中波红外光学系统被动无热化设计及测试
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(Institute of Optics and Electronics, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610209,China)
Abstract: The change of environment temperature will deeply influence image quality of middle wave infrared(MWIR) optical system. The main factors for declination of the image quality was theoretically analyzed, and the equation of athermal and achromatic simultaneity using different material combination was deduced. A passive athermal optical system was designed by using optical material AMTIR蛳1 and Ge with mechanical material (aluminium) in MWIR. Within 蛳 40 ～60℃ , the image quality could reach diffraction limit and defocus value was in one depth of focus. To evaluate athermal effect of optical system integrated with detector, a platform was established to test MWIR system, and the MWIR system in high temperature chamber was measured. The energy concentration degreeof single pixel in 3 ×3 pixel window was calculated after adopting the digital images output by the detectors. Energy concentration degreeat 60 ℃ will drop to 89.3% of the energy concentration degree at 20℃ .Measurement results show that the optical system has good image quality and athermal effect.
689
T=kc-αh
(6)
式 中 ：k= T1 -T2 ， 公 式 (6) 的 意 义 为 ： 如 果 两 种 材 料 的 c1 -c2
色差和热差系数连线与结构件的负线膨胀系数满足 近似的直线关系，即可同时实现消色差和消热差。 对 于两种以上材料组成的多透镜系统可以按照双透镜 合 成 ，最 终 完 成 系 统 的 设 计 。 常 用 红 外 材 料 在 3~5 μm 波段内的色差和热差系数如表 1 所示。
数 ， nλ 为 中 心 波 长 折 射 率 ；nλ1 -nλ2 为 (λ1-λ2) 波 段 内 折 射率差， 对于由不同材料组成的双分离透镜由公式
(4)可得：
准Σ
Σ Σ
1
+
准
2
=
准
Σ
cΣ
Σ
Σ Σ
1
准
1
+
c2
准
2
=
0
(5)
Σ
Σ Σ Σ
T1
准1
+
T2
准2
Σ Σ Σ
准
=-αh
可解得：
准1 =
-αh -T2 T1 -T2
准=
-c2 c1 -c2
准
准2 =
-αh -T1 T2 -T1
准=
c1 c1 -c2
准
继续推导可得：
T1 =-αh +
T1 -T2 c1 -c2
c1
T2 =-αh +
T1 -T2 c1 -c2
c2
材料的色差系数 c 和热差系数 T 的关系为：
第4期
李 华等：中 波 红 外 光 学 系 统 被 动 无热 化 设计及 测 试
coefficient c
coefficient T
Ge Amtir蛳1
ZnS Si ZnSe
4 . 04 × 10 -3 1 . 78 × 10 -3 4 . 87 × 10 -3 1 . 71 × 10 -3 2 . 86 × 10 -3
1 . 25 × 10 -4 3 . 47 × 10 -5 2 . 79 × 10 -5 7 . 03 × 10 -5 3 . 42 × 10 -5
随温度的移动是探测器温度变形和探测器仓温度变 形二者共同作用的结果，所以，由温度变化导致探测 器 光 敏 面 的 移 动 量 △L 应 等 于 机 械 结 构 的 温 度 变 化 量减去探测器的温度变化量，即：
△L=L1 α1 △t-
(L2 α2 △t+L3 α3 △t+L4 α4 △t)
(7)
探 测 器 仓 材 料 为 铝 合 金 时 ， -40 ~60 ℃ 温 度 变 化 导致探测器光敏面的移动量如表 2 所示。
2 探测器光敏面移动
无热化设计时要考虑温度变化导致探测器光敏面
Length Item/mm
的移动，探测器光敏面的移动主要由两个因素产生： (1) 探测器的温度变形； (2) 机械结构的温度变形带动探测器光敏面移动。 探测器集成后的结构如图 2 所示。 机械结构的温
度变形要带动探测器光敏面整体移动，探测器光敏面
图 2 探测器集成结构图 Fig.2 Structure of detector assembly
第 38 卷第 4 期 Vol.38 No.4
红外与激光工程 Infrared and Laser Engineering
2009 年 8 月 Aug. 2009
中波红外光学系统被动无热化设计及测试
李 华，韩维强，沈忙作
（中国科学院光电技术研究所，四川 成都 610209）
摘 要： 温度变化对红外光学系统的成像质量有很大影响。 根据中波红外光学系统工作环境要求， 分析了导致光学系统成像质量下降的主要因素，推导出同时消热差和消色差的材料组合公式，采用结构 件为铝，光学材料为 AMTIR蛳1 和 Ge 组合消热差，设计了光学被动无热化中波红外光学系统，在-40～60 ℃温度范围内系统成像质量达到衍射极限，离焦量在一倍焦深以内。 为实际考核集成了探测器后中波红 外系统的无热效果，建立了无热化光学系统测试平台，对高温箱内的中波红外系统进行测试，采集探测 器输出的数字图像， 在 3×3 像素窗口内计算单像素的能量集中度，60 ℃时的单像素能量集中度下降到 20 ℃的 89.3%，测试结果表明：系统具有很好的成像质量和无热效果。
表 2 探测器光敏面变化量 Ta.2 Movement of detector focal plane
图 1 红 外 材 料 在 3~5 μm 的 色 差 及 热 差 图 Fig.1 Diagram of chromatic and thermal properties chart
in 3蛳5 μm for infrared materials
表 1 红 外 材 料 在 3~5 μm 的 色 差 和 热 差 系 数 Tab.1 Coefficient of chromatic and thermal aberr蛳
ation in 3蛳5 μm for infrared materials
Material
Chromatic aberration Thermal aberration
Key words: MWIR; Optical design; Athermal design; Thermal test
收 稿 日 期 ：2008-10-14 ； 修 订 日 期 ：2008-11-04 作 者 简 介 ： 李 华(1975-)，男 ，新 疆 奎 屯 人 ，副 研 究 员 ，博 士 ，研 究 方 向 为 光 学 设 计 及 光 学 检 测 。 Email:ioelh@yahoo.com.cn 导 师 简 介 ： 沈 忙 作(1941-)，男 ，浙 江 杭 州 人 ，研 究 员 ，博 士 生 导 师 ，研 究 方 向 为 光 学 工 程 及 图 像 处 理 等 。 Email:mzshen@ioe.ac.cn
由 图 1 可 看 出 ： 中 波 红 外 消 热 差 Ge 和 AMTIR蛳1 两 点 的 连 线 与 结 构 材 料 Al 的 线 膨 胀 系 数 接 近 在 一 条 直 线 上 ， 由 公 式 (6) 可 知 ： 存 在 两 种 材 料 同 时 满 足 消 热 差 和 消 色 差 要 求 的 解 。 将 Ge 和 AMTIR蛳1 组 合 ，可 同 时实现消热差和消色差。
Σk
Σ
Σ Σ
Σ Σ
准i =准
Σi = 1
Σ
Σ
Σ Σ
k
Σ Σ
Σ Σ
ci 准i =0
ຫໍສະໝຸດ Baidu
(4)
ΣΣi = 1
Σ
Σ
Σk
Σ Σ
2
Σ Σ Σ
Ti 准i =-αh L准
Σi = 1
式中：αh 为结构件的线膨胀系数；L 的含义同上；T 为
光 学 材 料 的 热 差 系 数 ，c = △准λ = nλ1 -nλ2 ， 为 色 差 系 准 nλ -1
α α 率温度系数；T=
dn dt n-1
-α
，定义为材料的热差系数，
公 式 (1) 表 明 ： 透 镜 的 光 焦 度 随 温 度 的 变 化 只 与 材 料 有
关而与透镜的形状无关，焦距随温度的变化关系为：
α α df
dt
=f
α-
dn dt n-1
=-Tf
(2)
由此可看出：由于温度变化导致光学系统像面产 生离焦的原因与光学材料的选择有很大关系，对于透 射式红外光学系统，由于红外材料的折射率随温度变 化很大，折射率变化导致光学像面的离焦在红外系统 中 尤 其 显 著 [6-7]， 另 外 ， 由 于 红 外 探 测 器 光 敏 面 会 随 温 度变化产生移动， 导致光学像面与光敏面产生离焦， 引起成像质量下降，所以探测器光敏面的移动是必须 考虑的一个因素。
关键词： 中波红外； 光学设计； 无热化设计； 热测试 中图分类号： TN21 文献标识码：A 文章编号：1007-2276(2009)04-0687-05
Passive athermal design and measurement of MWIR optical system
LI Hua, HAN Wei蛳qiang, SHEN Mang蛳zuo
1 无热化设计原理
透 镜 的 光 焦 度 可 表 示 为 准=c (n-1)，c 为 曲 率 ，n 为透镜材料折射率，光焦度随温度的变化关系为：
d准 dt
=c
dn dt
+
dc dt
(n-1)=
α α 准
dn dt n-1
-α
=T准
(1)
式中：α 为透镜材料的线膨胀系数；dn dt 为材 料 的 折 射
光学无热化设计的目的是通过被动补偿的方法
使光学像面随探测器光敏面的移动而移动，整个系统 不 产 生 离 焦[8]，即 满 足 ：
df dt
=αh L
(3)
式中 ：αh 为 电 子 仓 结 构 件 的 线 膨 胀 系 数 ；L 为 结 构 件 的长度。
根据以上原理， 光学被动无热化光学系统除了应 满足光焦度分配原则和消色差要求以外， 还应满足消 热差要求，由此可建立如下方程：
688
红外与激光工程
第 38 卷
0引言
随着技术的进步， 光学系统的被动无热化技术日 益得到重视和发展， 光学补偿被动无热化技术具有结 构简单、质量轻、无需供电、可靠性高等优点，因而成为 光学系统无热化研究的 热点 。 [1-5] 文中针对透射式中波 红外被动无热化光学系统进行研究， 建立消色差和消 热差方 程组，采用 AMTIR蛳1 和 Ge 组合消热差，给出视 场角 7°， 焦距 88 mm，F/# 数为 2， 工作温度范围-40～ 60 ℃，冷光阑效率 100％，波段范围 3.7～4.8 μm 的透射 式中波红外光学系统的设计结果， 为考核光学系统的 无热化效果， 用计算单像素能量集中度的方法对系统 在高温环境下的成像质量进行实际检测， 检测结果表 明：光学系统在各个温度条 件 下 与 20 ℃相 比 成 像 质 量 变化不大，符合无热化设计的要求。
Abstract: The change of environment temperature will deeply influence image quality of middle wave infrared(MWIR) optical system. The main factors for declination of the image quality was theoretically analyzed, and the equation of athermal and achromatic simultaneity using different material combination was deduced. A passive athermal optical system was designed by using optical material AMTIR蛳1 and Ge with mechanical material (aluminium) in MWIR. Within 蛳 40 ～60℃ , the image quality could reach diffraction limit and defocus value was in one depth of focus. To evaluate athermal effect of optical system integrated with detector, a platform was established to test MWIR system, and the MWIR system in high temperature chamber was measured. The energy concentration degreeof single pixel in 3 ×3 pixel window was calculated after adopting the digital images output by the detectors. Energy concentration degreeat 60 ℃ will drop to 89.3% of the energy concentration degree at 20℃ .Measurement results show that the optical system has good image quality and athermal effect.
689
T=kc-αh
(6)
式 中 ：k= T1 -T2 ， 公 式 (6) 的 意 义 为 ： 如 果 两 种 材 料 的 c1 -c2
色差和热差系数连线与结构件的负线膨胀系数满足 近似的直线关系，即可同时实现消色差和消热差。 对 于两种以上材料组成的多透镜系统可以按照双透镜 合 成 ，最 终 完 成 系 统 的 设 计 。 常 用 红 外 材 料 在 3~5 μm 波段内的色差和热差系数如表 1 所示。
数 ， nλ 为 中 心 波 长 折 射 率 ；nλ1 -nλ2 为 (λ1-λ2) 波 段 内 折 射率差， 对于由不同材料组成的双分离透镜由公式
(4)可得：
准Σ
Σ Σ
1
+
准
2
=
准
Σ
cΣ
Σ
Σ Σ
1
准
1
+
c2
准
2
=
0
(5)
Σ
Σ Σ Σ
T1
准1
+
T2
准2
Σ Σ Σ
准
=-αh
可解得：
准1 =
-αh -T2 T1 -T2
准=
-c2 c1 -c2
准
准2 =
-αh -T1 T2 -T1
准=
c1 c1 -c2
准
继续推导可得：
T1 =-αh +
T1 -T2 c1 -c2
c1
T2 =-αh +
T1 -T2 c1 -c2
c2
材料的色差系数 c 和热差系数 T 的关系为：
第4期
李 华等：中 波 红 外 光 学 系 统 被 动 无热 化 设计及 测 试
coefficient c
coefficient T
Ge Amtir蛳1
ZnS Si ZnSe
4 . 04 × 10 -3 1 . 78 × 10 -3 4 . 87 × 10 -3 1 . 71 × 10 -3 2 . 86 × 10 -3
1 . 25 × 10 -4 3 . 47 × 10 -5 2 . 79 × 10 -5 7 . 03 × 10 -5 3 . 42 × 10 -5
随温度的移动是探测器温度变形和探测器仓温度变 形二者共同作用的结果，所以，由温度变化导致探测 器 光 敏 面 的 移 动 量 △L 应 等 于 机 械 结 构 的 温 度 变 化 量减去探测器的温度变化量，即：
△L=L1 α1 △t-
(L2 α2 △t+L3 α3 △t+L4 α4 △t)
(7)
探 测 器 仓 材 料 为 铝 合 金 时 ， -40 ~60 ℃ 温 度 变 化 导致探测器光敏面的移动量如表 2 所示。
2 探测器光敏面移动
无热化设计时要考虑温度变化导致探测器光敏面
Length Item/mm
的移动，探测器光敏面的移动主要由两个因素产生： (1) 探测器的温度变形； (2) 机械结构的温度变形带动探测器光敏面移动。 探测器集成后的结构如图 2 所示。 机械结构的温
度变形要带动探测器光敏面整体移动，探测器光敏面
图 2 探测器集成结构图 Fig.2 Structure of detector assembly
第 38 卷第 4 期 Vol.38 No.4
红外与激光工程 Infrared and Laser Engineering
2009 年 8 月 Aug. 2009
中波红外光学系统被动无热化设计及测试
李 华，韩维强，沈忙作
（中国科学院光电技术研究所，四川 成都 610209）
摘 要： 温度变化对红外光学系统的成像质量有很大影响。 根据中波红外光学系统工作环境要求， 分析了导致光学系统成像质量下降的主要因素，推导出同时消热差和消色差的材料组合公式，采用结构 件为铝，光学材料为 AMTIR蛳1 和 Ge 组合消热差，设计了光学被动无热化中波红外光学系统，在-40～60 ℃温度范围内系统成像质量达到衍射极限，离焦量在一倍焦深以内。 为实际考核集成了探测器后中波红 外系统的无热效果，建立了无热化光学系统测试平台，对高温箱内的中波红外系统进行测试，采集探测 器输出的数字图像， 在 3×3 像素窗口内计算单像素的能量集中度，60 ℃时的单像素能量集中度下降到 20 ℃的 89.3%，测试结果表明：系统具有很好的成像质量和无热效果。
表 2 探测器光敏面变化量 Ta.2 Movement of detector focal plane
图 1 红 外 材 料 在 3~5 μm 的 色 差 及 热 差 图 Fig.1 Diagram of chromatic and thermal properties chart
in 3蛳5 μm for infrared materials
表 1 红 外 材 料 在 3~5 μm 的 色 差 和 热 差 系 数 Tab.1 Coefficient of chromatic and thermal aberr蛳
ation in 3蛳5 μm for infrared materials
Material
Chromatic aberration Thermal aberration
Key words: MWIR; Optical design; Athermal design; Thermal test
收 稿 日 期 ：2008-10-14 ； 修 订 日 期 ：2008-11-04 作 者 简 介 ： 李 华(1975-)，男 ，新 疆 奎 屯 人 ，副 研 究 员 ，博 士 ，研 究 方 向 为 光 学 设 计 及 光 学 检 测 。 Email:ioelh@yahoo.com.cn 导 师 简 介 ： 沈 忙 作(1941-)，男 ，浙 江 杭 州 人 ，研 究 员 ，博 士 生 导 师 ，研 究 方 向 为 光 学 工 程 及 图 像 处 理 等 。 Email:mzshen@ioe.ac.cn
由 图 1 可 看 出 ： 中 波 红 外 消 热 差 Ge 和 AMTIR蛳1 两 点 的 连 线 与 结 构 材 料 Al 的 线 膨 胀 系 数 接 近 在 一 条 直 线 上 ， 由 公 式 (6) 可 知 ： 存 在 两 种 材 料 同 时 满 足 消 热 差 和 消 色 差 要 求 的 解 。 将 Ge 和 AMTIR蛳1 组 合 ，可 同 时实现消热差和消色差。
Σk
Σ
Σ Σ
Σ Σ
准i =准
Σi = 1
Σ
Σ
Σ Σ
k
Σ Σ
Σ Σ
ci 准i =0
ຫໍສະໝຸດ Baidu
(4)
ΣΣi = 1
Σ
Σ
Σk
Σ Σ
2
Σ Σ Σ
Ti 准i =-αh L准
Σi = 1
式中：αh 为结构件的线膨胀系数；L 的含义同上；T 为
光 学 材 料 的 热 差 系 数 ，c = △准λ = nλ1 -nλ2 ， 为 色 差 系 准 nλ -1
α α 率温度系数；T=
dn dt n-1
-α
，定义为材料的热差系数，
公 式 (1) 表 明 ： 透 镜 的 光 焦 度 随 温 度 的 变 化 只 与 材 料 有
关而与透镜的形状无关，焦距随温度的变化关系为：
α α df
dt
=f
α-
dn dt n-1
=-Tf
(2)
由此可看出：由于温度变化导致光学系统像面产 生离焦的原因与光学材料的选择有很大关系，对于透 射式红外光学系统，由于红外材料的折射率随温度变 化很大，折射率变化导致光学像面的离焦在红外系统 中 尤 其 显 著 [6-7]， 另 外 ， 由 于 红 外 探 测 器 光 敏 面 会 随 温 度变化产生移动， 导致光学像面与光敏面产生离焦， 引起成像质量下降，所以探测器光敏面的移动是必须 考虑的一个因素。
关键词： 中波红外； 光学设计； 无热化设计； 热测试 中图分类号： TN21 文献标识码：A 文章编号：1007-2276(2009)04-0687-05
Passive athermal design and measurement of MWIR optical system
LI Hua, HAN Wei蛳qiang, SHEN Mang蛳zuo
1 无热化设计原理
透 镜 的 光 焦 度 可 表 示 为 准=c (n-1)，c 为 曲 率 ，n 为透镜材料折射率，光焦度随温度的变化关系为：
d准 dt
=c
dn dt
+
dc dt
(n-1)=
α α 准
dn dt n-1
-α
=T准
(1)
式中：α 为透镜材料的线膨胀系数；dn dt 为材 料 的 折 射
光学无热化设计的目的是通过被动补偿的方法
使光学像面随探测器光敏面的移动而移动，整个系统 不 产 生 离 焦[8]，即 满 足 ：
df dt
=αh L
(3)
式中 ：αh 为 电 子 仓 结 构 件 的 线 膨 胀 系 数 ；L 为 结 构 件 的长度。
根据以上原理， 光学被动无热化光学系统除了应 满足光焦度分配原则和消色差要求以外， 还应满足消 热差要求，由此可建立如下方程：
688
红外与激光工程
第 38 卷
0引言
随着技术的进步， 光学系统的被动无热化技术日 益得到重视和发展， 光学补偿被动无热化技术具有结 构简单、质量轻、无需供电、可靠性高等优点，因而成为 光学系统无热化研究的 热点 。 [1-5] 文中针对透射式中波 红外被动无热化光学系统进行研究， 建立消色差和消 热差方 程组，采用 AMTIR蛳1 和 Ge 组合消热差，给出视 场角 7°， 焦距 88 mm，F/# 数为 2， 工作温度范围-40～ 60 ℃，冷光阑效率 100％，波段范围 3.7～4.8 μm 的透射 式中波红外光学系统的设计结果， 为考核光学系统的 无热化效果， 用计算单像素能量集中度的方法对系统 在高温环境下的成像质量进行实际检测， 检测结果表 明：光学系统在各个温度条 件 下 与 20 ℃相 比 成 像 质 量 变化不大，符合无热化设计的要求。