制冷式紅外長波折衍混合消熱差攝遠物鏡設計

張宇,王文生

(長春理工大學現代光學測試技術實驗室,吉林長春 130022）

制冷式紅外長波折衍混合消熱差攝遠物鏡設計

張宇,王文生

(長春理工大學現代光學測試技術實驗室,吉林長春 130022）

針對坦克紅外觀瞄系統(tǒng)的總體設計要求,為了滿足戰(zhàn)場環(huán)境下紅外目標探測的需求,設計了一種制冷式紅外長波折衍混合消熱差攝遠物鏡。攝遠物鏡由物鏡組和中繼鏡組構成,焦距為-200 mm,F數為2.1,全視場角為3.6°.探測器選用Sofradir公司生產的MARS-VLW型紅外長波焦平面陣列,其分辨率為320×256像素,象元尺寸為30 μm×30 μm.試驗結果表明:在截止頻率17 cy/mm時,溫度-40℃～60℃范圍內,該攝遠物鏡各視場的調制傳遞函數(MTF)均大約為0.5,點列圖均方根半徑均遠小于艾利斑半徑34.5 μm,并實現了100%冷光闌效率。該紅外攝遠物鏡雖然是針對坦克紅外觀瞄系統(tǒng)的要求而設計的,但其結構緊湊,在-40℃～60℃溫度范圍內,像質優(yōu)良且穩(wěn)定,也可用于其他紅外觀瞄系統(tǒng)。

兵器科學與技術;光學設計;攝遠物鏡;無熱化;折衍混合;目標探測

0 引言

基于紅外光學系統(tǒng)對目標進行探測和識別,有著不受氣候、環(huán)境條件影響的優(yōu)點,已被廣泛應用到各軍事領域。紅外光學材料對環(huán)境溫度變化較為敏感,溫度的改變會引起紅外光學系統(tǒng)的焦距、像面位置以及像差發(fā)生變化,最終導致成像質量下降。這種由溫度變化導致的像差稱為熱像差[1]。為了能在各種戰(zhàn)場環(huán)境下得到較好的成像質量,需對紅外光學系統(tǒng)進行消熱差研究和設計。

目前,消熱差方法主要有機電主動式、機械被動式和光學被動式[2],其中光學被動式是通過匹配透鏡與鏡頭結構件的熱性能消除熱差,以其質量小、無功耗、可靠性高等特點,成為光學系統(tǒng)消熱差的首選方法。不過,一次成像系統(tǒng)為了達到100%冷光闌效率必然導致制冷型紅外系統(tǒng)的徑向口徑過大[3]。在長波紅外目標探測光學系統(tǒng)中,為了達到100%冷光闌效率并減小系統(tǒng)的橫向尺寸,要對光學系統(tǒng)進行二次成像。

相比于非制冷式紅外探測器,制冷式探測器的信噪比要比非制冷式探測器高出1～2個數量級[4]。因此,使用制冷式探測器作為接收器來進行目標探測大大提高了目標識別的精度和準確度。隨著制冷式探測器的不斷發(fā)展,國內也對使用制冷式探測器的光學系統(tǒng)進行了研究。文獻[5]設計了一種折反式長波無熱化系統(tǒng),該系統(tǒng)雖然使用了制冷型探測器,但這種卡塞格林形式使得光束的中心部分被遮攔(遮攔比小于0.4),導致系統(tǒng)分辨率下降,接收的能量減少,也不易裝調。文獻[6]設計了一種中波紅外無熱化系統(tǒng),該系統(tǒng)雖為二次成像的無熱化系統(tǒng),但其使用的波長處于在紅外中波波段,其探測到的信息量遠遠小于紅外長波(約紅外長波的1/15),而且其焦距較小(100 mm),不能有效地探測遠距離目標。文獻[7]設計了一種非制冷式紅外長波無熱化系統(tǒng),該系統(tǒng)結構簡單,但其焦距更小,僅為33 mm,只能探測15～100 m范圍內的目標,不能用于遠距離探測,而且該系統(tǒng)應用于非制冷型探測器,探測精度低。

1 坦克紅外觀瞄系統(tǒng)

坦克裝甲車的火控觀瞄系統(tǒng)是裝甲車的重要組成部分,由瞄準鏡光機結構、激光與穩(wěn)瞄控制盒、火控計算機和終端顯示系統(tǒng)組成,如圖1所示。

制冷型熱像儀能夠全天候提供高分辨率熱輻射圖像,為觀瞄系統(tǒng)提供實時目標信息及目標方位信息。激光與穩(wěn)瞄控制盒提供目標的距離信息。這些信息送入火控計算機進行計算處理,進而控制武器系統(tǒng)進行瞄準,并將瞄準信息顯示在終端顯示器上。穩(wěn)定平臺隔離裝甲車的高頻振動,使觀瞄系統(tǒng)瞄準精度提高。

圖1 觀瞄系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of observing-aiming system

制冷型熱像儀為觀瞄系統(tǒng)捕獲目標圖像,相當于觀瞄系統(tǒng)的眼睛,因此熱像儀的光學系統(tǒng)的質量好壞直接影響整個觀瞄系統(tǒng)的工作效率[8]。

一般情況下,坦克瞄準鏡的焦距為120 mm,探測最大距離為3 km左右。為了擴大觀瞄系統(tǒng)的探測距離、并提高系統(tǒng)方位角的精度(取決于焦距和像素尺寸的大小),設計了焦距為200 mm的制冷式紅外長波折衍混合消熱差攝遠物鏡。

2 光學設計原理

2.1 二次成像系統(tǒng)原理

一般的紅外偵察、瞄準系統(tǒng)采用的是制冷型探測器,探測器本身攜帶的冷光闌即是光學系統(tǒng)的出瞳,這是由光瞳銜接原則決定的,滿足該原則即滿足冷光闌效率100%.否則會造成光束切割,降低系統(tǒng)靈敏度,或有額外的雜散熱輻射入射到探測器上,降低系統(tǒng)信噪比。因此在一次像面后方追加二次成像結構,可實現100%冷光闌效率,同時減小系統(tǒng)徑向尺寸[9]。二次成像系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 二次成像光學系統(tǒng)結構圖Fig.2 Structure diagram of secondary imaging optical system

二次成像系統(tǒng)由物鏡組和中繼鏡組成,他們之間的近軸關系[10]為

式中:fo為物鏡組焦距;fR為中繼鏡組焦距;m為中繼鏡的垂軸放大倍率;f為系統(tǒng)焦距;L為光學系統(tǒng)的總長;Dcs為冷光闌到焦平面的距離。二次成像系統(tǒng)無熱化初始結構設計時,先依據(1)式、(2)式、(3)式,確定fo、fR和m,分別設計像質良好的物鏡組和中繼鏡組,再把兩鏡組按圖2的關系銜接并再次進行優(yōu)化,使系統(tǒng)的出瞳和探測器冷光闌重合,完成二次成像系統(tǒng)的設計。

2.2 系統(tǒng)無熱化原理

由于紅外材料對溫度變化非常敏感并且紅外系統(tǒng)的工作環(huán)境比較惡劣,在進行光學系統(tǒng)設計時需要考慮環(huán)境溫度變化對系統(tǒng)產生的影響,因此紅外系統(tǒng)通常要進行無熱化設計。在無熱化設計過程中,材料的選取是非常重要的,紅外材料的折射率溫度系數n·是隨著溫度變化而變化的,常用紅外材料以及可見光玻璃材料K9的光學參數如表1所示?？芍?紅外材料的折射率溫度系數遠遠大于可見光玻璃材料,因此溫度的變化對紅外光學系統(tǒng)的像質影響是非常大的。

表1 紅外光學材料與K9玻璃光學特性比較Tab.1 Optical characteristic comparison of IR opticalmaterial and K9 glass

在光學系統(tǒng)設計過程中,利用光學材料熱特性之間的差異,通過不同特性材料之間的合理組合以及光焦度的合理分配來消除溫度的影響,從而獲得無熱化效果[11]。

空氣中由k個薄透鏡組成的無熱化系統(tǒng)應滿足的光焦度方程、消色差方程、消熱差方程分別為

式中:φ為系統(tǒng)的光焦度;φi為第i個透鏡的光焦度;hi為軸上點近軸光線在第i個透鏡上的入射高度;ωi為第i個透鏡的色散系數;fb為系統(tǒng)的后焦距; Ti為第i個透鏡的熱差系數,定義為

式中:n為透鏡材料的折射率;n·為折射率溫度系數;αg為透鏡材料的熱膨脹系數。當(5)式、(6)式等于0時,系統(tǒng)滿足消色差及消熱差條件。

在選擇透鏡材料時,首先考慮透鏡材料的熱差系數的匹配。由3種材料A、B、C構成的消熱差、色差的密接透鏡光焦度分配如下:

式中:D=VA(TBVB-TCVC)+VB(TCVC-TAVA)+VC(TAVA-TBVB);Vi為第i個透鏡的阿貝數。

由(8)式～(10)式可知,通常實現光學被動無熱化需要3種以上材料,考慮到材料的可用性及成本,物鏡組和中繼鏡組均選用Ge、ZnS、AMTIR-1三種材料。同時考慮成本和紅外材料的透過率,透鏡的片數應盡可能減少,所以物鏡組采用5片式結構而中繼鏡組采用3片式結構。

3 消熱差攝遠系統(tǒng)的設計

3.1 光學系統(tǒng)設計參數

該攝遠物鏡配合Sofradir公司生產的MARSVLW型紅外長波焦平面陣列使用,所選探測器的像元數為320×256,像元尺寸為30 μm×30 μm,故像高為12.3 mm.根據(11)式可以求出攝遠系統(tǒng)的全視場角(2ω)為3.6°.

式中:d為所用探測器對角線尺寸。

考慮到探測器的感光靈敏度以及紅外光學材料的透過率,要求此光學系統(tǒng)的相對口徑為1∶2.1,在該相對孔徑下,攝遠物鏡截止頻率為39 cy/mm,滿足探測器的截止頻率17 cy/mm的要求,并能夠保證像面照度充足及合理的橫向尺寸。

為了避免環(huán)境紅外輻射對目標圖像的影響,要求冷光闌效率達到100%,且無漸暈。

為了獲得良好的成像質量,并考慮到焦平面陣列探測器的特性和衍射效應的影響及戰(zhàn)場工作環(huán)境,要求光學系統(tǒng)在-40℃～60℃的溫度范圍內,其調制傳遞函數(MTF)在截止頻率17 cy/mm時大于0.4.

3.2 光學系統(tǒng)設計結果

根據所定的視場角、焦距及相對孔徑系統(tǒng)的總體要求,光學系統(tǒng)可選用攝遠結構。攝遠物鏡系統(tǒng)由兩個透鏡組組成。前組為正透鏡組,后組為負透鏡組。這種結構可以減小光學系統(tǒng)的筒長,從而減小體積、降低成本并有利于像差的平衡和校正。

由于所設計的制冷式共光路二次成像紅外雙波段折衍混合攝遠物鏡采用制冷式紅外探測器,在距離制冷紅外探測器光敏面24.375 mm處有1 mm厚的保護玻璃,而冷光闌位于保護玻璃后3.6 mm,光敏面位于冷光闌后19.775 mm,為了使冷光闌效率達到100%,并且所設計的系統(tǒng)體積緊湊,在設計時采用二次成像技術使雙波段攝遠物鏡的光闌與探測器的冷光闌重合,即攝遠系統(tǒng)的光闌,也即出瞳,位于像面前19.775 mm處,并且把探測器的保護玻璃也加入系統(tǒng)中一起進行像差校正。

攝遠系統(tǒng)的物鏡組采用“負、正、負、正、正”的結構形式,構成焦距為257 mm的攝遠物鏡,并且在第5個透鏡后34.5 mm處實現第一次成像。這種“正”、“負”光焦度相結合的結構形式,能夠有效地減小系統(tǒng)的球差和色差,并且縮短系統(tǒng)的總長。在一次像面后32.355 mm處放置中繼鏡組。為減小系統(tǒng)的尺寸,中繼鏡的焦距較短,為29 mm,與物鏡組成焦距-200 mm的攝遠系統(tǒng),并且組合系統(tǒng)的孔徑光闌被置于探測器的冷光闌上,實現100%的冷光闌效率,提高光能利用率,并且減小系統(tǒng)的橫向尺寸,在相對口徑不變的情況下,系統(tǒng)的橫向尺寸減小了30%.中繼鏡組的出瞳即冷光闌為8.1 mm,中繼鏡組的入瞳與物鏡組的出瞳相重合,滿足了光瞳銜接原則;像方線視場為11 mm,以滿足紅外CCD的探測元的面積;橫向放大倍率為-0.8倍,以使攝遠物鏡與中繼鏡視場嵌接。

中繼鏡組采用“正、負、正”的結構形式,便于自身像差相互補償,降低了像差校正的難度。同時留有殘余像差,便于優(yōu)化設計時對物鏡組的殘余像差進行補償。

初始結構確定后,使用Zemax軟件對其進行優(yōu)化。首先改變系統(tǒng)中光學元件的半徑、厚度及空氣間隔這些參數,使本系統(tǒng)在20℃像質良好。優(yōu)化后,系統(tǒng)在常溫下得到了良好的像質。根據設計指標,需對系統(tǒng)在較寬的溫度范圍內實現無熱化,同時還需校正色差和二級光譜,這也是設計的難點。

由消熱差原理可知,光學被動消熱差的主要方法就是根據各元件的光學材料阿貝數、溫差系數、透鏡光焦度相互匹配,使系統(tǒng)達到消熱差的目的(見(4)式～(10)式).由于紅外光學材料很少,某些材料由于其性質不穩(wěn)定也無法應用到設計當中,所以熱差的消除非常困難。隨著光學零件加工技術的發(fā)展,衍射元件已經能夠被加工出來。由于衍射元件的負色散特性,將其加入到光學系統(tǒng)中,通過光焦度和材料的匹配,可以很好地消除熱差。

減小二級光譜的方法主要有選用低色散光學材料或者使用衍射光學元件。不過紅外長波光學系統(tǒng)可用的光學材料本身就非常少,不易找到合適的低色散紅外光學材料來消除系統(tǒng)的二級光譜。為此,物鏡組及中繼鏡組均選用Ge、ZnS和AMTIR1三種不同的材料,并且使用衍射元件的方法,使得系統(tǒng)的色差得到校正的同時,二級光譜和熱差也得到很好的校正。

經過優(yōu)化,最終得到了像質良好的消熱差結果。制冷式紅外長波折衍混合消熱差攝遠物鏡的最終設計結構如圖3所示。物鏡組中第3片透鏡的前表面為二元面,用于提高像質,校正系統(tǒng)球差,慧差,色差以及二級光譜。此衍射面的基底是橢圓面(圓錐系數c=25.912),采用1階衍射,其非球面系數為: α2=-3.264×10-4,α4=2.019×10-7,α6= -2.312×10-10,α8=-5.675×10-14,α10=1.876×10-16,α12=-1.342×10-19,衍射系數為:A2= -221.883,A4=-4 047.147,A6=3.378×104,A8= -1.421×105.

圖4給出該系統(tǒng)中衍射面的位相及周期與徑向距離的關系,衍射面的線頻率最大為0.79 cy/mm,對應最小周期線寬為1.266 mm,若每周期刻蝕16個臺階,對應的最小特征尺寸為79.133 μm.利用現代金剛石切削加工機很容易實現該衍射面的加工。本文的衍射面使用Precitech Nanoform 700Ultra型加工機加工,其加工精度可達10 nm,遠遠超過該衍射面的加工精度要求。

圖4 衍射面的位相及周期與徑向距離的關系Fig.4 Relationship between phase periods and radial distances of the diffractive surface

4 消熱差攝遠系統(tǒng)的性能分析

光學系統(tǒng)在20℃、-40℃和60℃的MTF曲線如圖5所示。

由圖5可看出,在溫度-40℃～60℃范圍內,各視場的MTF變化極小,在紅外焦平面陣列的截止頻率17 cy/mm時的MTF值均約為0.5,且接近衍射極限0.55,保證了系統(tǒng)在該溫度范圍內成像優(yōu)良。

光學系統(tǒng)在20℃、-40℃和60℃的色差如圖6所示。

由圖6可看出,在溫度-40℃～60℃范圍內,波長8 μm、10 μm、12 μm的球差曲線在約0.65帶相交于一點,表明該物鏡在溫度-40℃～60℃范圍內,色差及二級光譜均得到了很好的校正。分析各色光的球差曲線的彎曲形狀可知,攝遠物鏡除有3級球差外,還有5級和7級高級球差,但曲線都在0.40視場、0.65視場和0.90視場位置與縱軸相交,表明物鏡已在3個位置校正了高級像差,系統(tǒng)像差已達到極好的校正。

圖5 攝遠物鏡的調制傳遞函數曲線Fig.5 MTF curves of telephoto objective

5 結論

針對坦克紅外觀瞄鏡的目標探測需求而設計的制冷式紅外長波段折衍混合消熱差攝遠物鏡,其孔徑光闌和探測器的冷光闌重合,實現了100%的冷光闌效率,提高了系統(tǒng)探測靈敏度。該攝遠物鏡采用二次成像技術,在相對口徑不變的情況下,系統(tǒng)橫向尺寸減小了30%;僅加入一個二元面校正了攝遠物鏡的高級像差、二級光譜和熱差,使系統(tǒng)的結構緊湊。該系統(tǒng)相對孔徑大、焦距長、分辨率高,在-40℃～60℃溫度范圍內,紅外長波段的各個視場MTF均約0.5,像質優(yōu)良且保證了此溫度范圍內像質的穩(wěn)定性;該紅外攝遠物鏡也可用于其他紅外觀瞄系統(tǒng)。

圖6 制冷式紅外長波折衍混合消熱差攝遠物鏡的色差圖Fig.6 Longitudinal chromatic aberration of cooled LWIR refractive/diffractive athermal telephoto objective

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Design of Cooled LWIR Refractive/diffractive Athermal Telephoto Objective

ZHANG Yu,WANG Wen-sheng
(Laboratory of Contemporary Optical Measure Technology,Changchun University of Science and Technology,Changchun 130022,Jilin,China)

According to the overall design requirement of tank infrared observing-aiming system,a cooled LWIR refractive/diffractive athermal telephoto objective is designed in order to meet the requirements of infrared target detection in battlefield environments.The telephoto objective is composed of objective and relay lens.The focal length is-200 mm,the F number is 2.1,and the full field of view is 3.6°.The detector is the MARS-VLW LWIR focal plane array produced by Sofradir Company.Its resolution is 320×256 pixels,and the pixel size is 30 μm×30 μm.The image quality of this telephoto objective is excellent.In the temperature range of-40℃～60℃,MTF of each field of view is about 0.5 at the cutoff frequency of 17 cy/mm,the root mean square radius of spot diagram for each field of view is much smaller than the Airy spot radius(34.5 μm).The cold-shield efficiency is 100%.This infrared telephoto objective can be used for other infrared observing-aiming system.

ordnance science and technology;optical design;telephoto objective;athermalization;refractive/diffractive hybrid;target detection

TN21

:A

1000-1093(2014)05-0648-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2014.05.011

2013-02-04

張宇(1987—),女,博士。E-mail:48372765@qq.com;

王文生(1944—),男,教授,博士生導師。E-mail:wwciom@163.com