大視場(chǎng)小型無(wú)熱化長(zhǎng)波紅外鏡組設(shè)計(jì)

肖納川，孫 拓，胡力允，趙永權(quán)，王雙保，徐智謀，張學(xué)明

大視場(chǎng)小型無(wú)熱化長(zhǎng)波紅外鏡組設(shè)計(jì)

肖納川，孫 拓，胡力允，趙永權(quán)，王雙保，徐智謀，張學(xué)明

（華中科技大學(xué) 光學(xué)與電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430074）

跟隨紅外鏡頭小型化、大視場(chǎng)化的趨勢(shì)，利用ZEMAX設(shè)計(jì)了一款大視場(chǎng)無(wú)熱化小型長(zhǎng)波紅外鏡組。系統(tǒng)匹配384×288@17μm的非制冷型長(zhǎng)波紅外探測(cè)器，工作波段為8～12mm。系統(tǒng)F數(shù)為1.6，相比于傳統(tǒng)紅外鏡頭，視場(chǎng)角更大，全視場(chǎng)達(dá)72°，尺寸更小，總長(zhǎng)僅為6.96mm。主鏡頭僅用3片鏡片，通過(guò)兩種紅外光學(xué)材料的搭配以及6面非球面實(shí)現(xiàn)像差的校正和光學(xué)系統(tǒng)的無(wú)熱化，工作溫度范圍覆蓋－40～60℃。仿真結(jié)果表明，在空間頻率15lp/mm處，全視場(chǎng)的調(diào)制傳遞函數(shù)大于0.5，空間頻率30lp/mm處，全視場(chǎng)調(diào)制傳遞函數(shù)大于0.15。同時(shí)為了增大紅外探測(cè)器的填充因子，提高能量利用率，在系統(tǒng)中搭配設(shè)計(jì)了放置于紅外傳感器前的微透鏡陣列。實(shí)現(xiàn)了紅外光學(xué)系統(tǒng)的小型化，為紅外熱像儀在智能手機(jī)上的應(yīng)用提供了解決方案。

長(zhǎng)波紅外；無(wú)熱化；大視場(chǎng)；微透鏡陣列

0 引言

紅外探測(cè)器能夠探測(cè)物體發(fā)出的紅外輻射，將物體的溫度轉(zhuǎn)化為人眼可見(jiàn)的視覺(jué)信息，且不需要光源照射、抗干擾能力強(qiáng)，廣泛用于軍事和民用領(lǐng)域。而設(shè)計(jì)紅外光學(xué)系統(tǒng)的一大難點(diǎn)，就是相比于可見(jiàn)光波段的玻璃材料，隨著環(huán)境溫度的變化，紅外玻璃的折射率、曲率半徑、厚度等參數(shù)都會(huì)發(fā)生較大的變化，影響成像質(zhì)量[1]。無(wú)熱化設(shè)計(jì)能夠有效減小溫度變化對(duì)成像質(zhì)量造成的影響，因而成為提升紅外光學(xué)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。

非制冷型長(zhǎng)波紅外探測(cè)器由于其成本低、體積小、重量輕和功耗低，被更加廣泛地用于監(jiān)控安防、設(shè)備檢測(cè)、夜間戶外等民用領(lǐng)域。隨著民用需求量的不斷提高，紅外光學(xué)系統(tǒng)持續(xù)向輕巧、便攜的方向發(fā)展。智能手機(jī)的出現(xiàn)也讓紅外光學(xué)系統(tǒng)作為它的一個(gè)模塊而備受關(guān)注。近年來(lái)，我國(guó)在非制冷長(zhǎng)波紅外光學(xué)系統(tǒng)的小型化上頗有進(jìn)展。2017年，華中科技大學(xué)的張凌志等人設(shè)計(jì)了一款兩片式結(jié)構(gòu)長(zhǎng)波紅外光學(xué)系統(tǒng)[2]，總長(zhǎng)僅7.5mm；2021年，長(zhǎng)春理工大學(xué)的田永等人選用折返式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)長(zhǎng)波紅外成像系統(tǒng)[3]，總長(zhǎng)11.5mm；同年，廈門理工學(xué)院的張繼艷等人設(shè)計(jì)一款以硫系玻璃為材料的長(zhǎng)波紅外光學(xué)系統(tǒng)[4]，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的小型化和無(wú)熱化。如何進(jìn)一步縮小無(wú)熱化紅外光學(xué)系統(tǒng)的尺寸，并使其盡可能采用大面陣的紅外探測(cè)器，成為紅外光學(xué)系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)之一。

在可見(jiàn)光探測(cè)器領(lǐng)域，微透鏡陣列往往被集成在CCD（Charge Coupled Device）或CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）的第一面，通過(guò)將光線會(huì)聚在光電二極管上，增大填充因子，從而增大信噪比、提高成像質(zhì)量。而在紅外探測(cè)器領(lǐng)域，集成微透鏡陣列技術(shù)尚不成熟。在此，我們借鑒可見(jiàn)光探測(cè)器中的集成微透鏡陣列設(shè)計(jì)，基于微透鏡平移算法在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了一款紅外材料微透鏡陣列，使其緊貼于探測(cè)器表面，有效增大了探測(cè)器的填充因子。

1 設(shè)計(jì)原理

1.1 無(wú)熱化原理

目前，主要的無(wú)熱化方法有機(jī)電主動(dòng)式、機(jī)械被動(dòng)式、光學(xué)被動(dòng)式等[5-7]。其中，光學(xué)被動(dòng)式不需要額外引入機(jī)械結(jié)構(gòu)，成本低、質(zhì)量輕，適用于本文需要設(shè)計(jì)的小型長(zhǎng)波紅外鏡頭。

光學(xué)被動(dòng)式無(wú)熱化方法利用不同材料熱差系數(shù)、色差系數(shù)及熱膨脹系數(shù)的不同，使溫度變化對(duì)各透鏡帶來(lái)的影響得以抵消，讓熱離焦在要求的溫度范圍內(nèi)接近零。對(duì)于由個(gè)透鏡組成的光學(xué)系統(tǒng)，其光焦度、色差系數(shù)和熱差系數(shù)需要滿足下列方程[8]。

光焦度方程：

消色差方程：

消熱差方程：

式中：h為近軸光線在第個(gè)透鏡的入射高度，若為密接型透鏡組，可認(rèn)為h＝1；為各個(gè)透鏡的光焦度；為全系統(tǒng)的光焦度；x和分別為第個(gè)透鏡的消熱差系數(shù)和消色差系數(shù)。

1.2 微透鏡陣列設(shè)計(jì)原理

全光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。其中微透鏡陣列通過(guò)將光聚焦在探測(cè)器的光電二極管上以提高探測(cè)器的填充因子，從而提高信噪比。由于在不同像高處，光線的入射角度不同，在光線入射角大的區(qū)域，光線經(jīng)微透鏡會(huì)聚后可能無(wú)法照射至感光區(qū)域，使得邊緣像素靈敏度下降，串?dāng)_增加。因此需要將微透鏡平移一定距離，來(lái)讓大視場(chǎng)處的光線也能夠聚焦在感光區(qū)域上。

圖1 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

微透鏡平移算法有相位差測(cè)試像素算法、平面坐標(biāo)計(jì)算法、擬合平移函數(shù)算法等[9]。為降低對(duì)微透鏡制造工藝的要求，使得微透鏡陣列中相鄰微透鏡的間距一致，在這里選擇簡(jiǎn)化的平面坐標(biāo)計(jì)算法。設(shè)微透鏡陣列中心為原點(diǎn)，通過(guò)仿真確定坐標(biāo)軸上最遠(yuǎn)點(diǎn)的透鏡偏移量，從而推導(dǎo)出每一個(gè)微透鏡的偏移量。該方法需要滿足下列公式：

式中：探測(cè)器像素?cái)?shù)量為2×2；為探測(cè)器像素的邊長(zhǎng)；為表示單位像高處微透鏡偏移量的因子；Δ(m,0)和Δ(0,n)表示用坐標(biāo)軸上最大像高處的主光線入射角仿真得到的邊緣微透鏡偏移量。

2 主鏡頭設(shè)計(jì)

2.1 材料選擇

為達(dá)到消熱差和消色差的目的，同時(shí)使鏡頭結(jié)構(gòu)盡可能簡(jiǎn)單，主鏡頭選用3片透鏡，采用兩種紅外材料。常用的紅外材料有ZnS、Si、GaAs、Ge、ZnSe等，價(jià)格比較昂貴。而以Ge、As、Si、Sb等元素與S、Se、Te等元素按照一定比例組合而成的硫系玻璃，相對(duì)于傳統(tǒng)紅外材料而言，具有紅外透射率高、折射率溫度系數(shù)較小、價(jià)格低、易于加工等優(yōu)勢(shì)[9]。硫系玻璃材料具有良好的熱形變能力，適合模壓成型，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。使用硫系玻璃不僅利于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)熱化，也利于非球面的加工，降低制造成本并縮短加工周期。本設(shè)計(jì)采用湖北新華光生產(chǎn)的IRG203和IRG206兩種硫系玻璃，兩種材料的光學(xué)特性和熱特性如表1所示。IRG203折射率低而溫度系數(shù)高，IRG206折射率高而溫度系數(shù)低，通過(guò)兩者折射率溫度系數(shù)的差異實(shí)現(xiàn)消熱差。同時(shí)兩種材料阿貝數(shù)差值較大，利于系統(tǒng)消除色差[10]。

表1 IRG203與IRG206在8～12mm的光學(xué)特性和熱特性

2.2 設(shè)計(jì)思路

探測(cè)器選用陣列為384×288，像元尺寸為17mm×17mm的非制冷型紅外探測(cè)器。系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)如表2所示。

表2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)

傳統(tǒng)紅外鏡頭為滿足對(duì)像高的要求，往往鏡頭尺寸較大，而可見(jiàn)光手機(jī)鏡頭結(jié)構(gòu)能夠同時(shí)滿足大像高、大視場(chǎng)、小尺寸的設(shè)計(jì)要求。本設(shè)計(jì)采用一款三片式手機(jī)鏡頭作為初始結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖2。相對(duì)于其他手機(jī)鏡頭，它僅用3片透鏡，能夠降低紅外鏡頭的材料和工藝成本，且光圈更大，能夠增加系統(tǒng)通光量，更加適合作為紅外鏡頭的初始結(jié)構(gòu)。其中第一、第二塊透鏡采用IRG206，第三塊透鏡采用IRG203。

圖2 優(yōu)化基礎(chǔ)的初始結(jié)構(gòu)

將系統(tǒng)仿真的波長(zhǎng)范圍設(shè)置為紅外波段8～12 μm，并將材料設(shè)置為紅外光學(xué)材料。由于原可見(jiàn)材料與更換后的紅外材料折射率相差很大，故有必要對(duì)每個(gè)鏡片的曲率半徑和二次項(xiàng)系數(shù)進(jìn)行縮放，以使光線能夠通過(guò)整個(gè)系統(tǒng)，縮放因子由下式確定：

式中：為曲率半徑縮放因子；k表示階非球面多項(xiàng)式系數(shù)的縮放因子；為原可見(jiàn)材料折射率；￠為紅外材料折射率。

使用操作數(shù)限制系統(tǒng)的像高、總長(zhǎng)、焦距、玻璃厚度與空氣間隔，逐步加入畸變操作數(shù)DIMX、垂軸像差操作數(shù)TRAY、場(chǎng)曲操作數(shù)FCGS和FCGT、球差操作數(shù)SPHA、慧差操作數(shù)COMA、像散操作數(shù)ASTI等，以所有透鏡表面的曲率半徑、非球面系數(shù)和所有厚度為變量，不斷調(diào)整操作數(shù)權(quán)重進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)結(jié)構(gòu)陷入局部最小值，無(wú)法進(jìn)一步優(yōu)化時(shí)，便對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行手動(dòng)微調(diào)再進(jìn)行優(yōu)化，使像差進(jìn)一步縮小。最后加入MTFT、MTFS操作數(shù)對(duì)系統(tǒng)的綜合像差進(jìn)行校正。

2.3 設(shè)計(jì)結(jié)果

優(yōu)化后的鏡頭結(jié)構(gòu)如圖3所示。系統(tǒng)總長(zhǎng)6.96mm，焦距5.77mm，全視場(chǎng)72°，像高2×4.082＝8.164mm，略大于探測(cè)器對(duì)角線長(zhǎng)8.16mm。

圖3 主鏡頭結(jié)構(gòu)圖

MTF（Modulation Transfer Function）曲線能夠綜合評(píng)價(jià)鏡頭的成像質(zhì)量。系統(tǒng)的奈奎斯特采樣頻率滿足[11]：

式中：a為探測(cè)器像素尺寸17mm，計(jì)算得奈奎斯特頻率N＝29.4lp/mm。圖4(a)～(c)所示為系統(tǒng)在－40℃～60℃的MTF曲線圖。在溫度區(qū)間內(nèi)，系統(tǒng)在各溫度下的MTF差距十分微小，全視場(chǎng)MTF在15lp/mm處均大于0.5，在29.4lp/mm處均大于0.15，接近衍射極限。

光學(xué)系統(tǒng)的焦深表達(dá)式為[5]：

將系統(tǒng)參數(shù)＝10mm，#＝1.6代入(9)式，得系統(tǒng)焦深為±51.2mm。表3給出各溫度下系統(tǒng)的后截距及所需的調(diào)節(jié)量，由表可知，各溫度下系統(tǒng)的后截距調(diào)節(jié)量遠(yuǎn)小于系統(tǒng)焦深[12]，系統(tǒng)無(wú)需進(jìn)行手動(dòng)調(diào)焦，可在－40℃～60℃內(nèi)保持像質(zhì)穩(wěn)定。

系統(tǒng)在－40℃～60℃的最大軸向色差如表4所示，可見(jiàn)各溫度下的軸向色差均小于系統(tǒng)焦深，系統(tǒng)具有很好的消色差效果。

表3 后截距調(diào)節(jié)分析

表4 各溫度下最大軸向色差

在各溫度下的點(diǎn)列圖如圖5所示，可以看出，系統(tǒng)0.7視場(chǎng)內(nèi)彌散斑尺寸均小于探測(cè)器像元尺寸，全視場(chǎng)彌散斑尺寸為19.6mm，略大于探測(cè)器像元尺寸，但也在可接受范圍內(nèi)。系統(tǒng)在20℃下的場(chǎng)曲和畸變曲線如圖6所示，全視場(chǎng)場(chǎng)曲小于0.1mm，畸變小于4%，滿足了設(shè)計(jì)需求。

圖6 20℃下的場(chǎng)曲和畸變

2.4 公差分析

從鏡頭的結(jié)構(gòu)圖中可以觀察到，所設(shè)計(jì)鏡頭中使用到了鷗翼形非球面，即面上存在拐點(diǎn)，使曲面的凹凸性發(fā)生改變。傳統(tǒng)研磨、拋光技術(shù)難以制造鷗翼形非球面，而單點(diǎn)金剛石車削技術(shù)工時(shí)長(zhǎng)且價(jià)格昂貴[5]，相比之下，適用于硫系玻璃的精密模壓技術(shù)不但有能力制造鷗翼形非球面，還容易實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，能夠大幅降低加工成本。鷗翼形非球面對(duì)面形檢測(cè)環(huán)節(jié)也是一種挑戰(zhàn)，由于目前傳統(tǒng)零位補(bǔ)償器難以適應(yīng)鷗翼形非球面曲率反轉(zhuǎn)特性，常用的零位補(bǔ)償法對(duì)鷗翼形非球面不適用[13]，可以用面形掃描或子孔徑拼接法實(shí)現(xiàn)對(duì)鷗翼形非球面的面形檢測(cè)。

在光學(xué)系統(tǒng)的加工和裝配過(guò)程中，由于設(shè)備的精度有限，難免產(chǎn)生誤差。公差分析能夠使設(shè)計(jì)者了解各種加工裝配誤差對(duì)光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)帶來(lái)的影響，指導(dǎo)日后的加工生產(chǎn)。根據(jù)目前精密模壓的工藝水平，將曲率半徑公差、厚度公差、偏心公差都設(shè)為2.5mm，傾斜公差0.02°，表面不規(guī)則度公差0.2，折射率公差0.001，阿貝數(shù)公差0.1%，用蒙特卡洛法取100個(gè)樣本分析29.4lp/mm下的敏感度，分析結(jié)果如表5所示。分析結(jié)果表明，在29.4lp/mm處，有90%以上的樣本MTF＞0.14，說(shuō)明能夠滿足生產(chǎn)加工需求。

表5 蒙特卡洛公差分析結(jié)果

3 微透鏡陣列設(shè)計(jì)

對(duì)于以硫系玻璃為材料的微透鏡陣列，可用高精度硬質(zhì)模板進(jìn)行模壓復(fù)制來(lái)制作[14]。相比于光刻、納米壓印等制作方法，精密模壓法的優(yōu)勢(shì)在于能夠制作雙凸型微透鏡陣列，其性能顯著優(yōu)于平凸型微透鏡陣列。所設(shè)計(jì)主鏡頭入射角度與像高的關(guān)系曲線如圖7所示。在所有光線均不發(fā)生全反射的前提下，使各角度的光線經(jīng)過(guò)微透鏡后的成像區(qū)域盡可能集中，微透鏡焦點(diǎn)盡可能靠近探測(cè)器平面，仿真后得到微透鏡陣列局部結(jié)構(gòu)如圖8所示，其材料為IRG206。

圖7 入射角度與像高關(guān)系

圖8 微透鏡陣列局部結(jié)構(gòu)圖

紅外探測(cè)器長(zhǎng)邊與短邊的中點(diǎn)對(duì)應(yīng)像高分別為3.264mm和2.448mm，根據(jù)這兩點(diǎn)對(duì)應(yīng)的光線入射角度進(jìn)行仿真，使得各角度的光線都能夠照射在像元中面積占50%的感光區(qū)域內(nèi)，確定偏移因子＝0.0012941，則微透鏡單元的尺寸＝a(1－)＝16.978mm。圖9所示為像高1.068mm、2.475mm、4.082mm處使用主光線和最小、最大光瞳點(diǎn)光線仿真得到的輻照度圖，圖中方框?yàn)橄裨械母泄鈪^(qū)域。經(jīng)仿真驗(yàn)證，像高0～4.082mm內(nèi)，各角度的光線經(jīng)微透鏡會(huì)聚后均能夠照射在感光區(qū)域內(nèi)。光學(xué)系統(tǒng)的完整結(jié)構(gòu)陰影模型圖如圖10所示。

圖9 各像高處的輻照度圖

圖10 光學(xué)系統(tǒng)陰影模型圖

4 結(jié)論

提出了一種大視場(chǎng)小型無(wú)熱化長(zhǎng)波紅外鏡組，具備大視場(chǎng)、大像高、小尺寸的特點(diǎn)，采用IRG203和IRG206兩種硫系玻璃，利用兩種材料折射率溫度系數(shù)的差異成功實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在－40℃～60℃的無(wú)熱化。系統(tǒng)中配有置于紅外探測(cè)器前表面的以硫系玻璃為材料的紅外微透鏡陣列，能夠?qū)⒏飨窀?、各角度的光線會(huì)聚于像元感光區(qū)域，增大探測(cè)器填充因子，提高信噪比和能量利用率。系統(tǒng)長(zhǎng)度小而采用大尺寸紅外探測(cè)器，在智能手機(jī)紅外熱成像儀領(lǐng)域具有廣闊前景。

[1] 奚曉, 岑兆豐, 李曉彤. 無(wú)熱技術(shù)在光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 紅外與激光工程, 2005, 34(4): 388-390. XI Xiao, CEN Zhaofeng, LI Xiaotong. Application of athermalisation in optical systems[J]., 2005, 34(4): 388-390.

[2] 張凌志. 面向移動(dòng)端的長(zhǎng)波紅外成像系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)[D]. 武漢: 華中科技大學(xué), 2017. ZHANG Lingzhi. Option Design of Long-Wave Infrared Imaging System for Mobile Devices[D]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology, 2017.

[3] 田永. 基于非制冷型探測(cè)器的紅外成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]. 長(zhǎng)春: 長(zhǎng)春理工大學(xué), 2021. TIAN Yong. Design of Infrared Imaging System Based on Uncooled Detector[D]. Changchun: Changchun University of Science and Technology, 2021.

[4] 張繼艷, 林海峰, 黃章超. 基于硫系玻璃的緊湊式大相對(duì)孔徑長(zhǎng)波紅外光學(xué)系統(tǒng)無(wú)熱化設(shè)計(jì)[J].應(yīng)用光學(xué), 2021, 42(5): 790-795. ZHANG Jiyan, LIN Haifeng, HUANG Zhangchao. Compact large relative aperture long wavelength infrared athermalization optical system with chalcogenide glasses[J]., 2021, 42(5): 790-795.

[5] 王靜, 吳越豪, 戴世勛, 等. 硫系玻璃在長(zhǎng)波紅外無(wú)熱化連續(xù)變焦廣角鏡頭設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 紅外與激光工程, 2018, 47(3): 165-171. WANG Jing, WU Yuehao, DAI Shixun, et al. Application of chalcogenide glass in designing a long-wave infrared athermalized continuous zoom wide-angle lens[J]., 2018, 47(3): 165-171.

[6] 吳曉晴, 孟軍和. 使用簡(jiǎn)單機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)紅外光學(xué)系統(tǒng)無(wú)熱化[J]. 紅外與激光工程, 2005, 34(4): 391-393. WU Xiaojing, MENG Junhe. Athermalizing infrared optical systems by using simple mechanical framework [J]., 2005, 34(4): 391-393.

[7] 王學(xué)新, 焦明印. 紅外光學(xué)系統(tǒng)無(wú)熱化設(shè)計(jì)方法的研究[J]. 應(yīng)用光學(xué), 2009, 30(1): 129-133. WANG Xuexin, JIAO Mingyin. Athermalization design for infrared optical systems[J]., 2009, 30(1): 129-133.

[8] 崔莉, 趙新亮, 李同海, 等. 無(wú)調(diào)焦非制冷紅外光學(xué)系統(tǒng)的無(wú)熱化設(shè)計(jì)[J]. 紅外技術(shù), 2010, 32(4): 187-190. CUI Li, ZHAO Xinliang, LI Tonghai, et al. Athermalization of uncooled infrared optical system without focusing mechanism[J]., 2010, 32(4): 187-190.

[9] 武巖, 高春, 魏巍. 基于CMOS圖像傳感器的微透鏡平移算法研究[J]. 現(xiàn)代計(jì)算機(jī), 2017(35): 66-70. WU Yan, GAO Chun, WEI Wei. The research of microlens shifting algorithm for CMOS Image Sensor[J]., 2017(35): 66-70.

[10] 張以漠. 應(yīng)用光學(xué)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2015. ZHANG Yimo.[M]. Beijing: Electronic Industry Press, 2015.

[11] 尹志東, 向陽(yáng), 高健, 等. 1300萬(wàn)像素手機(jī)鏡頭設(shè)計(jì)[J]. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展, 2014, 51(1): 012202. YIN Zhidong, XIANG Yang, GAO Jian, et al. Optical design of a 1300 megapixel mobile phone camera lens optics designs[J]., 2014, 51(1): 012202.

[12] 于洋, 蹇毅, 潘兆鑫, 等. 紅外二次成像無(wú)熱化光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)測(cè)[J]. 紅外與激光工程, 2013, 42(12): 3180-3184. YU Yang, JIAN Yi, PAN Zhaoxin, et al. Design and test-result of re-imaging athermal infrared optical system[J]., 2013, 42(12): 3180-3184.

[13] 路文文, 郭景陽(yáng), 陳善勇. 鷗翼型非球面元件的白光干涉拼接測(cè)量[J].光學(xué)學(xué)報(bào), 2022, 42(9): 112-122. LU Wenwen, GUO Jingyang, CHEN Shanyong. White light interferometry stitching measurement of gull-wing aspheric optics[J]., 2022, 42(9): 112-122.

[14] 劉豐, 張帆, 邊浩, 等. 折射型紅外微透鏡陣列器件的發(fā)展及制備[J]. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展, 2020, 57(7): 071607. LIU Feng, ZHANG Fan, BIAN Hao, et al. Development and preparation of refractive infrared microlens array device[J]., 2020, 57(7): 071607.

Design of Compact Athermalized Long-Wave Infrared Lens Set with Large Field of View

XIAO Nachuan，SUN Tuo，HU Liyun，ZHAO Yongquan，WANG Shuangbao，XU Zhimou，ZHANG Xueming

(School of Optical and Electronic Information, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

Following the trend of miniaturization and large fields-of-view for infrared lenses, we designed a large-field-of-view athermalized compact long-wave infrared lens using ZEMAX. The system matches a 384×288@17mm uncooled long-wave infrared detector with an operating band of 8mm to 12mm. The F-number of the system is 1.6. The designed system has a larger field-of-view than a traditional infrared lens, with a full field-of-view reaching 72°. The size of the designed system is small with a total length of only 6.96 mm. The primary lens system lens uses only 3 lenses. Aberration correction and athermalization was realized by combining two infrared materials and six aspherical surfaces. The system has a working temperature range of ?40℃ to 60℃. Simulation results show that the MTF of the full field-of-view reaches 0.5 at a spatial frequency of 15lp/mm and 0.15 at a spatial frequency of 30lp/mm. Further, to increase the filling factor of the infrared detector and improve energy efficiency, a microlens array is placed in front of the infrared sensor. Miniaturization of the infrared optical system was achieved, providing a solution for the application of thermal imaging cameras on smartphones.

long-wave infrared, athermalization, large field of view, microlens array

TN216

A

1001-8891(2024)01-0020-07

2022-09-16；

2022-11-23.

肖納川（2002-），男，本科生，主要研究方向?yàn)楣鈱W(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。E-mail: u202014200@hust.edu.cn。

張學(xué)明（1968-），男，講師，主要研究方向?yàn)榧す鉁y(cè)試技術(shù)與光學(xué)設(shè)計(jì)研究。E-mail: optzhang@163.com。

華中科技大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（GD2022031）。