溫度對(duì)紅外光學(xué)系統(tǒng)的影響分析及消熱差設(shè)計(jì)

張發(fā)強(qiáng),樊 祥,孔 輝,程正東,朱 斌

(脈沖功率激光技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,電子工程學(xué)院,安徽 合肥 230037)

·光學(xué)技術(shù)·

溫度對(duì)紅外光學(xué)系統(tǒng)的影響分析及消熱差設(shè)計(jì)

張發(fā)強(qiáng),樊 祥,孔 輝,程正東,朱 斌

(脈沖功率激光技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,電子工程學(xué)院,安徽 合肥 230037)

分析了溫度對(duì)紅外光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響,計(jì)算了溫度變化引起系統(tǒng)的離焦量和調(diào)制傳遞函數(shù),給出了紅外光學(xué)系統(tǒng)消熱差設(shè)計(jì)的基本原理；利用ZEMAX光學(xué)設(shè)計(jì)分析軟件,結(jié)合實(shí)際的長(zhǎng)波紅外光學(xué)系統(tǒng),分析其在20 ℃,-40 ℃和60 ℃時(shí)的成像質(zhì)量。分析結(jié)果表明,該系統(tǒng)在常溫時(shí)成像質(zhì)量接近衍射極限,系統(tǒng)全視場(chǎng)調(diào)制傳遞函數(shù)在特征頻率20 lp/mm處達(dá)0.6,87.6%的能量集中在探測(cè)器的一個(gè)像元內(nèi),成像質(zhì)量?jī)?yōu)良；但是當(dāng)溫度在-40～60 ℃變化時(shí),系統(tǒng)成像質(zhì)量急劇惡化,不再滿足使用要求,在分析的基礎(chǔ)上采用折衍射混合光學(xué)被動(dòng)式消熱差技術(shù)中對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步設(shè)計(jì),經(jīng)消熱差設(shè)計(jì)后該紅外光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量得到了極大的改善,全視場(chǎng)調(diào)制傳遞函數(shù)在特征頻率20 lp/mm處達(dá)0.55以上,且能量分布集中,滿足紅外探測(cè)系統(tǒng)的使用要求。

紅外光學(xué)系統(tǒng)；溫度；消熱差；成像質(zhì)量；離焦

1 引 言

紅外光學(xué)系統(tǒng)一般工作環(huán)境溫度范圍較寬,并且紅外光學(xué)材料的折射率溫度系數(shù)較大,如常用的紅外光學(xué)材料單晶鍺(Ge)的折射率溫度系數(shù)為3.96×10-4/ ℃,而常用的可見(jiàn)光K9 玻璃的折射率溫度系數(shù)值只有2.8×10-6/ ℃,是其100多倍，所以在紅外光學(xué)系統(tǒng)中,溫度對(duì)折射率的影響尤為明顯,同時(shí)溫度的變化會(huì)導(dǎo)致紅外光學(xué)元件的曲率半徑、厚度和元件間隔等結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生變化,產(chǎn)生離焦現(xiàn)象,對(duì)系統(tǒng)的成像質(zhì)量產(chǎn)生重要影響,所以在設(shè)計(jì)紅外光學(xué)系統(tǒng)時(shí),必須分析溫度變化對(duì)系統(tǒng)成像質(zhì)量的影響,并采取合理的方法來(lái)減小這種影響,即進(jìn)行消熱差設(shè)計(jì)[1-2]。

本文從溫度影響紅外光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的機(jī)理入手,對(duì)溫度引起的紅外光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)變化量、離焦量和調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)進(jìn)行計(jì)算,并將衍射元件引入到紅外光學(xué)系統(tǒng)消熱差設(shè)計(jì)中。

2 溫度對(duì)紅外光學(xué)系統(tǒng)影響的理論分析

2.1 溫度對(duì)紅外光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響分析

描述溫度對(duì)紅外光學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)影響的參量主要有折射率溫度系數(shù)和熱膨脹系數(shù),分別描述溫度對(duì)光學(xué)元件折射率和結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響[3]:

β=dn/dt

(1)

α=(1/L)dL/dt

(2)

式中,β為折射率溫度系數(shù),只和光學(xué)元件的材料特性有關(guān)；α為熱膨脹系數(shù),L為介質(zhì)長(zhǎng)度,既可以是元件厚度也可以是空氣間隔。

溫度對(duì)紅外光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響主要有以下幾個(gè)方面:曲率半徑、元件厚度、空氣間隔、光學(xué)材料折射率和空氣折射率,其表達(dá)式為[4]:

(3)

式中,r、d、s、n和nair分別為光學(xué)元件的曲率半徑、元件厚度、空氣間隔、元件折射率和空氣折射率;βair為空氣的折射率溫度系數(shù)。上式表示溫度變化會(huì)引起紅外光學(xué)系統(tǒng)折射率和結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生變化。

2.2 溫度對(duì)紅外光學(xué)系統(tǒng)焦距的影響分析

理想光學(xué)系統(tǒng)成像時(shí),物與像是一一對(duì)應(yīng)的,要獲得效果良好的成像效果,圖像采集器件(如CCD)要位于光學(xué)系統(tǒng)的焦平面上。離焦是指光學(xué)系統(tǒng)焦距發(fā)生變化,圖像采集器件偏離光學(xué)系統(tǒng)的焦平面,此時(shí)物體上的點(diǎn)在圖像采集器件上會(huì)發(fā)散為一個(gè)光斑,成像質(zhì)量下降。對(duì)于光學(xué)系統(tǒng),離焦量有一個(gè)允許的范圍,在這個(gè)范圍內(nèi)可以認(rèn)為系統(tǒng)能夠清晰成像,此范圍為光學(xué)系統(tǒng)的焦深,即[5]:

Δ=±2(f/D)2λ

(4)

式中,f為光學(xué)系統(tǒng)的焦距;D為入射光瞳直徑;λ為工作波長(zhǎng)。如果離焦量超過(guò)焦深,會(huì)引起光學(xué)成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量的迅速惡化,所以在光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,必須嚴(yán)格將離焦量控制在焦深范圍內(nèi)[6]。

紅外光學(xué)系統(tǒng)是由若干透鏡組成,為了分析溫度變化引起系統(tǒng)的離焦量,首先計(jì)算單塊透鏡隨溫度變化產(chǎn)生的離焦量,設(shè)透鏡放置于空氣中,由高斯光學(xué)原理可知透鏡在溫度T0時(shí)焦距為[7]:

(5)

式中,r10和r20為透鏡兩個(gè)面的曲率半徑;n0為透鏡的折射率;d0為透鏡的厚度。當(dāng)溫度變化時(shí),r10、r20、n0、D0都將發(fā)生變化,導(dǎo)致透鏡的焦距發(fā)生變化。當(dāng)溫度為T1=T0+ΔT時(shí),透鏡的焦距為:

(6)

由于溫度變化對(duì)空氣折射率的影響很小,為了簡(jiǎn)化計(jì)算,上式忽略了溫度對(duì)空氣折射率的影響。由式(5)和式(6)可得,當(dāng)溫度變化ΔT時(shí),單個(gè)透鏡的離焦量為:

Δf=f1-f0

(7)

對(duì)于由n個(gè)透鏡組成的紅外光學(xué)系統(tǒng),溫度變化引起的離焦量為:

(8)

式中,hi為第i塊透鏡所分配系統(tǒng)總光焦度的權(quán)重因子;Δfi為由溫度引起的第i塊透鏡的離焦量,對(duì)于給定結(jié)構(gòu)參數(shù)的光學(xué)系統(tǒng),當(dāng)溫度變化ΔT時(shí)就可以根據(jù)上式求出其離焦量。

2.3 溫度對(duì)紅外光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)的影響

調(diào)制傳遞函數(shù)是光學(xué)系統(tǒng)對(duì)景物在特定空間頻率下的強(qiáng)度調(diào)制對(duì)比度傳遞能力的度量,可以綜合評(píng)價(jià)光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量。紅外光學(xué)系統(tǒng)溫度變化時(shí)發(fā)生離焦現(xiàn)象,會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)下降,其表達(dá)式如下[8]:

(9)

式中,J1()為一階貝塞爾函數(shù);Δftotal為根據(jù)式(8)求得的溫度變化引起的系統(tǒng)離焦量;ρ為空間頻率(單位取lp/mm),NA=D/(2f),從上式可以看出溫度對(duì)傳遞函數(shù)的影響與離焦量有關(guān)。

3 基于衍射元件的紅外光學(xué)系統(tǒng)消熱差設(shè)計(jì)理論

根據(jù)以上的分析,可以看出在進(jìn)行紅外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須進(jìn)行消熱差設(shè)計(jì)。目前常用的消熱差技術(shù)主要有三類,即機(jī)械被動(dòng)式。機(jī)電主動(dòng)式和光學(xué)被動(dòng)式,機(jī)械被動(dòng)式和機(jī)電主動(dòng)式雖然容易實(shí)現(xiàn),但都只補(bǔ)償像面位移,無(wú)法保證焦距的補(bǔ)償,而且由于使用了機(jī)械裝置,不可避免地使系統(tǒng)復(fù)雜化,體積變大,重量增加,可靠性降低。而光學(xué)被動(dòng)式消熱差熱技術(shù)既保證了系統(tǒng)的焦距補(bǔ)償,又具有結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、尺寸小、重量輕、系統(tǒng)可靠性高等優(yōu)點(diǎn),因而在紅外光學(xué)系統(tǒng)消熱差設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用[9]。光學(xué)被動(dòng)消熱差技術(shù)的原理是在溫度變化時(shí),光學(xué)元件產(chǎn)生的離焦和機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變化量相互補(bǔ)償,使整個(gè)系統(tǒng)的離焦量控制在允許的范圍內(nèi),以保持像面的穩(wěn)定,光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)滿足以下三個(gè)方程[10]:

(10)

(11)

(12)

式中,φi為各透鏡組的光焦度;φ為系統(tǒng)總的光焦度;h1為第一近軸光線在各透鏡組高度;ωi為各透鏡組色散因子,即色散引起光焦度的相對(duì)變化;χi為熱差系數(shù),即溫度引起焦距的變化率;αh為機(jī)械結(jié)構(gòu)的熱膨脹系數(shù);L為機(jī)械結(jié)構(gòu)件的長(zhǎng)度。

針對(duì)光學(xué)被動(dòng)消熱差的要求,近年來(lái)人們將衍射光學(xué)元件引入到紅外光學(xué)系統(tǒng)的消熱差設(shè)計(jì)中取得了良好的效果。衍射光學(xué)元件獨(dú)特的溫度特性是將其用于紅外光學(xué)系統(tǒng)消熱差設(shè)計(jì)的重要依據(jù),折射光學(xué)元件和衍射光學(xué)元件的熱差系數(shù)分為[11]:

(13)

(14)

式中，α為光學(xué)材料的熱膨脹系數(shù)；n為光學(xué)元件的折射率；dn/dT為材料的溫度折射率系數(shù)；dn0/dT為介質(zhì)的溫度折射率系數(shù)。

從以上兩式可以看出,折射元件的溫度特性是由材料的熱膨脹系數(shù)和材料的折射率溫度系數(shù)決定,衍射元件的溫度特性只是由材料的熱膨脹系數(shù)決定,而和材料的折射率及其溫度系數(shù)無(wú)關(guān),同時(shí)可以看出折射元件的熱差系數(shù)有負(fù)有正,而衍射元件的熱差系數(shù)始終為正,衍射元件的這個(gè)特點(diǎn)非常重要,可以通過(guò)合理的設(shè)計(jì),將兩者組合使其相互補(bǔ)償,使其滿足式(10)、(11)和(12),達(dá)到消熱差的目的。

4 溫度對(duì)紅外光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量影響及消熱差設(shè)計(jì)分析舉例

4.1 紅外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例

選取實(shí)際的長(zhǎng)波紅外光學(xué)系統(tǒng)為例分析溫度對(duì)其成像質(zhì)量的影響,該紅外光學(xué)系統(tǒng)選用像元數(shù)為320×256,像元尺寸為25μm×25μm的非制冷紅外焦平面探測(cè)器件,工作波段為8～12μm,相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)

根據(jù)上面的參數(shù),由式(4)求得此長(zhǎng)波紅外光學(xué)系統(tǒng)的焦深為±45μm,艾利斑表示的直徑為:dR=2.44λf/D=36.6μm,為了能夠滿足成像要求,系統(tǒng)允許的離焦量小于45μm,同時(shí)系統(tǒng)在成像面上的彌散斑直徑要小于36.6μm。

該紅外光學(xué)系統(tǒng)為三片式折射系統(tǒng),第一片透鏡和第三片透鏡選用鍺(Ge),第二片透鏡選用硫化鋅(ZnS),介質(zhì)為空氣,鏡筒材料選用鋁,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)分別如圖1和表2所示。

圖1 紅外光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

表2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)

序號(hào)面型半徑/mm厚度/mm玻璃種類STOStandard58.0715Ge2Standard81.347303Standard-46.5754ZnS4Standard-53.309205Standard19.1385.5Ge6Standard19.0912.733IMAStandardInfinity

該紅外光學(xué)系統(tǒng)總長(zhǎng)為68mm,視場(chǎng)以子午面為參考,取中心視場(chǎng)(0°),帶視場(chǎng)(3.5°)和邊緣視場(chǎng)(5°)為參考值,波長(zhǎng)分別取8μm,9μm,10μm,11μm,12μm,設(shè)10μm為主波長(zhǎng),利用ZEMAX光學(xué)設(shè)計(jì)軟件對(duì)20 ℃,-40 ℃和60 ℃三個(gè)溫度節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)性能和成像質(zhì)量進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

4.2 常溫下系統(tǒng)的成像質(zhì)量評(píng)價(jià)

紅外光學(xué)系統(tǒng)在常溫(20 ℃)下的成像質(zhì)量具有重要的參考意義,紅外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)首先要考慮的就是要滿足常溫使用要求。下面分析上述長(zhǎng)波紅外光學(xué)系統(tǒng)20 ℃時(shí)的相關(guān)像質(zhì)評(píng)價(jià)參數(shù),首先分析系統(tǒng)在8～12μm波段內(nèi)色差引起的離焦量大小,其色差焦點(diǎn)漂移曲線如圖2所示。

圖2 色差焦點(diǎn)漂移曲線

從圖2可以看出,曲線成拋物面形狀,初級(jí)色差已經(jīng)被很好地校正,隨著波長(zhǎng)的變化,系統(tǒng)的最大離焦量為7.143μm,小于45μm,可見(jiàn)此紅外光學(xué)系統(tǒng)20 ℃時(shí)在要求的光譜帶內(nèi)色差性能良好。

圖3為該紅外光學(xué)系統(tǒng)在20 ℃的點(diǎn)列圖,表示平行光束經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)后聚焦于成像面上的彌散斑大小,是光學(xué)系統(tǒng)的對(duì)光束匯聚能力的表現(xiàn),通常要求小于艾利斑。

圖3 20 ℃的點(diǎn)列圖

圖3中外面圓圈表示艾利斑,系統(tǒng)彌散斑全視場(chǎng)均方根直徑最大值為5.9μm,小于艾利斑直徑36.6μm和探測(cè)器尺寸25μm,滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4為該紅外光學(xué)系統(tǒng)在20 ℃的調(diào)制傳遞函數(shù)曲線。

從圖4可以看出系統(tǒng)全視場(chǎng)調(diào)制傳遞函數(shù)值在特征頻率20lp/mm處達(dá)0.6,接近衍射極限,強(qiáng)度調(diào)制對(duì)比度傳遞能力很好,滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 20 ℃的調(diào)制傳遞函數(shù)

圖5為該紅外光學(xué)系統(tǒng)20 ℃的能量分布曲線。

圖5 20 ℃的能量分布

從圖5可以看出全視場(chǎng)內(nèi)87.6%的能量集中在探測(cè)器一個(gè)像元內(nèi),即在25μm范圍內(nèi)的能量分布非常集中,系統(tǒng)能量擴(kuò)散僅受到衍射的限制,具有良好的透過(guò)特性。

從上面的分析可以看出,所設(shè)計(jì)的紅外光學(xué)系統(tǒng)在20 ℃時(shí)性能良好,系統(tǒng)的像差、色差被校正得很好,分辨率、能量透過(guò)率以及對(duì)比度的傳遞能力優(yōu)良,各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足要求。

4.3 溫度變化時(shí)紅外光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)評(píng)價(jià)

當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí),紅外光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量也會(huì)相應(yīng)的變化,假設(shè)系統(tǒng)的工作溫度范圍為-40～60 ℃,并且以-40 ℃和60 ℃兩個(gè)溫度變化對(duì)其成像質(zhì)量影最嚴(yán)重的節(jié)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行分析,如果紅外光學(xué)系統(tǒng)在-40 ℃和60 ℃能滿足要求,則在整個(gè)-40～60 ℃一定會(huì)滿足設(shè)計(jì)要求。為簡(jiǎn)化分析,在眾多的評(píng)價(jià)指標(biāo)中選用點(diǎn)列圖和調(diào)制傳遞函數(shù)這兩個(gè)常用的指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析。

圖6和圖7為-40 ℃時(shí)的紅外光學(xué)系統(tǒng)的點(diǎn)列圖和調(diào)制傳遞函數(shù)曲線。

圖6 -40 ℃的點(diǎn)列圖

圖7 -40 ℃的調(diào)制傳遞函數(shù)

圖8和圖9為60 ℃時(shí)的紅外光學(xué)系統(tǒng)的點(diǎn)列圖和調(diào)制傳遞函數(shù)曲線。

圖8 60 ℃的點(diǎn)列圖

圖9 60 ℃的調(diào)制傳遞函數(shù)

從圖6～圖9可以看出上面討論的紅外光學(xué)系統(tǒng)在工作溫度發(fā)生變化時(shí),系統(tǒng)的彌散斑迅速擴(kuò)大,全視場(chǎng)均方根直徑在-40 ℃和60 ℃時(shí)分別為163μm和102μm,遠(yuǎn)大于艾利斑直徑36.6μm和探測(cè)器尺寸25μm,使系統(tǒng)在像差增大的同時(shí)能量分布迅速擴(kuò)散；同時(shí)系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)急劇下降,在特征頻率20mm/lp處接近為0,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于衍射限的調(diào)制傳遞函數(shù),而且在20mm/lp以內(nèi)的空間頻率處MTF的值出現(xiàn)0點(diǎn),即系統(tǒng)對(duì)景物特定空間頻率的強(qiáng)度調(diào)制對(duì)比度傳遞能力為0,這是紅外光學(xué)系統(tǒng)不允許出現(xiàn)的。

隨著溫度的變化,紅外光學(xué)系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)發(fā)生變化,成像質(zhì)量迅速惡化,其根本原因是溫度變化引起系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和折射率的變化,導(dǎo)致了系統(tǒng)的離焦增大,超過(guò)了系統(tǒng)的焦深的限制范圍,表3為溫度變化時(shí)引起系統(tǒng)的離焦量大小。

表3 溫度引起系統(tǒng)的系統(tǒng)離焦量

從上面的分析可以看出,此紅外光學(xué)系統(tǒng)在 20 ℃時(shí)成像質(zhì)量良好,但是當(dāng)工作環(huán)境溫度在-40～60 ℃范圍內(nèi)發(fā)生變化時(shí),系統(tǒng)將發(fā)生嚴(yán)重的離焦現(xiàn)象,成像質(zhì)量急劇惡化,不再滿足使用要求,必須進(jìn)行消熱差設(shè)計(jì)。

4.4 消熱差設(shè)計(jì)后的紅外光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)評(píng)價(jià)

采用折衍射混合方式對(duì)上述紅外光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行消熱差設(shè)計(jì),將二階衍射面加工在第三片透鏡的第二個(gè)面,根據(jù)式(13)和(14),計(jì)算可得到鍺和硫化鋅折射元件熱差系數(shù)分別為-1.26×10-4/℃和-3.4×10-5/℃,鍺的衍射元件熱差系數(shù)為1.32×10-5/℃,可見(jiàn)折射元件和衍射元件熱差系數(shù)符號(hào)相反,利用光學(xué)設(shè)計(jì)軟ZEMAX中的多重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在對(duì)其衍射系數(shù)和光學(xué)系統(tǒng)部分結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,合理組合,在-40～60 ℃溫度范圍內(nèi)達(dá)到消熱差的目的,經(jīng)消熱差后系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表4所示。

表4 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)

從上表可以看出,各透鏡的厚度和間隔保持不變,將透鏡的曲率半徑和后工作距作為變量進(jìn)行優(yōu)化,所以此紅外光學(xué)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)基本保持不變,下面來(lái)判斷其消熱差設(shè)計(jì)的效果,仍然選擇-40 ℃和60 ℃兩個(gè)邊界溫度的點(diǎn)列圖和調(diào)制傳遞函數(shù)兩個(gè)指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖10和圖11為-40 ℃時(shí)的紅外光學(xué)系統(tǒng)的點(diǎn)列圖和調(diào)制傳遞函數(shù)曲線。

圖10 -40 ℃的點(diǎn)列圖

圖11 -40 ℃的調(diào)制傳遞函數(shù)

圖12和圖13為60 ℃時(shí)的紅外光學(xué)系統(tǒng)的點(diǎn)列圖和調(diào)制傳遞函數(shù)曲線。

圖12 60 ℃的點(diǎn)列圖

圖13 60 ℃的調(diào)制傳遞函數(shù)

從圖10～圖13可以看出,上述長(zhǎng)波紅外光學(xué)系統(tǒng)經(jīng)消熱差設(shè)計(jì)后,系統(tǒng)的彌散斑的全視場(chǎng)均方根直徑最大值在-40 ℃和60 ℃時(shí)分別為4.686μm和4.944μm,小于艾利斑直徑36.6μm和探測(cè)器尺寸25μm,能量分布集中；系統(tǒng)全視場(chǎng)MTF值在特征頻率20lp/mm處達(dá)0.55左右,對(duì)景物空間強(qiáng)度調(diào)制對(duì)比度傳遞能力良好,由于系統(tǒng)在溫度對(duì)其成像質(zhì)量影響最為嚴(yán)重的-40 ℃和60 ℃處滿足設(shè)計(jì)要求,所以系統(tǒng)在整個(gè)-40～60 ℃范圍內(nèi)也滿足要求。

通過(guò)以上分析可以看出經(jīng)消熱差設(shè)計(jì),系統(tǒng)的成像質(zhì)量迅速提高,其根本原因是通過(guò)折衍射元件的合理組合,離焦量被嚴(yán)格控制在焦深范圍之內(nèi),表5為溫度變化時(shí)引起系統(tǒng)的離焦量大小。

表5 溫度引起系統(tǒng)的系統(tǒng)離焦量

表4可以看出,系統(tǒng)經(jīng)消熱差設(shè)計(jì)后,系統(tǒng)離焦量最大為14μm,小于焦深的限制范圍45μm,能夠保證其清晰成像,滿足使用要求。

5 結(jié) 論

本文在分析溫度對(duì)紅外光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)影響的基礎(chǔ)上,詳細(xì)計(jì)算了溫度對(duì)系統(tǒng)焦距和調(diào)制傳遞函數(shù)的影響,并且結(jié)合實(shí)際紅外光學(xué)系統(tǒng),分析溫度對(duì)其成像質(zhì)量的影響,通過(guò)分析可以看出,在常溫下性能優(yōu)良的紅外光學(xué)系統(tǒng),當(dāng)溫度在-40～60 ℃范圍內(nèi)變化時(shí),其成像質(zhì)量迅速惡化,不能滿足使用要求,并在分析的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行消熱差設(shè)計(jì),通過(guò)將衍射元件引入到該消熱差設(shè)計(jì)中,使得該光學(xué)系統(tǒng)在-40～60 ℃溫度范圍內(nèi)成像質(zhì)量得到了極大的改善,滿足使用要求,該紅外光學(xué)系統(tǒng)體積小,可靠性高,可以被用于工作溫度范圍較大的紅外探測(cè)系統(tǒng)中。

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Influence of temperature on infrared optical system and athermal design

ZHANG Fa-qiang,FAN Xiang,KONG Hui,CHENG Zheng-dong,ZHU Bin

(State Key Laboratory of Pulsed Power Laser Technology,Electronic Engineering Institute,Hefei 230037,China)

The influence of temperature changes on infrared optical system structure parameters was analyzed.The defocusing distance and modulation transfer function (MTF)caused by temperature shift were calculated.The theoretical basis of athermal design for infrared optical system was given.Based on a factual long-wave infrared optical system,the imaging qualities at the working temperature of 20 ℃,-40 ℃ and 60 ℃ were analyzed by ZEMAX.The analytic results show that the image quality of the system approaches the diffraction limit at the working temperature of 20 ℃.The MTF is greater than 0.6 in the whole field of view when the Nyquist frequency of detector is 20 lp/mm,and 87.6% of the diffraction energy is focused in a single pixel,and the imaging quality of the system is good.However,the imaging quality decreases seriously at the working temperature of-40 ℃ to 60 ℃,so the system can’t satisfy the design requirement.Based on the above analysis,the infrared optical system was redesigned by optical passive athermal with hybrid refractive/diffractive.The imaging quality of this infrared optical system is greatly improved after athermal design.The MTF is greater than 0.55 in the whole field of view when the Nyquist frequency of detector is 20 lp/mm,and the energy distribution is very concentrated,which can meet the requirements of infrared detection system.Key words:infrared optical system;temperature;athermalization;imaging quality;defocus

國(guó)家自然科學(xué)基金(No.61307025;No.61271376)資助。

張發(fā)強(qiáng)(1981-)，男，博士研究生，主要從事紅外探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的研究。E-mail:zhrui_1981@163.com

2014-09-30;

2014-11-03

1001-5078(2015)07-0854-07

O435；TN216

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.07.026