宽谱段红外消热差光学系统设计

第３５卷第３期２０１４年５月应　用　光　学

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　ＯｐｔｉｃｓＶｏｌ．３５Ｎｏ．３

Ｍａｙ　

２０１４文章编号：１００２－２０８２（２０１４）０３－０５１０－

０５收稿日期：２０１３－１０－１２；　修回日期：

２０１３－１１－２８基金项目：国家自然科学基金（６１１０８０４４），吉林省自然科学基金（２０１２１５１３１

）作者简介：付跃刚（１９７２－），男，吉林人，教授，博士生导师，主要从事光学设计及检测技术方面的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：Ｆｕｙｇ

＠ｃｕｓｔ．ｅｄｕ．ｃｎ宽谱段红外消热差光学系统设计

付跃刚，

黄蕴涵，刘智颖（长春理工大学测控分析中心，吉林长春１３００２２

）摘　要：宽谱段红外光学系统可以获取宽谱段的图像信息并增大目标信息获取程度。从红外光学系统的简洁性出发，对红外光学系统进行设计，系统仅由４片球面透镜组成，实现了４．４μｍ～

８．８μｍ波段清晰成像，Ｆ＃为２．６８，达到了１００％的冷光阑效应。采用被动消热差方式通过合理选择镜片材料及公式推导最终实现了各个波段内的消热差，镜筒材料为钛合金，透镜采用硒化锌（ＺｎＳｅ），锗（Ｇｅ）及硫化锌（ＺｎＳ）材料，给出２０ｌｐ／ｍｍ处系统在各个波段在－４０℃～６０℃的工作温度下的调制传递函数（ＭＴＦ），以及各个波段下的光学系统畸变值。实验结果表明：设计的宽谱段红外光学系统结构简单，满足设计要求。关键词：宽谱段；红外；消热差；光学设计

中图分类号：ＴＮ２０２；ＴＨ７０３ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．５７６８／ＪＡＯ２０１４３５．０３０６００１

Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｍｕｌｔｉｓｐｅｃｔｒａｌ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ａｔｈｅｒｍａｌ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｓｙ

ｓｔｅｍＦＵ　Ｙｕｅ－ｇａｎｇ，ＨＵＡＮＧ　Ｙｕｎ－ｈａｎ，ＬＩＵ　Ｚｈｉ－ｙｉｎｇ

（Ｔｅｓｔ，Ｃｏｎｔｒｏｌ＆Ａｎａｌｙｓｉｓ　Ｃｅｎｔｒｅ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　

ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ　１３００２２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｍｕｌｔｉ－ｂａｎｄ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃａｎ　ｔｒａｃｋ　ｔｈｅ　ｂａｎｄ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｓｔｒｅｔｃｈｉｎｇｆｒｏｍ　ｍｉｄ－ｗａｖｅ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｔｏ　ｌｏｎｇ－ｗａｖｅ　ｉｎｆｒａｒｅｄ，ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｇｒｅａｔｌｙ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｃ－ｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ．Ａ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｍｕｌｔｉ－ｂａｎｄ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃｏｍｐｏｓｅｄ　ｏｆ　４ｓｐｈｅｒｉｃａｌ　ｌｅｎｓｅｓ　ｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐａｃｔ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ．Ｉｔ　ｃｏｕｌｄ　ｉｍａｇｅ　ｃｌｅａｒｌｙ　

ａｔ　４．４μｍ～８．８μｍ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ－ｌｙ，ｔｈｅ　Ｆ＃ｗａｓ　２．６８ｗｈｉｃｈ　ｓｔｒｉｃｔｌｙ　ｍａｔｃｈｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｃｏｌｄ　ｌｉｇｈｔ　ｂａｒ　ｓｏ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｃｏｌｄ　ｌｉｇｈｔ　ｂａｒｅｆｆｅｃｔ　ｒｅａｃｈｅｄ　１００％．Ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｕｓｅｄ　ｔｈｅ　ｐａｓｓｉｖｅ　ａｔｈｅｒｍａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｔｏ　ｇｅｔ　ｒｉｄ　ｏｆ　ｔｅｍ－ｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ａｎｄ　ｆｉｎａｌｌｙ　ｒｅａｌｉｚｅｄ　ａｔｈｅｒｍａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｂａｎｄｓｔｈｒｏｕｇｈ　ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｌｅｎｓ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ａｎｄ　ｆｏｒｍｕｌａ　ｄｅｒｉｖａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｔｕｂｅ　ｗａｓ　ｍａｄｅ　ｏｆ　ｔｉｔａｎｉｕｍ　ａｌ－ｌｏｙ，ｔｈｅ　ｌｅｎｓ　ｗａｓ　ｍａｄｅ　ｏｆ　ＺｎＳｅ，Ｇｅｒｍａｎｉｕｍ　ａｎｄ　ＺｎＳ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｔｈｅ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｆｕｎｔｉｏｎ（ＭＴＦ）ａｔ　４０℃ｔｏ　６０℃ｗａｓ　ｇｉｖｅｎ，ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｔｈｅ　ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ　ｏｖｅｒ　ｅｖｅｒｙ　ｗａｖｅｂａｎｄｓ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｓ　ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ　ｓｉｍｐｌｅ，ｗｈｉｃｈ　ｓａｔｉｓｆｉｅｓ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅ－ｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ａ　ｓｔａｎｄａｒｄ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｉｍａｇ

ｅｒ．Ｋｅｙ　

ｗｏｒｄｓ：ｗｉｄｅ　ｂａｎｄ；ｉｎｆｒａｒｅｄ；ａｔｈｅｒｍａｌｉｚａｔｉｏｎ；ｏｐｔｉｃａｌ　ｄｅｓｉｇｎ引言

红外光学系统在现代目标识别与探索领域具有不可替代的作用。跨越连续红外波段探测器的出现，扩大了对不同类型目标的探测能力，这样可

以在不同探测环境下使用同一光学系统对不同目标进行探测、识别。本文设计的宽谱段红外消热差光学系统在红外成像领域具有很大应用前景。

设计的中长波红外消热差光学系统采用法国

应用光学　２０１４，３５（３）　付跃刚，

等：宽谱段红外消热差光学系统设计Ｓｏｆｒａｄｉｒ公司研制的面阵规格为３８４×２８８，像元间距为２μｍ的双色量子阱探测器作为接收器，工作波段为４．４μｍ～８．８μｍ，视场为３°×２．２５°

，Ｆ＃与制冷探测器冷阑匹配为２．６８，焦距为１８３ｍｍ。为了实现可加工性，所有面型皆为球面，通过对透镜形式的合理选择，透镜之间的合理搭配，最终设计的光学系统成像质量良好，环境适应性强。

１　设计思路

一般来说，红外光学系统的波段跨度为μｍ级别，因此，在跨波段范围内玻璃的折射率将会发生相对较大的改变，通常由于折射率的改变会带来像面的改变，而像面要保证成像质量好，必须随之变换。同时，在温度变化下，由于热膨胀的影响，材料的形状将会发生改变，进而光线的偏折发生影响，像面像质都会受到影响。因此如何在温度变化以及波段变化的条件下均保证像面稳定且像质良好，是本设计的一个难点。同时，由于采用了制冷探测器，光学系统光阑置于后方，这样会带来

彗差等轴外像差的问题［

１－

２］，这对像差校正也带来一定的难度。

冷光阑示意图如图１所示。红外光学系统采用制冷光阑作为探测器接受目标时，制冷探测器的冷阑将作为整个光学系统的孔径光阑，起到限

制光束的作用［

３］

。图１　制冷探测器示意图

Ｆｉｇ．１　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｄｉａｇ

ｒａｍ　ｏｆ　ｃｏｏｌｅｄ　ｄｅｔｅｃｔｏｒ采用制冷探测器的光学系统必须考虑冷光阑的匹配问题，如图２所示。从图２可以看出，当光线像方Ｆ数小于冷光阑所对应的Ｆ数时，将会有杂散光进入到探测器的像面上，对成像像质造成负面影响。所以，在使用制冷探测器时，光学系统的像方Ｆ数应严格与冷光阑所对应的Ｆ

数相等［

４］

。光学被动消热差是指在满足系统成像质量要求的同时，利用热膨胀系数之间的差异，合理地分

配光焦度，并使光学系统像面产生的离焦，由镜筒

材料产生的离焦相互补偿［

５－

８］，即：Φ１＋Φ２＋Φ３＋Φ４＝Φ

（１）χ１Φ１＋χ２Φ２＋χ３Φ３＋χ

４Φ４＝αＬＬ（２）Φ１ｖ１　Ｘ＋Φ２ｖ２　Ｘ＋Φ３ｖ３　Ｘ＋Φ４

ｖ４　Ｘ＝０（３）Φ１ｖ１Ｙ＋Φ２ｖ２Ｙ＋Φ３ｖ３Ｙ＋Φ４

ｖ４Ｙ＝０（４）Φ１ｖ１Ｚ＋Φ２ｖ２Ｚ＋Φ３ｖ３Ｚ＋Φ４

ｖ４Ｚ

＝０（５

）图２　冷光阑匹配Ｆｉｇ．２　Ｃｏｌｄ　ｓｈｉｅｌｄ　ｍａｔｃｈｉｎｇ

（１）式中Φｉ（

ｉ＝１～４）表示第ｉ块透镜所具备的光焦度大小，保证整体光焦度。公式（２）中χｉ为各种玻璃材料的热膨胀系数，为保证温度变化下系统不产生离焦，玻璃透镜的热膨胀系数在红外

连续波段内变化很小［

９］，但色差系数变化很大［１０］

。所以，色差应该在各个波段内单独校正。为保证光学系统在各个波段下消除色差，像质保持稳定，

以下公式中ｖｉＸ，ｖｉＹ，ｖｉＺ（ｉ＝１～４）分别代表第ｉ块玻璃在４．４μｍ～５．４μｍ、５．４μｍ～６．４μｍ、６．４μｍ～８．８μｍ各个波段中的色差系数。其表达式如下：

ｖｉＸ＝

ｎｉ

（４．９）－１ｎｉ（４．４）－ｎｉ（５．４）（６）ｖｉＹ＝

ｎｉ（５．９）－

１ｎｉ（５．４）－ｎｉ（６．４）（７）ｖｉ

Ｚ＝ｎｉ

（７．６）－１ｎｉ（６．４）－ｎｉ（８．８）

（８

）（６）式～（８）式中，ｎｉ（ｎｕｍｂｅｒ

）（ｉ＝１～４）为第ｉ块·１１

５·