大相對孔徑變焦紅外光學系統(tǒng)無熱化設計

陳 瀟

大相對孔徑變焦紅外光學系統(tǒng)無熱化設計

陳 瀟

（南京郵電大學 通達學院，江蘇 揚州 225127）

隨環(huán)境溫度變化紅外鏡頭會產(chǎn)生熱離焦現(xiàn)象，一般定焦紅外光學系統(tǒng)可通過多種紅外材料組合或引入衍射面來實現(xiàn)光學被動式無熱化設計，而變焦紅外光學系統(tǒng)大多是通過移動透鏡組來實現(xiàn)機械主動式無熱化設計。文中根據(jù)光學變焦原理和光學被動式無熱化原理，提出一種變焦光學被動式無熱化設計方法，并采用該方法設計了一種大相對孔徑雙視場無熱化長波紅外光學系統(tǒng)。該系統(tǒng)焦距為25/50mm（變倍比為2:1），工作波段為8～12mm，F(xiàn)數(shù)為0.9，可匹配640×512，像元為17mm×17mm的非制冷紅外焦平面陣列探測器。光學設計中采用3種紅外光學材料（硫系玻璃HWS6、硒化鋅和鍺）組合，并引入3個偶次非球面，實現(xiàn)變焦無熱化設計。設計結(jié)果表明：該系統(tǒng)在寬溫度范圍內(nèi)具有良好的成像效果和溫度自適應性，在空間頻率30lp/mm處，－50℃～80℃溫度范圍內(nèi)各視場MTF均大于0.3。該紅外光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、工藝良好，在紅外車載領域有著廣泛應用前景。

變焦系統(tǒng)；光學被動無熱化；硫系玻璃；大相對孔徑

0 引言

紅外光電成像系統(tǒng)已廣泛地應用于軍事、工業(yè)、科研、醫(yī)療等領域。尤其是在軍用、工業(yè)和科研應用中，對紅外光電成像系統(tǒng)的成像性能、溫度適應性、體積、重量等要求越來越高。因而像質(zhì)優(yōu)良、環(huán)境溫度自適應、高變倍比的變焦紅外無熱化鏡頭成為今后紅外光學設計的發(fā)展方向。

變焦紅外鏡頭能夠?qū)崿F(xiàn)大視場觀察目標感知，小視場目標識別與分析功能，且在變焦過程中成像質(zhì)量保持穩(wěn)定。但要實現(xiàn)在整個工作溫度范圍內(nèi)，在每個變焦位置都達到成像質(zhì)量優(yōu)異，且能夠滿足體積、重量等方面的要求，使得變焦紅外光學系統(tǒng)的設計難度增加。目前已有的報道[1-7]中，大多數(shù)系統(tǒng)都是關于定焦紅外無熱化設計，只有少量是關于變焦紅外無熱化設計。因此，有必要對變焦紅外光學系統(tǒng)的無熱化設計進行研究。

本文設計了一種大相對孔徑雙視場變焦無熱化長波紅外光學系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用3種紅外光學材料，即利用硫系玻璃HWS6、硒化鋅和鍺組合，并引入3個偶次非球面，最終實現(xiàn)大相對孔徑雙視場長波紅外光學系統(tǒng)無熱化設計。

1 光學被動無熱化設計

1.1 變焦紅外光學系統(tǒng)設計指標

該雙視場變焦紅外光學系統(tǒng)設計指標如表1所示。

表1 光學設計參數(shù)

1.2 紅外變焦系統(tǒng)光學被動無熱化原理

光學被動無熱化是利用紅外光學材料熱特性之間的差異，通過合理的組合、分配光焦度及選定合適的機械材料，在滿足像質(zhì)的條件下，在鏡頭工作溫度范圍內(nèi)，補償系統(tǒng)產(chǎn)生的熱離焦。光學被動式無熱化補償技術(shù)不需要移動任何的部件，也不需要使用各種復雜的電子設備，就可使得系統(tǒng)具有較好的溫度穩(wěn)定性，且結(jié)構(gòu)更為緊湊。這種光學被動無熱化補償設計主要包括3個過程：1）根據(jù)紅外光學材料的溫度折射率、熱膨脹系數(shù)等參量，選擇合適的光學材料，以便更好地校正由溫度變化帶來的像面離焦；2）選擇初始結(jié)構(gòu)，各種材料組合在無熱化的同時滿足系統(tǒng)光焦度的要求；3）在無熱化與光焦度滿足的前提下，進一步優(yōu)化設計校正光學系統(tǒng)像差[8]。

無熱化的基本原理是通過選擇合適的光學材料組合，對系統(tǒng)的光學熱差系數(shù)和機械熱差系數(shù)進行補償，從而實現(xiàn)無熱化設計。一個無熱化系統(tǒng)必須同時滿足光焦度、消色差和無熱化3方面。設光學系統(tǒng)由片薄透鏡構(gòu)成，總光焦度為，各薄透鏡的光焦度、光學熱差系數(shù)、機械熱差系數(shù)和色差系數(shù)分別用、、m和來表示。為了實現(xiàn)消色差設計，要求系統(tǒng)的色差系數(shù)＝0；為了消除熱差，要求系統(tǒng)的光學熱差和機械熱差應互相補償，即要求＝－m。因此光學系統(tǒng)設計中為了實現(xiàn)光學被動無熱化設計，必須滿足以下3個方程。

光焦度方程：

消色差方程：

消熱差方程：

式中：＝1,2,3,…,；h表示近軸光線入射到第個透鏡的入射高度；m為所選用鏡筒材料的熱膨脹系數(shù)；為機械結(jié)構(gòu)鏡筒的總長度。

考慮雙視場結(jié)構(gòu)，利用單個負的硫系材料透鏡變倍以實現(xiàn)焦距變化，變倍組與前固定組及后固定組間的間距發(fā)生改變，引起像面移動，為了保持像面位置不變，變倍組在系統(tǒng)的小視場和大視場的位置應滿足物像交換原則。為了實現(xiàn)光學被動式無熱化設計，根據(jù)瑞利判據(jù)，要求在兩個變焦位置下的消熱差誤差DL應控制在小于四分之一波長，要求該誤差應在系統(tǒng)的焦深范圍內(nèi)[6]：

DL≤2(F/#)2(4)

因此，設計變焦紅外無熱化系統(tǒng)可分成3個過程：1）選擇常溫狀態(tài)下的變焦雙視場紅外光學系統(tǒng)作為初始結(jié)構(gòu)；2）選擇合適的紅外光學材料組合，合理分配光焦度，利用光學設計軟件優(yōu)化實現(xiàn)變焦紅外光學系統(tǒng)的優(yōu)化設計；3）加入溫度分析，設置高溫與低溫態(tài)為熱拾取，優(yōu)化設計，根據(jù)熱離焦量及調(diào)制傳遞函數(shù)、點列圖等評價高低溫下的無熱化效果，如果不滿足要求可回到第2）個步驟，進一步優(yōu)化設計，重復2），3）步驟。最終實現(xiàn)雙視場變焦紅外光學系統(tǒng)無熱化設計。

1.3 紅外光學材料選擇

紅外材料的光學熱特性可用光學熱差系數(shù)表示，是透鏡的單位光焦度在單位溫升后的光焦度改變量，即滿足：

式中：＝d/d為材料折射率隨溫度的變化率，稱為折射率溫度系數(shù)，也稱光熱系數(shù)。0為材料的熱膨脹系數(shù)。根據(jù)光學被動無熱化理論，實現(xiàn)光學被動式無熱化的關鍵在于紅外光學材料的選擇，針對8～12mm波段，可使用的紅外材料以鍺、硫化鋅、硒化鋅及各種硫系玻璃為主。

與傳統(tǒng)的鍺玻璃相比較，硫系玻璃具有更小的折射率溫度系數(shù)，因此采用硫系玻璃引起的光學熱差系數(shù)會更小。并且硫系玻璃具有波長透過范圍寬、成本低等優(yōu)點，因此在紅外無熱化設計中常會使用硫系玻璃進行無熱化設計。

綜合考慮紅外材料的光譜特性、加工工藝、環(huán)境影響等因素，選用了3種紅外材料：HWS6、ZnSe和Ge。利用3種材料配合實現(xiàn)雙視場長波變焦紅外光學系統(tǒng)無熱化設計。

2 雙視場紅外變焦光學系統(tǒng)無熱化設計結(jié)果及像質(zhì)評價

根據(jù)以上變焦紅外光學系統(tǒng)無熱化原理分析，利用光學設計軟件ZEMAX設計了一種雙視場長波紅外無熱化鏡頭，可匹配640×512，像元為17mm×17mm的非制冷紅外焦平面探測器。焦距為25/50mm，2倍變焦，變焦行程26.37mm，工作波段為8～12mm，F(xiàn)數(shù)為0.9。通過3種紅外材料HWS6、硒化鋅和鍺材料配合，機械件鏡筒材料選擇鋁合金材料，其熱膨脹系數(shù)為23×10－6/℃。第一片透鏡為前固定組，采用低折射率，光學熱差系數(shù)小的硫系玻璃HWS6。第二片透鏡為變倍透鏡，采用硫系玻璃，起到校正系統(tǒng)熱差和色差的作用。第3，4，5，6透鏡為后固定組，分別采用HWS6、硒化鋅、HWS6和鍺材料來校正系統(tǒng)初級像差。并引入3個偶次非球面，校正系統(tǒng)剩余像差和熱差，提高系統(tǒng)常溫下成像質(zhì)量，減小高低溫下熱差的影響，最終實現(xiàn)雙視場紅外變焦無熱化設計。如圖1所示為該系統(tǒng)的光學結(jié)構(gòu)圖。

圖2為光學系統(tǒng)的傳遞函數(shù)曲線圖。該長波紅外光學系統(tǒng)的大、小視場在常溫20℃、低溫－50℃和高溫80℃下，均具有良好的成像質(zhì)量，在30lp/mm處，0視場MTF均接近衍射極限，0.707視場MTF均大于0.37，1視場MTF均大于0.3。雖然在高低溫下1視場MTF有所下降，但下降量值不大，說明該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高低溫下大、小視場的溫度自適應，具有光學被動式無熱化功能。

圖1 變焦光學系統(tǒng)光路圖

根據(jù)瑞利判據(jù)要求在大、小視場下的消熱差誤差DT應控制在小于四分之一波長，要求該誤差應在系統(tǒng)的焦深范圍內(nèi)，即：

DT≤2(F/#)2＝16.2mm

如表2所示為光學系統(tǒng)大、小視場在常溫20℃、低溫－50℃和高溫80℃下的像面熱離焦量，通過像面熱離焦量表明：在各溫度點下，像面的離焦范圍均在焦深16.2mm范圍內(nèi)，因此說明該雙視場長波紅外鏡頭具有較好的無熱化效果。

表2 長焦和短焦的像面熱離焦量

如表3所示為光學系統(tǒng)大、小視場在常溫20℃、低溫－50℃和高溫80℃下，對無窮遠物平面成像的彌散斑均方根半徑。由表3中數(shù)據(jù)表明，在焦距25mm和50mm時，各視場在高低溫下對應的彌散斑均方根半徑均小于17mm×17mm的探測器像元尺寸，高低溫下該系統(tǒng)成像質(zhì)量良好，能夠?qū)崿F(xiàn)變焦無熱化。

表3 無熱化后-50℃～+80℃彌散斑均方根半徑

3 公差分析

公差分析是光學設計中重要環(huán)節(jié)之一，公差的變化與系統(tǒng)成本密切相關，應在設計中對零件的加工和裝配提出相應的要求，嚴格控制公差，從而可以減少裝配調(diào)試時間，節(jié)約勞動力成本。文中設置的公差如圖3所示。

通過ZEMAX軟件公差分析后，如圖4給出了200次蒙特卡洛采樣計算分析公差后的長、短焦的MTF圖，綜合評估所有偏離量后，統(tǒng)計結(jié)果表明長焦、短焦邊緣視場的MTF值90%概率可大于0.39，該系統(tǒng)公差分配合理，易于加工和裝調(diào)。

圖3 系統(tǒng)公差設置

圖4 公差蒙特卡羅分析結(jié)果

4 結(jié)論

文中以紅外變焦原理與光學被動消熱差技術(shù)為基礎，選擇合適的紅外材料配合，利用光學設計軟件ZEMAX完成一種大相對孔徑變焦紅外光學系統(tǒng)無熱化設計。通過對該系統(tǒng)成像質(zhì)量分析、溫度分析及公差分析表明：該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)、工藝良好，具有寬的工作溫度范圍，成像質(zhì)量良好。在民用車載夜視領域有著廣泛應用前景。

[1] 葛琳琳, 王世先, 張瑞, 等. 基于硫系玻璃的光學被動式紅外無熱化鏡頭設計[J]. 紅外, 2020, 41(2): 7-12.

GE Linlin, WANG Shixian, ZHANG Rui, et al. Design of optical passive infrared non-thermal lens based on chalcogenide glass [J]., 2020, 41(2): 7-12.

[2] 王靜, 吳越豪, 戴世勛, 等. 硫系玻璃在長波紅外無熱化連續(xù)變焦廣角鏡頭設計中的應用[J]. 紅外與激光工程, 2018, 47(3): 156-162.

WANG Jing, WU Yuehao, DAI Shixun, et al. Application of chalcogenide glass in designing a long-wave infrared athermalized continuous zoom wide-angle lens[J]., 2018, 47(3): 156-162.

[3] 白瑜, 廖志遠, 李華, 等. 硫系玻璃在現(xiàn)代紅外熱成像系統(tǒng)中的應用[J]. 中國光學, 2014, 7(3): 449-455.

BAI Yu, LIAO Zhiyuan, LI Hua, et al. Application of the chalcogenide glass in modern infrared thermal imaging systems[J]., 2014, 7(3): 449-455.

[4] 趙延, 鄧鍵, 于德志, 等. 光學被動消熱差的長波紅外雙視場光學系統(tǒng)設計[J]. 紅外與激光工程, 2014, 43(5): 1545-1548.

ZHAO Yan, DENG Jian, YU Dezhi, et al. Design of dual field-of-view optical system in long wave infrared with optical passive athermalization [J]., 2014, 43(5): 1545-1548.

[5] 陳建發(fā), 王合龍. 雙視場長波紅外光學系統(tǒng)無熱化設計[J]. 激光與光電子學進展, 2013, 50(6): 129-133.

CHEN Jianfa, WANG Helong. Athermalization design of dual-field- of-view long wavelength infrared optical system[J]., 2013, 50(6): 129-133.

[6] 鄧鍵, 童衛(wèi)紅, 安曉強, 等. 雙視場紅外變焦鏡頭的無熱化研究[J]. 應用光學, 2011, 32(1): 133-137.

DENG Jian, TONG Weihong, AN Xiaoqiang, et al. Athermalization of infrared zoom system[J]., 2011, 32(1): 133-137.

[7] LI S H, YANG C C. Optical passive athermalization for infrared zoom system[C]//of, 2007, 67224E: 1-8.

[8] 王文生. 現(xiàn)代光學系統(tǒng)設計[M]. 北京:國防工業(yè)出版社, 2016: 106-110.

WANG Wensheng.[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2016: 106-110.

Athermalization of Infrared Zoom Optical System with Large Relative Aperture

CHEN Xiao

(,225127,)

As the ambient temperature changes, the thermal defocus of optical lenses occurs in infrared lenses. The passive thermal design of an infrared prime lens can be realized by the combination of infrared materials and the introduction of a diffraction surface. However, most infrared zoom lenses are designed using active mechanical compensation. In this study, a passive athermalization design method for zoom optics is proposed based on the principles of zoom optical system and passive optical athermalization, and a long-wave infrared athermalization lens with a large relative aperture and dual field of view is achieved using this method. The focal length was 25/50 mm (with 2 zoom ratio), the wavelength band was 8–12mm, and the F number is 0.9. The system was based on a 640′512 uncooled infrared focal plane detector with a pixel size of 17mm′17mm. Three LWIR materials were used in the system, namely Ge, ZnSe, and HWS6, and three high-order aspheric surfaces were introduced to realize the athermalization zoom design. The final design exhibits good imaging quality and temperature applicability over a wide temperature range. In the temperature range of-50℃ to 80℃, the MTF is greater than 0.3 at 30lp/mm. The system structure is simple, has good usability, and has broad application prospects in the field of infrared vehicles.

zoom system, passive optical athermalization, chalcogenide glass, large relative aperture

O439

A

1001-8891(2021)12-1183-05

2021-06-28；

2021-07-07.

陳瀟（1985-），女，陜西西安人，碩士，中級工程師（講師），從事光學類課程教學工作，主要研究方向為紅外光學設計。E-mail：chenxiao.45678@163.com

學院級科研項目（XK202XZ20006），學院級項目（JG02121JX26）。