大孔径_大视场辅助驾驶仪红外镜头无热化设计_孙爱平

Athermal Design of a Large-aperture, Wide-field Assisting Pilot Infrared Lens
SUN Ai-ping，GONG Yang-yun，CHEN Zhong，AN Chang-liang，PI Dong-ming， TIE Xiao-ying，YANG Bi-chun
2.1 无热化设计指标 本文辅助驾驶红外镜头所采用的非制冷长波红 外探测器分辨率为 640×512。考虑到驾驶的舒适性 和安全性，要求视场比较大。为了得到比较清晰的 路况图像，采用比较大的相对孔径。此红外镜头的 主要设计指标如表 2 所示。
表2 Table 2 工作波段 焦距 F/# 视场 探测器规格 像元尺寸 工作温度 消热类型 系统设计参数 System design parameters 8～12 μm 16.5 mm 0.8 36.5×27.8（ 对角 44.8） 非制冷 640×512 17 m×17 μm －40℃～60℃ 光学被动式
第 35 卷 第 10 期 2013 年 10 月
红 外 技 术 Infrared Technology
Vol.35 No.10 Oct. 2013
大孔径、大视场辅助驾驶仪红外镜头无热化设计
孙爱平，龚杨云，陈 忠，安长亮，皮冬明，铁筱滢，杨毕春
（北方夜视科技集团有限公司，云南 昆明 650223）
摘要：论述了无热化设计的种类和光学被动式无热化设计的基本原理。使用光学被动式无热化设计方 案，设计了一款工作波段为 8～12 m、焦距 f＝16.5 mm、F#＝0.8、视场为 36.5×27.8的大孔径、 大视场辅助驾驶无热化红外镜头。此镜头体积小、重量轻、结构简单，适用于辅助驾驶系统。此红外 镜头在－40℃～60℃的工作温度范围内，无需调焦，能自动消除热差影响，始终保证成像清晰。经过 寒区（低温）试验，满足无热化设计的需要。 关键词：无热化设计；大孔径红外镜头；大视场红外镜头；辅助驾驶仪；光学被动式 中图分类号：TN216 文献标识码：A 文章编号：1001-8891(2013)10-0617-06
1 n n 1 T
(5)
1
光学被动式无热化设计基本原理
光学元件的消色差系数表示为： 1 d 1 n d n 1 T
(6)
1.1 光学元件的温度特性 一个光学被动式无热化系统包括透射元件、反 射元件及衍射元件，其中反射元件可以看作特殊的 透射元件。 光学元件的温度特性用光热膨胀系数f 表示， 定义为单位温度变化引起的光焦度变化： 1 d 1 df f (1) dT f dT 光学元件的色散特性用消色差系数表示，定义 为单位波长变化引起的光焦度变化： 1 d (2) d 首先分析透射元件的温度特性。理想单个薄透 镜的光焦度公式为：
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孙爱平等： 大孔径、 大视场辅助驾驶仪红外镜头无热化设计
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把(12)式代入(11)式， 可得衍射元件的等效折率： 2 r r (13) n 1 2 1 2 R1 r2 r1 由(13)式可推导出衍射元件的等效阿贝数mi[6]：
表1
红外光学材料的光学特性和热特性 材料 Si Ge ZnS ZnSe IG5 IG6 参考波长/μm 4 10 10 10 10.6 10.6 折射率 3.4253 4.0032 2.1986 2.4065 2.6051 2.7777
Table 1
/(10－6/K)
2.56 5.8 6.6 8.54 14 21.2
收稿日期：2013-04-15；修订日期：2013-06-26. 作者简介：孙爱平（1980-），男，山东莘县人，硕士，研究方向为红外光学系统设计。E-mail：50973525@。
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对于衍射元件，它的焦距由环带半径的位置所 决定[5]，即： (7) fm＝Rm2/(2m) 式中：Rm 表示第 m 个环带的径向半径；为工作波 长。 环带半径 Rm 与温度 T 的关系可表示为： (8) Rm(T)＝Rm(1＋gT) 令衍射元件焦距对温度求导，由(1)、(7)、(8)式 可得衍射元件的光热膨胀系数f,T： f,T＝2g (9) 与波长相关的理想薄透镜光焦度公式为：
(North Night Vision Science and Technology Group Co., Ltd., Kunming 650223, China)
Abstract：This paper discusses the types of athermal design and the basic principle of optical passive athermal design. By the optical passive athermal design program, a large-aperture, wide-field assisting pilot athermal infrared lens is designed with bandwidth of 8～12 m, focal length f＝16.5 mm, F#＝0.8, and the field of view 36.5×27.8. This type of lens is characterized by small volume, light weight and simple structure which is suitable for assisting pilot system. In addition, there is no necessity to focus the infrared lens under the operating temperature range of －40℃～60℃, because it can automatically eliminate the impact of thermal difference and always guarantee the clear image. Besides, it can meet the needs of athermal design through the cold region（low-temperature）test. Key words：athermal design，large-aperture infrared lens，wide-field infrared lens，assisting pilot，optical passive m、3～4 m、4.5～5 m 以及 8～14 m。透射这些 波段的红外材料品种较少，并且热学性能较差。常 用的红外材料为 Si、Ge、ZnS、ZnSe、IG5 及 IG6， 其热学性能见表 1。 红外辅助驾驶系统应用环境温度 变化较大，需要加入温度补偿环节，保证红外系统 始终处于最佳成像状态，因此红外辅助驾驶系统需 要进行无热化设计。 红外系统无热化设计方案包括以下几种：机械 被动式、机械主动（电子）式、光学被动式、光机 混合式、 主动被动混合机械式[2]。 其中， 机械被动式， [3] 机械主动式及光学被动式较为常见 。 在进行无热化 设计时，需要考虑到红外透镜元件的折射率、半径 及厚度随温度的变化，以及镜筒材料随温度的热胀
Optical and thermal properties of infrared material 折射率温度系数 dn/dt/(10－6/K) 51 400 43.3 100 70 41 热膨胀系数
式中：n 为透镜材料折射率；r1、r2 为透射元件前后 表面的曲率半径。令光焦度对温度求导可得：
0
引言
随着科学技术的不断进步，红外系统的核心器 件——红外探测器的性能越来越高，相对价格逐渐 降低。红外系统设计和红外元件加工水平越来越成 熟，使得红外系统的应用范围越来越广，逐渐由军 品领域向民用领域扩展。近年来，驾驶员红外辅助 驾驶系统成为一个热门话点。红外辅助驾驶系统， 能避免夜间迎面行驶车辆耀眼车灯的照射而导致暂 时性的视觉盲区，它同时能够为驾驶员在浓烟、灰 尘、大雾及雨雪等不良天气中提供良好的视野，提 高驾驶的安全性和舒适性[1]。 大气对红外系统开设的“大气窗口”有 2～2.5
1 j hii h1 i 1
消色差要求：
(16)
Δf bT (
1 2 j 2 ) hi ii 0 h1 i 1
(17)
消热差要求：
j j f bT 1 ( ) 2 hi2 ii i L T h1 i 1 i 1
(18)
式中： hi 为各个透镜组近轴光线投射高； i 为各个透 镜组的光焦度；i 为各个透镜组的消色差系数；i 为各个镜头组的消热差系数； 这个无热化系统的光 焦度；i 为各部分镜筒材料的线膨胀系数；Li 为各
部分镜筒的长度。
2
无热化设计
mi
nmiddle 1 middle nshort nlong short long

(14)
式中： long 为设计波长上限； middle 为设计中心波长； short 为设计波长下限。 透镜元件等效阿贝数为： n 1 middle (15) nshort nlong 式中：nlong 为设计波长上限折射率；nmiddle 为设计中 心波长折射率；nshort 为设计波长下限折射率。 根据式(5)和(9)可知，透射元件的温度特性由材 料的线膨胀系数和材料的折射率随温度的变化所决 定的；衍射元件的温度特性只有材料的线膨胀系数 所决定。 红外材料的折射率随温度的改变量
n 1
1 1 r1 r2
(10)
1 1 1 n 1 f' r1 r2
(3)
可得出相对于某一波长的透镜元件折射率为： rr n ( ) 1 1 2 (11) r2 r1 衍射元件焦距与其所对应的衍射级次相关，在 光学设计过程中一般衍射级次取 m＝1，相应衍射元 件的光焦度为： 1 ＝ 2 / R 1 2 (12)
1 1 dr 1 1 n T r1 r2 T r1 r2 dT
(4)
1 1 dr 式中： g ，g 为透镜材料的线膨胀系 r1 r2 dT
数。 则光学元件的光热膨胀系数f,r 表示为：
f ,r g
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冷缩的影响。透镜元件和镜筒材料随温度变化对红 外成像系统所产生的累积影响是红外系统的焦面发 生位移，使得成像不清晰。无热化设计的目的使焦 面位移量在一个焦深以内。根据瑞利判据，当焦面 位移量小于一个系统焦深时，实际波面与参考波面 的最大波像差不超过 1/4 波长， 此波面可看作是无缺 陷的，可达到一个比较理想的成像效果，据此可实 现无热化设计的目的[4]。 本文采用光学被动式无热化设计方案，设计了 一款大孔径、大视场的长波非制冷辅助驾驶红外镜 头。
n 非常 T
大，以至于透射元件的光热膨胀系数f,r 为负值；而 衍射元件的光热膨胀系数f,T 始终为正值。二者符号 相反，它们所组成的光学系统可以补偿温度变化所 引起的像面位移[1]。 透镜元件材料短波方向折射率大 于长波方向折射率，且折射率大于真空折射率，则 由式(15)可得到透镜元件的等效阿贝数恒大于零。 由 式(14)可得到衍射元件的等效阿贝数恒小于零。 故衍 射元件负色散特性可以校正整个无热化系统的色差， 改善成像质量。 1.2 满足无热化设计的条件 光学被动式无热化系统必须满足以下 3 个方程[7-9]： 光焦度分配要求：