一種長波標(biāo)準(zhǔn)成像鏡頭仿真設(shè)計(jì)

陳曉梅， 劉長江， 杜保林

(1.中國航空工業(yè)集團(tuán)公司洛陽電光設(shè)備研究所，河南 洛陽 471000；2.中國人民解放軍裝甲兵學(xué)院，安徽 蚌埠 233050)

0 引言

制冷型紅外探測器技術(shù)取得的最新進(jìn)展已使之廣泛用于軍事用途。長波紅外探測器作為IRST的重要傳感器，目前主要依靠國外進(jìn)口。由于制冷型長波紅外探測器應(yīng)用領(lǐng)域的特殊性，高性能的長波紅外探測器對我國仍屬禁運(yùn)商品，工業(yè)級(jí)的探測器質(zhì)量參差不齊，通常需要經(jīng)嚴(yán)格篩選才能得到性能穩(wěn)定的產(chǎn)品。在探測器篩選和驗(yàn)收過程中，需要有成像鏡頭配合其成像，才能方便地對其噪聲等效溫差(NETD)、最小可分辨溫差(MRTD)、調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)等性能指標(biāo)進(jìn)行檢測。但是如果選擇的F數(shù)和視場不匹配，或者透過率、傳函等指標(biāo)無標(biāo)稱值的成像鏡頭作為探測器的驗(yàn)收輔助設(shè)備，則最終無法定量評(píng)價(jià)探測器自身的性能。本文設(shè)計(jì)了一套長波標(biāo)準(zhǔn)成像鏡頭，用于F數(shù)為2和視場小于6°的探測器篩選和驗(yàn)收。

1 指標(biāo)要求

長波標(biāo)準(zhǔn)成像鏡頭的指標(biāo)要求如下：工作波段7.7～9.5 μm，中心波長8.5 μm，探測器像元大小24 μm，視場5.9°×4.7°，F(xiàn)/#2，MTF空間頻率為21 lp/mm時(shí)，軸上MTF>0.6，全視場MTF>0.5(理論值)，視場畸變2%，彌散斑小于15 μm (80%能量)，全視場內(nèi)單像元能量匯聚度不低于60%，透過率大于80%，后截距大于6 mm，溫度適應(yīng)性為-45～+70 ℃。

2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光學(xué)系統(tǒng)采用透射式結(jié)構(gòu)，包含中間像面，為二次成像，共用7片紅外光學(xué)材料。光學(xué)系統(tǒng)采用3個(gè)非球面，1個(gè)二元光學(xué)元件，該二元元件以鍺為加工基底，并在設(shè)計(jì)過程中確?？杉庸ば?。系統(tǒng)焦距為150 mm，光學(xué)后截距大于12 mm。為校正中間像面引入大角度折轉(zhuǎn)的光學(xué)透鏡，其中，光學(xué)最大口徑為80 mm，光學(xué)總長為210 mm(含成像面)。設(shè)計(jì)中保證光學(xué)系統(tǒng)光闌和探測器冷屏重合，確保冷光闌效率100%[1]。

圖1為長波紅外光學(xué)系統(tǒng)光路圖。

圖1 長波紅外光學(xué)系統(tǒng)光路圖Fig.1 Light path of long-wave infrared optical system

3 光學(xué)系統(tǒng)仿真分析

3.1 光學(xué)像質(zhì)分析

根據(jù)長波探測器參數(shù)，光學(xué)傳遞函數(shù)奈奎斯特頻率為21 lp/mm，整個(gè)光學(xué)視場內(nèi)傳遞函數(shù)接近衍射極限，0.7視場以內(nèi)奈奎斯特頻率處MTF大于0.5，0.7視場以外奈奎斯特頻率處MTF大于0.45，見圖2a。鏡筒材料采用鋁，透鏡選用的材料為鍺(Ge)、硒化鋅(ZnSe)、硫化鋅(ZnS)以及AMTIR1，通過材料熱特性之間的差異配合來消除無熱化的影響，達(dá)到無熱化要求。圖2b為-45 ℃下光學(xué)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，全視場內(nèi)奈奎斯特頻率處MTF大于0.44，與常溫相比略有下降。圖2c為70 ℃下光學(xué)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，全視場內(nèi)奈奎斯特頻率處MTF大于0.45，與常溫相比基本不變。系統(tǒng)彌散斑小于衍射極限艾里斑，RMS彌散斑半徑小于9 μm[2]，如圖3a所示。圖3b和圖3c為-45 ℃和70 ℃下光學(xué)系統(tǒng)的點(diǎn)列圖，與常溫情況下相比，各個(gè)視場的點(diǎn)列圖均在艾里斑范圍以內(nèi)，RMS彌散斑半徑小于13 μm[3-10]。

圖2 光學(xué)系統(tǒng)的MTFFig.2 The MTF of the optical system

圖3 彌散斑Fig.3 The spot diagram

3.2 能量分布

采用包圍圓能量進(jìn)行分析，圖4所示為常溫以及低溫和高溫3種條件下的包圍圓能量。

圖4 能量分布Fig.4 The FFT diffraction encircled energy

從圖4可知，在24 μm范圍內(nèi)，常溫條件下,彌散圓能量全視場內(nèi)接近衍射極限,大于60%；另外兩種溫度條件下,彌散圓能量全視場內(nèi)均接近衍射極限，大于60%。

3.3 透過率計(jì)算

光學(xué)透鏡共7片，每片透過率達(dá)到98%，第一片透鏡鍍硬質(zhì)防護(hù)膜，透過率為95%，則光學(xué)系統(tǒng)的透過率τ為84.1%。

3.4 二元光學(xué)面

圖5所示為二元光學(xué)面的相位曲線和刻槽分布曲線。

圖5 二元光學(xué)面的相位曲線和刻槽分布曲線

為進(jìn)行大范圍無熱化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)中采用了一片二元光學(xué)元件，基底材料為鍺，是目前金剛石車削最容易加工的材料?？梢钥闯觯鈱W(xué)面的最大周期小于1.2 mm，滿足可加工性要求，具備生產(chǎn)條件。

3.5 畸變

圖6為光學(xué)系統(tǒng)的畸變圖，由圖可知，光學(xué)系統(tǒng)的畸變小于2%。

圖6 長波光學(xué)鏡頭畸變圖Fig.6 The distortion of the long-wave optical lens

3.6 像面照度分布

像面照度分布如圖7所示。相對照度在最大視場處可以達(dá)到86%，整體像面內(nèi)照度分布均勻。

圖7 像面不同視場對應(yīng)的相對照度曲線

4 公差分配和分析

對要加工的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了公差分析，確保設(shè)計(jì)出的光學(xué)系統(tǒng)可以在合理的公差分配下達(dá)到滿足要求的像質(zhì)。常用公差量值見表1。

表1 常用公差量值情況表

根據(jù)光學(xué)加工工藝的技術(shù)水平，對光學(xué)表面的偏心、傾斜公差給定為0.02 mm，光學(xué)表面的全局光圈優(yōu)于2個(gè)光圈，局部光圈優(yōu)于0.5個(gè)光圈；光學(xué)元件偏心、傾斜給定為0.02的條件下，通過光學(xué)軟件的蒙特卡羅公差方法進(jìn)行分析，分析結(jié)果表明，長波紅外光學(xué)系統(tǒng)的加工可以達(dá)到軸上視場奈奎斯特頻率處MTF大于0.45，0.7以外視場MTF大于0.4。

5 結(jié)論

采用二次成像透射式光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)行了長波標(biāo)準(zhǔn)鏡頭的設(shè)計(jì)與像質(zhì)分析,開展了光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與評(píng)估、彌散斑分析等關(guān)鍵參數(shù)分析,結(jié)果表明設(shè)計(jì)滿足指標(biāo)要求。