平面与光学系统的焦平面不再重合，这将对系统性能造成严重影响。

通过合理选择透镜材料、分配光焦度，并利用透镜材料与镜头机械结构材料相互补偿，双波段红外光学系统能同时实现消热差和消色差的目的。透镜材料参数应同时满足光焦度、消色差及消热差的要求，具体要求见式（1）到式（3）。

[1h1?i=1nhi?i] = 1 （1）

（[1h1?）2i=1nh2i?iCi] = 0 （2）

- [1h2i?][i=1nh2i][?iTi] = [α] （3）

式中：[?]为系统总的光焦度；[?i]为第i个透镜的光焦度；hi为第一近轴光线在第i片透镜上的入射高度；Ci为第i个透镜的色差系数，其值为阿贝数的倒数；Ti为第i个透镜的热差系数；[α]为镜筒材料的热膨胀系数。

Ti的计算公式见式（4）。

[Ti] = [1?id?idt]= -[dni/dtni-1] [-αi] （4）

式中：[ni]为第i个透镜材料的折射率；[dni/dt]为折射率随温度的变化率；[αi]为透镜材料的热膨胀系数。

通过分析光学材料的可加工性、化学稳定性、镀膜性能等因素，选择锗、硒化锌、硫系玻璃（Ge、As、Se混合材料）作为双波段的光学材料。硒化锌的折射率较高，且易于加工成非球面和衍射面。为了消除色差，一般选用折射率、温度变化率不同的材料进行搭配，本研究选取IG6硫系玻璃作为系统的光学材料。通过合理分配系统的光焦度，再利用CODE V软件对其进行优化设计，对系统像差进行校正。

该光学系统采用共光路成像的方式，在不移动任何光学元件做补偿的前提下来实现双波段成像。该系统由前物镜组、中继镜组和目镜组组成。物镜组包含三片透鏡，具有较大的焦距。中继镜组将入射光线会聚在一次像点处。后目镜组将一次像点处的像转移到无穷远处。该系统采用二次成像的形式，确保100%冷光阑效率，同时能有效压缩系统口径。该系统选用锗、硒化锌、硫化锌三种红外材料，未使用偕衍射面，通过引入三个非球面镜面来校正双色系统的像差。采用CODE V软件对其进行优化设计，得到的光学系统结构如图2所示，光学系统参数见表2，其中透镜序号是按照图2中从左到右的顺序进行排列。

3 仿真结果

使用CODE V光学软件对系统进行模拟，分别得到两个波段下MTF曲线随温度变化情况，如图3所示。在全温度范围内（-55～+70 ℃），中波和长波各个视场在空间频率为16 lp/mm时，MTF的值均在0.5以上，具有良好的像质，能满足系统的性能要求。

该系统中波和长波的几何弥散斑如图4所示，尺寸均小于探测器像元尺寸30 μm。各视场的畸变如图5所示，整个光学系统的全视场畸变小于3%，能较好地满足系统需求。

4 结语

本研究结合中波和长波红外的波段特点和光学材料特性，通过引入非球面，采用被动消像差法，设计出一种基于中长波红外双色探测器，工作波段包含3～5 μm和8～10 μm的双波段共光路光学系统。该系统可在-55～+70 ℃的环境中工作，结构紧凑、成像质量良好，可适用于双波段的红外搜索跟踪系统等机载光电系统。

参考文献：

［1］吴海清，王海霞，赵新亮，等.双波段/双视场红外光学系统设计［J］.红外技术，2010（11）：640-644．

［2］陈建发，王合龙，刘欣.中波红外光学系统光学被动无热化设计［J］.电光与控制，2013（12）：88-91.

［3］JAMIESON  T  H.Thermal  effects  in  optical                 systems［J］. Proc Spie，1981（20）：156-160.

［4］OLIVIERI M，PIERI S，ROMOLI A.Analysis of defocusing thermal effects in optical systems［J］.Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering，1996，2774：283-292.

［5］HUDYMA R M.Athermal MWIR Objectives［J］.Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering，1995，2540：229-235.

［6］TAMAGAWA Y，TAJIME T.Dual-band optical systems with a projective athermal chart：design［J］. Applied Optics， 1997（1）：297-301.

［7］TAMAGAWA Y，TAJIME T.Expansion of an athermal chart into a multilens system with thick lenses spaced apart［J］.Opt Eng，1996（10）：3001-3006.

［8］胡玉禧，周绍祥，相里斌，等.消热差光学系统设计［J］.光学学报，2000（10）：1386-1391.

［9］胡玉禧，相里斌，杨剑峰.空间光学系统无热化设计［J］.量子电子学报，2000（3）：274-278.

［10］焦明印.光学系统实现热补偿的通用条件［J］.应用光学，2006（3）：195-197.

［11］温彦博，白剑，侯西云，等.红外无热化混合光学系统设计［J］.光学仪器，2005（5）：82-86.

［12］刘琳，沈为民，周健康.中波红外大相对孔径消热差光学系统的设计［J］.中国激光，2010（3）：675-679.

收稿日期：2022-12-01

作者简介：王少白（1985—），男，博士，高级工程师，研究方向：红外探测技术。