緊湊型雙波段無熱化紅外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

姜 波，吳越豪，戴世勛，聶秋華，木 銳，張勤遠(yuǎn)

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緊湊型雙波段無熱化紅外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

姜 波1，吳越豪1，戴世勛1，聶秋華1，木 銳2，張勤遠(yuǎn)3

（1. 寧波大學(xué)高等技術(shù)研究院紅外材料及器件實(shí)驗(yàn)室，浙江 寧波 315211；2. 云南北方馳宏光電有限公司，云南 昆明 650000；3. 華南理工大學(xué)發(fā)光材料與器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510641）

針對(duì)紅外雙波段量子阱探測(cè)器，設(shè)計(jì)了一個(gè)可同時(shí)工作在4.4～5.4mm（中波段紅外）和7.8～8.8mm（長(zhǎng)波段紅外）波段的僅含3片透鏡的緊湊型雙波段無熱化光學(xué)系統(tǒng)，有效焦距為30 mm，/#為2.1。對(duì)比先前報(bào)道的雙波段無熱化紅外光學(xué)系統(tǒng)，此設(shè)計(jì)僅采用硫系玻璃材料Ge20Sb15Se65制備的兩片鏡片和常規(guī)紅外材料ZnS制備的一片鏡片，通過合理分配各個(gè)鏡片的光焦度達(dá)到系統(tǒng)在中波紅外及長(zhǎng)波紅外兩個(gè)波段的無熱化設(shè)計(jì)效果，且不含衍射面，整體結(jié)構(gòu)緊湊，制備難度低。利用硫系玻璃易于精密模壓制備非光學(xué)球面的特點(diǎn)，僅在一片硫系玻璃鏡片上設(shè)計(jì)一處非球面。設(shè)計(jì)結(jié)果顯示，系統(tǒng)在兩個(gè)紅外波段，－40℃～60℃溫度范圍內(nèi)像質(zhì)良好，且光學(xué)調(diào)制函數(shù)（MTF）接近衍射極限。

光學(xué)設(shè)計(jì)；紅外系統(tǒng)；雙波段；無熱化

0 引言

因光學(xué)系統(tǒng)在單波段獲得成像能力的限制，引起在探測(cè)目標(biāo)時(shí)系統(tǒng)信息精確度不夠[1]。比如中波紅外系統(tǒng)在濕熱的條件下?lián)碛休^強(qiáng)的觀察能力，而在接近熱源和雜散光輻射的條件下，長(zhǎng)波紅外系統(tǒng)擁有更顯著的優(yōu)點(diǎn)[2]。由此，使各波段的成像特征加以融合可充分得到探測(cè)目標(biāo)有用的信息細(xì)節(jié)。

雙波段成像系統(tǒng)一般有兩種實(shí)現(xiàn)方式，一種是利用兩種單波段探測(cè)器的成像系統(tǒng)，此系統(tǒng)又可分為分孔徑式或共孔徑式；一種是可響應(yīng)雙波段探測(cè)器的共孔徑式成像系統(tǒng)[3]。雙探測(cè)器系統(tǒng)有成本高、裝調(diào)困難和體積笨重龐大的缺點(diǎn)，因此可響應(yīng)雙波段是未來探測(cè)器發(fā)展的趨勢(shì)。Sofradir、JPL等公司都已開發(fā)出機(jī)能良好的雙波段探測(cè)器。近幾年，國(guó)內(nèi)多家科研單位已涉及于雙波段紅外探測(cè)器共孔徑式成像系統(tǒng)的研究。張春艷[4]等選擇鍺、硒化鋅和硫化鋅3種材料設(shè)計(jì)了柯克式四片結(jié)構(gòu)的雙波段消熱差設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了中波波段和長(zhǎng)波波段較好無熱化功能。此系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用4片鏡片、3種材料，但總體設(shè)計(jì)不夠緊湊，且需在鍺等常規(guī)紅外材料基礎(chǔ)上使用單點(diǎn)金剛石車削加工兩個(gè)非球面，加工難度較高。張欣婷[5]等設(shè)計(jì)的紅外雙層諧衍射雙波段無熱化光學(xué)系統(tǒng)，此設(shè)計(jì)僅使用了鍺和硫系玻璃兩種材料，光學(xué)系統(tǒng)緊湊性較先前研究有所提升。然而此設(shè)計(jì)含有兩個(gè)衍射面，系統(tǒng)加工成本較高的問題仍然存在。

光學(xué)紅外材料受溫度影響比可見光材料大得多。溫度、壓力和環(huán)境的變化將會(huì)引起紅外系統(tǒng)的像面、焦距和像差的改變，這將使得系統(tǒng)成像質(zhì)量的降低。溫度差異引起的成像質(zhì)量變化產(chǎn)生熱差。對(duì)于響應(yīng)中波和長(zhǎng)波的雙波段光學(xué)系統(tǒng)，不僅要考慮溫度對(duì)系統(tǒng)的影響，更應(yīng)考慮中波、長(zhǎng)波條件兩個(gè)波段同時(shí)消色差的問題。既滿足消熱差，又滿足消色差的光學(xué)系統(tǒng)稱為無熱化系統(tǒng)。無熱化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法主要有機(jī)電主動(dòng)式、機(jī)械被動(dòng)式和光學(xué)被動(dòng)式[6]，由光學(xué)被動(dòng)式設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的無熱化系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)靈活、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和成本低等優(yōu)點(diǎn)，目前已成為紅外熱成像領(lǐng)域的研究首選[7]。通過匹配透鏡材料的性能和鏡頭構(gòu)架材料的性能來被動(dòng)式消除系統(tǒng)的熱差和色差。

本文展示了一種采用光學(xué)被動(dòng)式設(shè)計(jì)的緊湊型紅外雙波段光學(xué)系統(tǒng)。此項(xiàng)設(shè)計(jì)使用硫系玻璃Ge20Sb15Se65和ZnS材料以達(dá)到降低系統(tǒng)成本和提升成像品質(zhì)的目的?？紤]到加工成本以及成像質(zhì)量的要求，在易于模壓成型的硫系玻璃鏡片上僅引入了一個(gè)非球面，以更有效地控制光學(xué)像差。整體設(shè)計(jì)結(jié)果實(shí)現(xiàn)了一個(gè)有效焦距為30mm，工作波段為4.4～5.4μm、7.8～8.8μm，有效視場(chǎng)角為18.40°×13.80°的紅外雙波段成像系統(tǒng)，孔徑光闌設(shè)置在冷屏上，保證在所有視場(chǎng)100%的冷光闌效率。設(shè)計(jì)表明，系統(tǒng)在－40℃～60℃的溫度范圍，整個(gè)工作波段和在整個(gè)視場(chǎng)角范圍內(nèi)達(dá)到了接近系統(tǒng)衍射極限的成像質(zhì)量。

1 設(shè)計(jì)思路

1.1 設(shè)計(jì)原理

若使得雙波段紅外系統(tǒng)消熱差和消色差，則需適當(dāng)采用鏡片材料和鏡筒機(jī)械構(gòu)架材料。同時(shí)應(yīng)用光學(xué)材料的熱性能差別，透鏡光焦度得以合適分配，使溫度變化過程中光學(xué)系統(tǒng)出現(xiàn)的像面離焦與鏡頭機(jī)械構(gòu)架產(chǎn)生的離焦相互補(bǔ)償，從而獲得無熱化效果[8-9]。為實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)被動(dòng)無熱化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)需滿足光焦度方程、消熱差方程和消色差方程。如果無熱化系統(tǒng)由個(gè)單透鏡組成，則：

1）光焦度方程：

2）消熱差方程：

3）消色差方程：

式中：1是近軸光線在系統(tǒng)第一片鏡面的入射高度，h是近軸光線在系統(tǒng)第片鏡面的入射高度。如果透鏡組為密接型，忽略鏡片厚度引起的相鄰鏡片間高度差異，則近似認(rèn)為h＝1；，，分別為第鏡片組的光焦度、消熱差系數(shù)和消色差系數(shù)。在光學(xué)設(shè)計(jì)過程中，一般可以忽略溫度變化引起的透鏡之間空氣間隔的變化。

若光學(xué)系統(tǒng)機(jī)械構(gòu)架選用一種材料，熱差系數(shù)導(dǎo)致的像面離焦與鏡頭構(gòu)架材料熱膨脹系數(shù)導(dǎo)致的像面差異相抵消，可使得系統(tǒng)達(dá)到無熱化，則需滿足：

式中：h為機(jī)械構(gòu)架材料熱膨脹系數(shù)。

1.2 光學(xué)材料選擇

對(duì)于紅外材料，同時(shí)滿足中波和長(zhǎng)波紅外成像要求的材料相對(duì)單波段的紅外材料明顯減少?？蓾M足雙波段成像的材料主要有：Ge、ZnSe、ZnS和硫系玻璃等。硫系玻璃的透過波長(zhǎng)范圍可從近紅外擴(kuò)展到長(zhǎng)波紅外，完全可以勝任雙波段系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。而且，對(duì)比于常規(guī)紅外材料，硫系玻璃材料不僅制備工藝較為經(jīng)濟(jì)，而且可采用高精度模壓的方式制備非球面和衍射面，從而有效降低制作高品質(zhì)紅外鏡頭的時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本[10]。對(duì)于紅外系統(tǒng)的無熱化設(shè)計(jì)，通常選擇在指定波段下折射率、膨脹系數(shù)g和折射率溫度系數(shù)d/d有差異的兩種或兩種以上材料進(jìn)行配對(duì)來達(dá)到消熱差和消色差的目的?；诩t外材料的優(yōu)點(diǎn)，首先選擇硫系玻璃材料Ge20Sb15Se65，其次選擇相對(duì)硫系玻璃折射率、膨脹系數(shù)和d/d小的紅外材料ZnS。最終，確定硫系玻璃Ge20Sb15Se65和ZnS材料來完成雙波段系統(tǒng)設(shè)計(jì)。如表1所示為所用紅外材料性能參數(shù)。

表1 紅外材料的主要性能參數(shù)

Table 1 Properties of infrared materials selected for the proposed lens

1.3 探測(cè)器選取

雙波段分體式紅外系統(tǒng)成本高、裝調(diào)困難和體積笨重龐大，因此難以大范圍的應(yīng)用。為此，已有多家國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)開始致力于研究紅外雙波段探測(cè)器，希望在這種探測(cè)器基礎(chǔ)上研發(fā)功能強(qiáng)大、結(jié)構(gòu)緊湊的紅外雙波段成像系統(tǒng)[11]。量子阱（QWIP）材質(zhì)探測(cè)器相對(duì)于碲鎘汞（MCT）材質(zhì)探測(cè)器具有外延材料及襯底良好的特性，而且量子阱材質(zhì)可完全基于GaAs材料工藝設(shè)備和技術(shù)加工生產(chǎn)，擁有明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)[11]。量子阱探測(cè)器光譜范圍可以包含中波波段和長(zhǎng)波波段且波段帶寬窄，更加適合設(shè)計(jì)和制備雙波段紅外光學(xué)系統(tǒng)。Sofradir、AIM和JPL等公司均已獲得性能優(yōu)良的量子阱雙波段探測(cè)器[12]。本文選擇Sofradir公司的面陣規(guī)格為384×288、像元大小為25mm×25mm的雙波段量子阱探測(cè)器[13]。

1.4 設(shè)計(jì)選型

具有一定的視場(chǎng)角是對(duì)成像光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求，軸外像差的校正可借助分離透鏡的系統(tǒng)設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)選用三分離式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)由正、負(fù)、正光焦度透鏡組成，此結(jié)構(gòu)能較好的校正初級(jí)像差，且能夠使用于視場(chǎng)較大的設(shè)計(jì)。為了場(chǎng)曲更好的得以校正，折射率材料較低的ZnS材料設(shè)計(jì)中間負(fù)焦度鏡片。第一、三片透鏡選用硫系玻璃Ge20Sb15Se65。在第三片鏡片之后加入厚度為1mm的保護(hù)玻璃ZnS材料薄片。為了保證光學(xué)系統(tǒng)在所有視場(chǎng)100%的冷光闌效率，在像面之前20mm處設(shè)置一孔徑光闌，大于20 mm的后工作距離以便于探測(cè)器的安裝和調(diào)試。鏡筒選用鋁材料，其膨脹系數(shù)為23.6×10－6/K。如圖1所示為初始設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 光學(xué)系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)圖

對(duì)于中波或長(zhǎng)波單一波段的紅外系統(tǒng)設(shè)計(jì)，有時(shí)會(huì)添加衍射元件得以消除系統(tǒng)色差且減少系統(tǒng)鏡片數(shù)量，但對(duì)于不同波段消色差，需通過改變系統(tǒng)衍射元件衍射面的衍射級(jí)次來提高衍射效率[14]。當(dāng)寬波段范圍內(nèi)衍射級(jí)次多時(shí)，系統(tǒng)衍射效率下降，進(jìn)而光能損耗增大。衍射面鏡片的加工成本也較大。為此本文考慮在最后一片硫系玻璃上增加一個(gè)偶次非球面用于更好的校正像差。通過Zemax進(jìn)一步優(yōu)化，第一、二片鏡片之間的空氣間隔變大，第二、三片之間的空氣間隔變小。第二片第二個(gè)面的曲率由正變?yōu)樨?fù)，但并不影響第二片鏡片整體的焦度正負(fù)值。其中鏡片組第五面為8次偶次面，其中偶次系數(shù)4、6和8分別為－3.10×10－5、－1.10×10－7和8.97×10－10。表2為初始結(jié)構(gòu)和最終結(jié)構(gòu)的焦距變化和曲面間距變化表。1、2和3為三鏡片焦距值，1和2為鏡片間距。圖2所示系統(tǒng)最終優(yōu)化結(jié)構(gòu)圖。

圖2 光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)構(gòu)圖

表2 系統(tǒng)初始和最終結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 光學(xué)系統(tǒng)評(píng)價(jià)

2.1 主要技術(shù)指標(biāo)

本文的緊湊型雙波段無熱化光學(xué)系統(tǒng)配合Sofradir公司的384×288雙波段量子阱探測(cè)器，像元尺寸為25mm×25mm。其主要技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

表3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 設(shè)計(jì)性能分析

對(duì)于離焦量的考慮，系統(tǒng)在雙波段兩中心波長(zhǎng)4.9mm和8.4mm的焦深分別為4.9＝±24.9(/#)2＝±43.22mm和8.3＝±28.3(/#)2＝±73.21mm。因系統(tǒng)為雙波段共孔徑式，由此在溫度變化時(shí)系統(tǒng)在兩波段時(shí)產(chǎn)生的離焦量數(shù)值相等。表4列出系統(tǒng)優(yōu)化后在－40℃、20℃和60℃時(shí)的總長(zhǎng)度和離焦量。由表4可知，在－40℃～60℃的溫度范圍內(nèi)，系統(tǒng)溫度變化產(chǎn)生的離焦量均小于系統(tǒng)焦深。此光學(xué)系統(tǒng)滿足無熱化設(shè)計(jì)的需要。

光學(xué)系統(tǒng)在中波波段4.4～5.4mm，溫度分別為－40℃、20℃和60℃時(shí)的MTF曲線如圖3、圖4和圖5所示；在7.8～8.8mm，溫度分別為－40℃、20℃和60℃時(shí)的MTF曲線如圖6、圖7和圖8所示。由圖看出，在3個(gè)不同溫度點(diǎn)各角度處系統(tǒng)的MTF曲線沒有明顯的下降，且均接近衍射極限，具有了良好的消熱差性能。

表4 光學(xué)系統(tǒng)離焦量

光學(xué)系統(tǒng)在中波波段4.4～5.4mm，溫度分別為－40℃、20℃和60℃時(shí)的橫向色差曲線如圖9、圖10和圖11所示；在7.8～8.8mm，溫度分別為－40℃、20℃和60℃時(shí)的橫向色差曲線如圖12、圖13和圖14所示。由圖可知，系統(tǒng)在中波波段和長(zhǎng)波波段時(shí)的最大橫向色差分別小于4mm和3mm，且各波段橫向色差幾乎不隨溫度的變化而變化。由此可知，本系統(tǒng)具有良好的消色差性能。

表5展示了一個(gè)點(diǎn)物體發(fā)出的光由各個(gè)視場(chǎng)角入射系統(tǒng)時(shí)形成的彌散斑的均方根半徑。由表4見，長(zhǎng)波波段和中波波段分別在溫度為－40℃、－10℃、20℃和60℃條件時(shí)，所有視場(chǎng)的均方根彌散斑大小均滿足25mm×25mm的探測(cè)器像元尺寸。

圖3 －40℃，4.4～5.4mm時(shí)系統(tǒng)MTF圖

圖4 20℃，4.4～5.4mm時(shí)系統(tǒng)MTF圖

圖5 60℃，4.4～5.4mm時(shí)系統(tǒng)MTF圖

圖6 －40℃，7.8～8.8mm時(shí)系統(tǒng)MTF圖

圖7 20℃，7.8～8.8mm時(shí)系統(tǒng) MTF

圖8 60℃，7.8～8.8mm時(shí)系統(tǒng)MTF圖

圖9 －40℃，4.4～5.4mm時(shí)系統(tǒng)橫向色差圖

圖10 20℃，4.4～5.4mm時(shí)系統(tǒng)橫向色差圖

圖11 60℃，4.4～5.4mm時(shí)系統(tǒng)橫向色差圖

圖12 －40℃，7.8～8.8mm時(shí)系統(tǒng)橫向色差圖

圖13 20℃，7.8～8.8mm時(shí)系統(tǒng)橫向色差圖

圖14 60℃，7.8～8.8mm時(shí)系統(tǒng)橫向色差圖

表5 系統(tǒng)彌散斑半徑

3 結(jié)論

光學(xué)系統(tǒng)不僅要對(duì)兩個(gè)波段同時(shí)成像，而且要保證兩波段的像面位置重合。為了提高系統(tǒng)工作的可靠性，光學(xué)系統(tǒng)做到了被動(dòng)無熱化，且在溫度變化過程中仍需兼顧像面的穩(wěn)定。本文通過衡量視場(chǎng)范圍，合理分配光焦度和紅外材料，充分考慮鏡筒材料，實(shí)現(xiàn)了雙波段被動(dòng)無熱化設(shè)計(jì)。整體設(shè)計(jì)結(jié)果實(shí)現(xiàn)有效焦距為30mm，工作波段為4.4～5.4mm、7.8～8.8mm，有效視場(chǎng)角為18.40°×13.80°的紅外雙波段成像系統(tǒng)。設(shè)計(jì)結(jié)果表明，系統(tǒng)在－40℃～60℃的溫度范圍內(nèi)，在整個(gè)工作波段和在整個(gè)視場(chǎng)角范圍內(nèi)達(dá)到了接近衍射極限的成像質(zhì)量。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊、簡(jiǎn)單，可以應(yīng)用于紅外雙波段光學(xué)系統(tǒng)的推廣。

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Design of a Compact Dual-band Athermalized Infrared System

JIANG Bo1，WU Yue-hao1，DAI Shi-xun1，NIE Qiu-hua1，MU Rui2，ZHANG Qin-yuan3

(1.,,315211,;2..,., 650000,; 3.,,510641,)

A compact dual-band athermalized infrared system is designed based on a QWIP dual-band infrared detector. The operating wavelengths of the system include the Medium Wavelength Infrared (MWIR, 4.4-5.4mm) and the Long Wavelength Infrared(LWIR, 7.8-8.8mm) regions, the effective focal length(EFL) is 30 mm, and the/# is 2.1. The system is designed as a combination of two singlets fabricated with the chalcogenide glass Ge20Sb15Se65and one singlet fabricated with the conventional infrared material Zinc Sulfide(ZnS). Utilizing the differences in the thermal-optical properties of the infrared materials, we realized an athermalized optical design by carefully adjusting the optical powers of the three singlets. Moreover, taking advantage of the superior property of chalcogenide glasses for molding preparation of aspherical surfaces, we are able to further improve the imaging quality of the design by introducing an aspherical surface on one of the chalcogenide singlets. The proposed system demonstrates imaging quality close to a diffraction-limited system for the designed operating wavelengths and for the temperature range from －40℃ to 60℃.

optical design，infrared system，dual-band，athermalized design

TN216

A

1001-8891(2015)12-0999-06

2015-04-09；

2015-05-10.

姜波（1990-），男，碩士研究生，主要從事紅外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的研究工作。E-mail：nbu_jiangbo@163.com

吳越豪（1982-），男，副研究員，博士，主要從事硫系玻璃光學(xué)設(shè)計(jì)，硫系玻璃光器件方面的研究工作。E-mail：wuyuehao@nbu.edu.cn

國(guó)家科技部重大國(guó)際合作項(xiàng)目，編號(hào)：2011DFA12040；發(fā)光材料與器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金，編號(hào)：2014-skllmd-01；浙江省重中之重學(xué)科開放基金項(xiàng)目，編號(hào)：XKXL1320、XKL141039；寧波市自然科學(xué)基金，編號(hào)：2014A610125。