宽谱段红外消热差光学系统设计
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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·