大相對孔徑制冷型紅外相機鏡頭的光學設計

張華衛(wèi)，張金旺，劉秀軍，劉 波

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大相對孔徑制冷型紅外相機鏡頭的光學設計

張華衛(wèi)，張金旺，劉秀軍，劉 波

（四川長虹電子科技有限公司，四川 綿陽 621000）

介紹了一種大相對孔徑紅外成像鏡頭的設計。該鏡頭針對制冷型紅外探測器，采用二次成像設計，保證100%冷光闌效率。在8～10mm波段，實現(xiàn)相對孔徑（F數(shù)）為1.5、視場角2為18.6°的設計，其成像質量優(yōu)良，傳函接近衍射極限，在常規(guī)加工裝調公差下易于保證應用質量。

大相對孔徑；光學鏡頭；制冷型紅外相機；二次成像

0 引言

紅外成像探測相比無線電探測的最大優(yōu)點是不主動發(fā)射電磁波，因此具有極強抗干擾能力和隱蔽性，在軍事領域得到廣泛應用。紅外成像探測系統(tǒng)的核心部件是紅外探測器，根據(jù)其光敏面的工作溫度，分為制冷型和非制冷型兩種。通常制冷型紅外探測器工作在77K的低溫環(huán)境中[1]，相比于非制冷型紅外探測器，制冷型探測器的信噪比要比非制冷型探測器高出1～2個數(shù)量級[2]，能夠分辨更細微的溫度差別，探測距離較遠，主要應用于高端軍事用途[3]，例如機載、艦載紅外探測告警設備等。

相對孔徑又稱為光圈，是光學系統(tǒng)（或鏡頭）入瞳口徑與焦距的比值，其倒數(shù)稱為F數(shù)。對一個光學系統(tǒng)來說，在焦距一定的條件下口徑越大（即F數(shù)越小）則接收的能量越多，對于弱小目標的探測概率就越高。大相對孔徑光學系統(tǒng)的設計一直是光學領域的難題，隨著紅外光學的發(fā)展，研究大相對孔徑制冷型紅外相機鏡頭的設計成為紅外成像探測領域的熱點需求之一[4-5]。

1 結構選型

為了使系統(tǒng)能達到最大靈敏度，需要對探測器進行低溫制冷，而為了保持這種深冷溫度，探測器都安裝在“杜瓦瓶”組件中[6]。杜瓦瓶中設置有冷光闌，其作用是限制孔徑外的非期望光線對成像畫面的干擾，更進一步保證紅外探測器的靈敏度。以探測器冷光闌為光學系統(tǒng)的出瞳，即可以實現(xiàn)100%的冷光闌效率。實現(xiàn)100%冷光闌效率的光學系統(tǒng)結構形式有2種：二次成像和一次成像，見圖1。

采用二次成像形式，便于與制冷型紅外焦平面探測器匹配，確保冷屏效率達到100%，并能夠有效壓縮系統(tǒng)口徑[7]，采用二次成像結構形式，在一次像面處加入視場光闌，可以有效地提高光學系統(tǒng)雜散輻射抑制能力[8]，另外，在需要掃描鏡的成像系統(tǒng)中便于在鏡頭前端實入瞳處安置掃描鏡，也可以在入瞳處與前置望遠鏡對接實現(xiàn)帶望遠鏡的光學系統(tǒng)100%冷光闌效率。一次成像法直接以探測器冷光闌作為系統(tǒng)的孔徑光闌，因此入瞳在探測器光敏面之后，同時會導致光學系統(tǒng)的尺寸明顯加大。本設計選用二次成像結構。

圖1 二次成像與一次成像

2 設計過程

本文設計的是單位自研長波紅外相機的光學鏡頭，該相機選用一款制冷型面陣探測器，對鏡頭的要求和探測器的性能參數(shù)分別見表1和表2。

根據(jù)分辨率和像元間距計算出光學鏡頭焦距為60mm，在制冷型紅外相機中F數(shù)為1.5的鏡頭屬于大相對孔徑光學鏡頭；特征頻率為20.8lp/mm，為計算及表述方便取20lp/mm。

因選用二次成像結構，光學鏡頭分為前組和后組，前組進行一次成像，后組將前組所成的像再次成像在探測器光敏面上。根據(jù)像差與放大倍率的關系，倍率越小則像差越小，同時要控制鏡頭長度（即前組焦距不能太大），根據(jù)經(jīng)驗初步將倍率取為0.6，即前組焦距為100mm，后組對其進行0.6倍的縮放。

為校正色差，采用高折射率低色散的Ge和中折射率高色散的ZnSe兩種材料組合，Ge的主要功能是產(chǎn)生光焦度，ZnSe負責校正Ge產(chǎn)生的單色像差和色差。將系統(tǒng)參數(shù)、材料參數(shù)以及初始結構參數(shù)代入下列初級像差公式，根據(jù)像差要求進行求解，并反復迭代直到求得最佳解[9]：

式中：1為球差；2為彗差；3為像散；4為場曲；5為畸變；和z為邊緣光線和主光線在鏡面上的入射高度；和為鏡面的單色像差參數(shù)；為拉格朗日不變量；為光焦度；為折射率的倒數(shù)。

根據(jù)上述過程求得的最佳解仍不夠理想，因孔徑較大所以1值較大。將計算出的結構參數(shù)代入Zemax軟件中進行優(yōu)化，優(yōu)化結束后在分析菜單中查看賽德爾系數(shù)，見表3，發(fā)現(xiàn)1（初級球差）總值達0.46mm，其中透鏡4的前表面貢獻最大，1達到0.87mm，其次為透鏡1的后表面，1為－0.37mm。若以球差為重點進行優(yōu)化，則彗差和像散又會增大。由此可見，較少的球面鏡難以完全校正球差等像差，如果增加鏡片數(shù)量，又會降低系統(tǒng)透過率，影響紅外相機的探測靈敏度，因此需引入非球面對大相對孔徑光學系統(tǒng)進一步像差校正。

隨著金剛石單點車床的普及，非球面的加工價格下降，同時非球面可變參數(shù)多，自由靈活的組合對于校正大孔徑大視場的高級像差較為有利，因而其在光學設計中應用越來越廣泛。一般采用偶次非球面，其在Zemax中表達式如下：

式中：和分別為鏡面軸向坐標和徑向坐標；為二次曲面系數(shù)；為鏡面頂點的曲率；為高次非球面系數(shù)。當均為0時，是二次曲面；當不為0時，為偶次非球面。

在軟件中將透鏡1后表面和透鏡4前表面的類型更改為偶次非球面，并將設為0，將1～4設為變量進行優(yōu)化。經(jīng)多次優(yōu)化及調整，僅在透鏡4的前表面應用偶次非球面，實現(xiàn)本文設計的鏡頭，其球差、彗差、像散、場曲、畸變等均得到較好控制。

表1 對光學鏡頭的要求

表2 探測器性能參數(shù)

表3 各表面賽德爾系數(shù)

注：序號1～8是透鏡1～透鏡4的8個表面，序號9～IMA是探測器的窗口、冷光闌、焦平面等的表面。

3 設計結果及分析

3.1 設計結果

最終使用4塊透鏡，設計出焦距為60.0mm、視場角14.6°×11.7°（2為18.6°）、入瞳距72mm、總長372.7mm的紅外相機光學鏡頭，二維圖見圖2。

由圖3～圖7可以看出該鏡頭各項指標均較為優(yōu)良：光學系統(tǒng)傳函接近衍射極限，在20lp/mm處各視場傳函值大于0.49（中心視場為0.58）；彌散斑尺寸均小于艾利斑直徑，rms半徑最大僅12mm；場曲小于0.2mm，畸變小于2%；在24mm半徑范圍內(nèi)能量集中度達到84%以上。

3.2 公差分析

以加工誤差、裝配誤差和校準誤差為表現(xiàn)形式的制造誤差極其重要，是光學系統(tǒng)總性能水平的主要影響因素，盡管理論設計結果很好，制造誤差也是決定系統(tǒng)總性能水平的關鍵[7]，因此必須對設計結果進行公差分析,以確保其可加工性和經(jīng)濟性。

設計完成后在軟件中采用Sensitivity方式，對中心視場20lp/mm的衍射傳函（MTF）平均值按表4所給的約束條件進行公差分析。

圖2 光學系統(tǒng)二維圖

圖3 光學系統(tǒng)傳函

圖4 光學系統(tǒng)點列圖

圖5 光程差曲線

圖6 光學系統(tǒng)能量包圍圖

圖7 光學系統(tǒng)場曲與畸變

表4 公差約束條件

第一次分析結束后，評估傳函值下降到0.37，對傳函下降貢獻最大的分別是TETX 9和TSTX 10，即透鏡4的裝調傾斜和透鏡4前表面的加工傾斜。詢問加工廠家并結合本單位裝調經(jīng)驗，將上述值分別收緊為2￠、1￠。進行第二次公差分析，評估傳函值為0.44，蒙特卡洛分析90%以上概率的傳函值是0.45，滿足系統(tǒng)對像質的要求。

3.3 冷反射分析

紅外攝像機的探測器焦平面被鏡頭的某一表面反射，且反射光線成像在探測器焦平面附近，此時焦平面會探測到相對環(huán)境溫度低許多的自身冷信號，也就是說，探測器除了接收到正常成像的景物輻射外，還通過紅外光學系統(tǒng)中折射面的微弱反射，接收到本身及周圍低溫腔冷環(huán)境的影像，形成冷像（Narcissus）。冷像的輻射強度隨視場大小變化，成為不可濾掉的交流噪聲信號疊加在景物信號上，在熱圖像的視場中心形成黑斑[10]。當目標信號落在黑斑區(qū)域時，能量會被黑斑淹沒。這種由于重復反射而引起的成像缺陷，稱之為冷反射。

當光線在某個面按原路返回，由光路可逆原理，必會聚在焦平面。因此，該面所產(chǎn)生的冷反射最大。2種典型的情況是：中間像面聚焦在某表面的頂點和中間像面聚焦在某表面的球心處（或者平行光線垂直于該表面）。本文設計的鏡頭是二次成像鏡頭，存在中間像面，因此為減小冷反射采取的措施之一就是控制中間像面附近的表面與其保持一定的軸向距離，其二是控制中間像面的位置遠離其附近的表面的曲率中心。

通常用YNI值綜合反映冷像的大小，從而在軟件里通過控制它來控制冷像的大?。?/p>

YNI＝yni(7)

式中：YNI是第面的YNI值；y是近軸光線在第面的入射高度；n為第面折射率；i為邊緣入射光線在第面的入射角度。它主要反映的是中心視場的冷像的強度，一般要求YNI值大于或接近1[10]。從上面的定義可以得知，上述兩種典型的情況的YNI值為0，即冷反射最強。

在紅外掃描系統(tǒng)中，還用I/I bar值來表示冷反射。本文設計的是面視場凝視型紅外相機，因此僅在Zemax軟件中進行YNI值分析，結果見表5。

表5中表面1為入瞳，表面6為中間像面處設置的虛面，不會對光線有實際反射。表面5即透鏡2的后表面的YNI值最小，但也遠大于1，這是因為在設計過程中控制此面與中間像面保持足夠的距離，達32mm，從而提高YNI值，減小冷反射。

通常可以采用經(jīng)驗公式粗略估算某個特定表面的冷反射貢獻，即[11]：

DN＝(DSD×)/(N/I)2(8)

式中：DN為由冷反射引起的圖像中的表觀溫度變化；DSD為景像與探測器之間的溫差；為該表面的反射率；N/I為冷反射像點直徑N與正常像點直徑I的比值。

經(jīng)過分析，表面5的中心視場冷反射像斑直徑為1.61mm，鏡頭艾利斑直徑為32.9mm（幾何像斑直徑約20mm，小于艾利斑直徑），則N/I＝48.8；假定目標溫度300K，探測器靶面溫度為90K，則DSD＝210K；＝0.015，計算可得DN＝0.001K，遠小于探測器的NETD（0.017K），因此該鏡頭不會引起明顯的冷反射。

3.4 熱分析

無熱化方法分為主動式和被動式[12]，本文采用主動式消熱差，即移動某塊或某組鏡片來補償像面離焦。

該紅外相機要求的工作溫度為－40℃～＋60℃，在此溫度范圍內(nèi)對該鏡頭進行了熱分析。

在－40℃時和＋60℃時若不進行調焦，則像面離焦量分別達1.41mm和0.79mm，MTF均下降嚴重，見圖8和圖9。因此必須進行主動調焦。

經(jīng)分析，將第一塊透鏡作為調焦鏡片比較合理，調焦行程為5.74mm。－40℃時調焦行程為－3.32mm，＋60℃時為＋2.42mm（負號表示調焦鏡片向前移動，正號表示向后）。調焦后的傳函見圖10和圖11，邊緣視場的傳函有所下降。

4 結論

采用二次成像設計有利于實現(xiàn)100%冷光闌效率并減小透鏡口徑，Ge和ZnSe的材料組合可以較好的消除長波波段色差，按經(jīng)驗分配各部分光焦度并利用P-W法進行求解，能夠得出基本滿足要求的初始結構。為均衡校正初級像差及高級像差在Zemax軟件中引入1面偶次非球面，最終設計出滿足制冷型紅外相機使用的大相對孔徑光學鏡頭。冷反射分析表明該鏡頭不會產(chǎn)生較強的冷反射；對鏡頭進行了熱分析，計算了其工作溫度范圍內(nèi)的調焦行程；公差分析結果表明，在常規(guī)加工和裝調工藝下，能夠實現(xiàn)并保證該紅外相機光學鏡頭的工作性能。

表5 冷反射分析各表面YNI值

圖8 －40℃未調焦傳函

圖9 ＋60℃未調焦傳函

圖10 －40℃調焦后傳函

圖11 ＋60℃調焦后傳函

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Design of Low F-Number Lens for Cooled Infrared Camera

ZHANG Hua-wei，ZHANG Jin-wang，LIU Xiu-jun，LIU Bo

(,621000,)

A low F number lens for infrared camera is introduced. Re-imaging method is used to ensure 100% cold shield efficiency in this lens for cooled IR camera. The lens is designed with F number 1.5 and full field angle 18.6°in 8-10mm waveband. Its imaging quality is nearly up to diffraction limitation and can be guaranteed with general manufacture and assembly technics.

low F-number，lens，cooled IR camera，re-imaging

TN21，V445.8

A

1001-8891(2015)02-0124-06

2014-02-27；

2014-10-14.

張華衛(wèi)（1981-），男，工程師，主要從事紅外光電系統(tǒng)光學設計和裝調工作。