高速切換緊湊型雙視場無熱化紅外光學系統(tǒng)設計

曲賀盟，張 新

(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所光學系統(tǒng)先進制造技術中國科學院重點實驗室，吉林長春130033)

1 引言

隨著紅外探測技術的快速發(fā)展，高分辨紅外成像技術在遙感、導引及導航方面的應用需求不斷增長。對于諸如建筑、橋梁及汽車等自身輻射能量較小的低溫目標探測，長波紅外成像探測具有明顯優(yōu)勢。但是由于現(xiàn)今探測目標的動態(tài)性能越來越高，隱身性能也越來越好，導致傳統(tǒng)紅外探測手段難以滿足針對目標的有效探測和精準跟蹤。因此發(fā)展一種大視場短焦距用于搜索目標，小視場長焦距用于判別和精準跟蹤目標，同時在目標搜索和跟蹤過程中，光學系統(tǒng)高速切換，保證在視場切換過程中目標不丟失，且具有良好的環(huán)境適應性的雙視場紅外探測技術十分必要［1-3］。

近年來，國內(nèi)報道了關于紅外成像探測光學系統(tǒng)設計方面的研究，為保證總體空間尺寸的緊湊性，多采用單視場透射或折反射式光學結構形式，由于其本身探測能力有限，對目標的探測和跟蹤有一定的局限，而雙視場的光學系統(tǒng)大多采用凸輪變倍方式，其空間尺寸均較長，變倍速率相對較慢，無法滿足高性能紅外系統(tǒng)的實際使用需求［4-5］。

鑒于上述因素，本文針對目前長波紅外探測光學系統(tǒng)輕小型、高性能、高速視場切換和高環(huán)境適應性的要求，采用光學元件切入切出變倍方式，設計了工作波段為7.7～10.3 μm，焦距為28～128 mm，F(xiàn)數(shù)為1.67的長波紅外光學系統(tǒng)，光學系統(tǒng)長焦端遠射比達到了1。采用二次成像結構形式，在一次像面處加入視場光闌，有效地提高了光學系統(tǒng)雜散輻射抑制能力;采用電磁閥變倍方式，實現(xiàn)了60 ms的光學系統(tǒng)變倍速度;針對光學系統(tǒng)無熱化要求，采用光學被動消熱差方式，通過不同材料的匹配使系統(tǒng)實現(xiàn)了－40～+50℃的無熱化設計。設計結果在空間頻率20 lp/mm處各視場調(diào)制傳遞函數(shù)接近衍射極限。在－40～+50℃溫度范圍內(nèi)成像質(zhì)量沒有明顯下降。

2 光學系統(tǒng)結構選擇

目前雙視場成像光學系統(tǒng)實現(xiàn)方式主要為光學元件軸向運動變倍形式，如圖1所示。通過在物像共軛點之間移動負組透鏡，改變透鏡間隔實現(xiàn)系統(tǒng)焦距的變化;采用電機帶動變倍組和補償組軸向運動及合理的凸輪曲線設計，實現(xiàn)一個電機帶動兩組元的運動。但采用該種變倍方式需要在光學系統(tǒng)軸向空間上為變倍組和補償組預留較大的運動空間，不利于光學系統(tǒng)的小型化，且變倍組運動速度也相對較慢。另一種是光學元件切換變倍方式，即將光學元件切入和切出光學系統(tǒng)以改變光學系統(tǒng)焦距，如圖2所示。該種方式無需為光學元件在軸向預留較大移動空間，光學元件切換到系統(tǒng)垂軸方向，僅需保證元件的復位精度，以保證系統(tǒng)長短焦的光軸一致性，利于系統(tǒng)小型化，同時配合適當?shù)尿?qū)動方式能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的大小視場快速切換。因此本文選取該種方式進行雙視場紅外光學系統(tǒng)的設計［6］。

圖1 軸向運動變焦系統(tǒng)結構圖Fig.1 Structure diagram of axial movement optical system

圖2 切換式雙視場光學系統(tǒng)Fig.2 Rotate-zoom dual-FOV optical system

變焦系統(tǒng)基本結構主要由前固定組、變倍組、補償組和后固定組4部分組成，通過變倍組的運動實現(xiàn)系統(tǒng)組合焦距的變化，并通過補償組的運動實現(xiàn)系統(tǒng)焦面位置的固定。由于該種變倍方式需要給變倍組和補償組預留較大的軸向運動空間，因此系統(tǒng)軸向尺寸不可能很短，因此本設計使補償組固定不動，僅變倍組運動，大大縮短了光學系統(tǒng)的軸向尺寸。

由于大多雙視場光學系統(tǒng)置于萬向架上，具有俯仰和方位方向的掃描功能，為了滿足系統(tǒng)掃描角度、較小的轉(zhuǎn)動慣量和合理的質(zhì)量分布要求，光學系統(tǒng)的小型化是本設計的關鍵。首先，具有合理的冷闌匹配。為保證較高的成像質(zhì)量，制冷型光學系統(tǒng)希望達到100%的冷闌匹配，因此在光學系統(tǒng)設計的過程需將系統(tǒng)光闌設置在探測器冷屏處。若采用傳統(tǒng)的一次成像方式，由于系統(tǒng)孔徑光闌距前組鏡片較遠，光學系統(tǒng)前組鏡片會被放大較多，而采用二次成像方式，在滿足冷闌效率的前提下能有效縮小系統(tǒng)的口徑，利于雙視場光學系統(tǒng)的小型化，同時在一次像面處設置視場光闌，能夠有效地抑制紅外光學系統(tǒng)的雜散輻射。其次，通過合理地優(yōu)化變倍組和前后固定組的光焦度分配使系統(tǒng)小型化。紅外光學系統(tǒng)的設計與可見光有所不同，但可見光變焦方式適用于紅外光學系統(tǒng)，同時可以利用紅外光學材料高折射率和低色散的特點，簡化紅外變焦光學系統(tǒng)結構形式。

3 光學系統(tǒng)設計

3.1 光學系統(tǒng)設計參數(shù)

光學系統(tǒng)采用制冷型288×4線陣探測器，像元尺寸為28 μm×25 μm，綜合考慮系統(tǒng)體積、質(zhì)量及性能方面總體要求，光學系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

表1 光學系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 Parameters of optical system

3.2 光學系統(tǒng)初始結構建立

制冷型紅外光學系統(tǒng)需要100%的冷闌效率，因此，在設計階段需要考慮系統(tǒng)冷闌匹配的問題。對于冷闌匹配系統(tǒng)，由于光闌位于系統(tǒng)后端，為了避免系統(tǒng)前組放大較多，選擇二次成像結構形式，后組二次成像鏡組放大倍率保持在－1倍左右，或者更小，目的是避免放大前組殘留像差。

根據(jù)雙視場變焦系統(tǒng)的基礎理論，系統(tǒng)必須滿足物像交換原則。系統(tǒng)確定采用二次成像方式，后組倍率為－1倍，進而確定前組焦距，前固定組、變倍組、后固定組焦距，另外必須保證系統(tǒng)在短焦處前固定組、變倍組及后固定組保持適當間隔，避免變倍過程引起光學元件相互干涉。

設計過程中所有參數(shù)為歸一化參數(shù)，定義系統(tǒng)短焦焦距為fs，長焦焦距為fl，M為系統(tǒng)變倍比，f'1為前固定組焦距，f'2為變倍組焦距，f'3為后固定組焦距，由于采用切換變倍方式，因此變倍組放大倍率為M，變倍組在短焦處物距及像距為l2s、l'2s，短焦處前固定組和變倍組的間距為 d12s，短焦處變倍組和后固定組間距為d23s，可以得到系統(tǒng)長短焦焦距關系公式為［7-14］:

系統(tǒng)在短焦大視場時變倍組的物像距為:

當紅外雙視場系統(tǒng)對于無窮遠目標成像時，短焦處系統(tǒng)前固定的焦點成為變倍組的物點，規(guī)劃系統(tǒng)變倍組和后固定組的最小間隔為d，因此得到前固定組焦距f'1為:

當紅外雙視場系統(tǒng)對于無窮遠目標成像時，長焦處系統(tǒng)焦距為前固定組和后固定組的組合焦距為:

最終根據(jù)系統(tǒng)實際焦距進行縮放，縮比為A，得到:

通過以上公式可以得到雙視場紅外光學系統(tǒng)的初始高斯解，最終根據(jù)系統(tǒng)實際焦距進行縮放，可以得到設計過程中所需參數(shù)。在設計過程中保證系統(tǒng)的入瞳位于光學系統(tǒng)前固定組第一塊鏡片處，從而減小系統(tǒng)口徑，同時增大前固定組光焦度，降低其他元件的口徑，有利于系統(tǒng)小型化。

3.3 光學系統(tǒng)無熱化設計

系統(tǒng)總體指標要求紅外雙視場光學系統(tǒng)工作溫度需要滿足－40～+50℃，由于紅外系統(tǒng)受溫度影響相對可見光敏感，例如單晶鍺材料?n/?t達到396 ×10－6℃－1，而 K9 材料?n/?t僅為2.8 ×10－6℃－1，相差兩個數(shù)量級。由于溫度變化導致材料折射率、厚度、面形與空氣間隔同時發(fā)生變化，會對系統(tǒng)焦距產(chǎn)生影響，這在無調(diào)焦光學系統(tǒng)中將嚴重影響光學系統(tǒng)成像質(zhì)量。因此在本光學系統(tǒng)設計過程中必須進行無熱化設計［15］。

目前較多采用的無熱化技術手段主要包括3種方式:電子主動補償、機械被動補償和光學被動補償。由于本系統(tǒng)工作環(huán)境對光學系統(tǒng)體量存在嚴格要求，因此為了滿足系統(tǒng)的小型化，高可靠性等要求，對光學系統(tǒng)選擇光學被動補償方案進行無熱化設計［16］。

光學被動補償方式是通過光學材料?n/?t的相互匹配，配合光學元件和機械元件的熱脹系數(shù)，以達到各因素影響相互補償，使光學系統(tǒng)在溫度變化時保證成像質(zhì)量。目前應用于紅外長波的光學材料其光學特性與熱特性如表2所示。其中αg為膨脹系數(shù)，?n/?t為折射率溫度變化系數(shù)，V為色散系數(shù)［17］。

表2 長波紅外透鏡材料光學特性及熱特性Tab.2 Optical and thermal properties of long infrared material available

光學系統(tǒng)設計過程中實現(xiàn)無熱化設計，必須滿足系統(tǒng)的消熱差、消色差和光焦度的要求。

由于光學元件的色散引起光學系統(tǒng)不同譜段光焦度變化為［18-21］:

式中，hi為第一近軸光線在透鏡上的入射高度，Φi為透鏡光焦度，ωi為透鏡色散因子。

由于光學元件溫度變化引起的光學系統(tǒng)焦距變化為:

式中:χi為歸一化熱差系統(tǒng)，xi=dn/(n －1)－αgi。αgi為透鏡的線脹系數(shù)。

為了滿足系統(tǒng)的無熱化設計，光學系統(tǒng)光焦度滿足:

式中，αm為系統(tǒng)結構元件材料的線脹系數(shù)，L為系統(tǒng)結構件長度。光學系統(tǒng)被動無熱化設計必須滿足式(14)、(15)和(16)。通過上述計算可以得到滿足光學系統(tǒng)無熱化要求的系統(tǒng)近軸關系，通過鏡筒材料與透射元件的材料匹配得到滿足系統(tǒng)無熱化要求的光學系統(tǒng)初始結構。

4 光學系統(tǒng)設計

4.1 設計結果

由于總體對光學系統(tǒng)尺寸嚴格限制，系統(tǒng)前固定組采用折射率較大的Ge透鏡，同時為了減小其引入像差，在內(nèi)表面加入非球面設計。變倍組和二次成像鏡組單獨設計，變倍組變倍比為4.6，優(yōu)化時控制變倍組口徑。二次成像鏡組焦距為9.9 mm，光學系統(tǒng)孔徑光闌位于探測器冷闌位置，系統(tǒng)入瞳位于前固定組。

為了滿足系統(tǒng)無熱化設計和消色差，系統(tǒng)采用了Ge和ZnSe兩種材。前固定組采用一片高折射率低色散的Ge材料單透鏡，目的是增加前固定組光焦度，減小后組口徑;變倍組選擇兩片透鏡，均為折射率較高Ge材料，第一片為負透鏡，第二片為正透鏡，光焦度正負分離以校正前固定組殘留較大像差;后固定組采用單透鏡，材料為Ge，規(guī)劃為負光焦度，雖然相比于選擇ZnSe在色差校正方面相對較差，但是在無熱化過程中為保證一次成像鏡組在溫度變化時的光焦度，負光焦度Ge材料更具優(yōu)勢。二次成像鏡組采用3片透鏡，分別為Ge、ZnSe和Ge，用以補償前組剩余的高級像差。其中ZnSe以其較小的阿貝數(shù)和?n/?t起到校正系統(tǒng)色差和平衡熱差的作用。系統(tǒng)采用2個非球面，分別位于透鏡1后表面和透鏡4前表面，非球面的加入是為了校正系統(tǒng)球差和像散，以提高光學系統(tǒng)整體成像質(zhì)量。系統(tǒng)鏡筒選擇三段式，前、后組鏡筒為線脹系數(shù)較大的鋁合金材料，目的是保證在溫度變化時系統(tǒng)前、后組焦距變化量較小;前、后鏡筒中間連接段選擇線脹系數(shù)較小的鈦合金材料，目的是保證在溫度變化時前組焦距變化對后組的物距影響最小，進而實現(xiàn)系統(tǒng)的無熱化設計。系統(tǒng)總體長度為128 mm，經(jīng)過光學設計軟件對光學系統(tǒng)進行反復優(yōu)化，得到最優(yōu)的設計結果如圖3所示。

圖3 光學系統(tǒng)結構圖Fig.3 Configuration of optical system

4.2 變倍驅(qū)動方式

系統(tǒng)變倍組圍繞規(guī)劃的回轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動切入/切出成像光路，以實現(xiàn)系統(tǒng)組合焦距的變化。在變倍組機械限位的兩個位置分別設置電磁閥，并在變倍鏡筒兩側設置電磁鐵，如圖4所示，系統(tǒng)初始段短焦位置電磁閥工作，保證光學系統(tǒng)位于大視場搜索模式;系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)目標，長焦端電磁閥工作，將變倍組兩塊鏡片瞬間切出系統(tǒng)光路，系統(tǒng)變?yōu)殚L焦小視場工作模式，對目標進行精準跟蹤。長短焦切換速度達到60 ms以內(nèi)，保證在視場切換過程中，目標不丟失。

圖4 系統(tǒng)切換方式Fig.4 Rotate-zoom mode of optical system

4.3 像質(zhì)評價

4.3.1 調(diào)制傳遞函數(shù)

系統(tǒng)選擇探測器為28 μm×25 μm，特征頻率為20 lp/mm。系統(tǒng)在－40、20、50℃調(diào)制傳遞函數(shù)如圖5、圖6、圖7所示。

圖5 －40℃光學系統(tǒng)調(diào)制函數(shù)曲線Fig.5 MTF curves at －40 ℃

圖5至圖7展示了光學系統(tǒng)大小視場不同溫度的調(diào)制傳遞函數(shù)，可以看出不同溫度下光學系統(tǒng)傳遞函數(shù)接近衍射極限，因此可以證明光學系統(tǒng)在－40～50℃溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)了無熱化設計。

圖6 20℃光學系統(tǒng)調(diào)制函數(shù)曲線Fig.6 MTF curves at 20 ℃

圖7 50℃光學系統(tǒng)調(diào)制函數(shù)曲線Fig.7 MTF curves at 50 ℃

4.3.2 像散與畸變

光學系統(tǒng)大小視場像散與畸變曲線如圖8所示，從圖中可以看出系統(tǒng)大視場畸變小于3%，小視場畸變小于5%，滿足系統(tǒng)指標要求。

圖8 光學系統(tǒng)像散畸變曲線Fig.8 Optical system astigmatism and distortion curves

4.2.3 能量集中度

紅外雙視場光學系統(tǒng)大小視場能量集中度曲線如圖9所示，探測器單像元內(nèi)能量集中度為68%，滿足使用需求。

圖9 光學系統(tǒng)能量集中度Fig.9 Curves of energy distribution

5 結論

本文基于288×4紅外長波制冷探測器設計了一種緊湊型無熱化雙視場紅外光學系統(tǒng)，實現(xiàn)了遠射比1，F(xiàn)數(shù)1.67。通過光學元件切換變倍方式，配合電磁閥切換機構，實現(xiàn)了60 ms的系統(tǒng)變倍速率，同時采用光學被動補償方式，在不增大系統(tǒng)體量的前提下，實現(xiàn)了－40～+50℃溫度范圍內(nèi)的光學系統(tǒng)無熱化設計。設計結果表明:光學系統(tǒng)大小視場成像質(zhì)量接近衍射極限，在－40～+50℃溫度范圍內(nèi)成像質(zhì)量無明顯變化，滿足總體指標要求。

［1］ AKRAM M N.Design of a multiple-field-of-view optical sys-tem for 3 to 5 μm infrared focal-plane arrays［J］.SPIE，2003，42(6):1704-1714.

［2］ ALDRICH R E.Three element optically compensated two-position zoom for commerical FURs［J］.SPIE，1995，2589:87-107.

［3］ JOHNSON R B.Zoom lenses with a single moving eelement［J］.SPIE，1990，1354:676-682.

［4］ 王涌天，崔桂華.紅外掃描成像系統(tǒng)中冷像的分析與控制［J］.光學學報，1994，14(6):650-655.WANG Y T，CUI G H.Analysis and control of Narcissus effect in scanning infrared system［J］.Acta Optica Sinica，1994，14(6):650-655.(in Chinese)

［5］ 白瑜，楊劍峰，薛彬，等.非制冷熱成像長波紅外兩檔變焦光學系統(tǒng)［J］.紅外技術，2009，31(3):156-159.BAI Y，YANG J F，XUE B，et al..Design of uncooled LWIR thermal imager Switch-Zoom optical system［J］.Infrared Technology，2009，31(3):156-159.(in Chinese)

［6］ 田海霞，楊建峰，馬小龍.可見光變焦距電視光學系統(tǒng)設計［J］.光學學報，2008，37(9):1797-1799.TIAN H X，YANG J F，MA X L.Design for visible video zoom optical system［J］.Acta Photonica Sinica，2008，37(9):1797-1799.(in Chinese)

［7］ 白瑜，楊建峰，阮萍.長波紅外連續(xù)變焦光學系統(tǒng)設計［J］.光電技術應用，2008，23(5):15-17.BAI Y，YANG J F，RUAN P.Design of LWIR continuous zoom optical system［J］.Electro-optic Technology Application，2008，23(5):15-17.(in Chinese)

［8］ SIMMONS R.Athermalisation of a fast infrared telescope objective［J］.SPIE，2007，2539:137-149.

［9］ GOODMAN W A.Athermal glass by design［J］.SPIE，2007，6666:666604-1-11.

［10］ 駱守俊，何伍斌.大面陣中波紅外連續(xù)變焦光學系統(tǒng)設計［J］.光學 精密工程，2012，20(10):2117-2122.LUO SH J，HE W B.Design of middle infrared continuous zoom optical system with a large FPA［J］.Opt.Precision Eng.，2012，20(10):2117-2122.(in Chinese)

［11］ 孫強，王肇圻，李鳳友，等.紅外3.2～4.5 μm波段折射/衍射光學系統(tǒng)的減熱差設計［J］.光學 精密工程，2002，10(2):121-125.SUN Q，WANG ZH Q，LI F Y，et al..Design on the athermal infrared diffractive/refractive optical system in 3.2 ～4.5 μm［J］.Opt.Precision Eng.，2002，10(2):121-125.(in Chinese)

［12］ 郜洪云，熊濤，楊長城.中波紅外連續(xù)變焦光學系統(tǒng)［J］.光學 精密工程，2007，15(7):1038-1041.GAO H Y，XIONG T，YANG CH CH.Middle infrared continuous zoom optical system［J］.Opt.Precision Eng.，2007，15(7):1038-1041.(in Chinese)

［13］ 郜洪云，熊濤.中波紅外兩檔變焦光學系統(tǒng)［J］.光學 精密工程，2008，16(10):1891-1894.GAO H Y，XIONG T.Mid-wavelength infrared dual field-of-view optical system［J］.Opt.Precision Eng.，2008，16(10):1891-1894.(in Chinese)

［14］ TAMAGAWA Y.Dual-band optical systems witha projective athermal chart:design［J］.Appl.Opt.，1997，36(1):297-301.

［15］ KRYSZCZYNSKI T.Material problem in athermalization of optical systems［J］.Opt.Eng.，1997，36(6):1596-1601.

［16］ PILKINGTON.Athermalization techniques in infrared systems［J］.SPIE，1986，0655:142-153.

［17］ RAYCES J L.Thermal compensation of infrared achrcmatic objectives with three optical materials［J］.SPIE，1990，1354:752-759.

［18］ 郭永洪 沈忙作.折射/衍射紅外光學系統(tǒng)的消熱差設計［J］.光學學報，2000，20(10):1392-1395.GUO Y H，SHEN M Z.Athermal design for infrared diffractive/refractive optical system［J］.Acta Optic Sinica，2000，20(10):1392-1395.(in Chinese)

［19］ 薛慧.紅外搜索與跟蹤系統(tǒng)中光學系統(tǒng)的設計［J］.光學學報，2010，30(8):2383-2386.XUE H.Optical design of infrared search and trace system［J］.Acta Optic Sinica，2010，30(8):2383-2386.(in Chinese)

［20］ 佟靜波，崔慶豐，薛常喜，等.離軸雙通道頭盔顯示器光學系統(tǒng)設計［J］.光學學報，2010，30(9):2662-2667.TONG J B，CUI Q F，XUE CH X，et al..Optical design of a off-axis dual-channel helmet mounted display［J］.Acta Optic Sinica，2010，30(9):2662-2667.(in Chinese)

［21］ 曲賀盟，張新，王靈杰，等.大相對孔徑緊湊型無熱化紅外光學系統(tǒng)設計［J］.光學學報，2012，32(3):0322003-1-8.QU H M，ZHANG X，WANG L J，et al..Design of a low f-number compact athermalizing infrared optical system［J］.Acta Optic Sinica，2012，32(3):0322003-1-8.