小視場紅外探頭光學系統理論分析與設計

張曉朋，張國玉，2，陳占芳，宋可平，張宇

(1.長春理工大學，長春 130022；2.光電測控與光信息傳輸技術教育部重點實驗室，長春 130022；3.清華大學 精密儀器與機械學系，北京 100084)

小視場紅外探頭是用來標定地球模擬器張角大小的關鍵部件。而小視場紅外光學系統是其主要組成部分。在地球張角標定中，當采用一束細光線進行測量時，得到的地球波是矩形波，這時測試用的探頭視場應是一個點，而這在工程上是不可能實現的。從地球模擬器張角標定的需要出發，希望紅外探頭的視場角越小越好，但是視場角變小，會使張角標定設備的信噪比降低，當采用具有一定大小視場的探頭進行測試時，得到的地球波是一梯形波，斜邊的寬度反比于視場的大小，由此又會帶來測量誤差。為減小測量誤差，要求測試用探頭的視場應足夠小，且探頭要有較高的信噪比，否則探頭的噪聲會影響測試精度。

1 小視場紅外探頭設計要求

由于小視場紅外光學系統是用于對地球模擬器進行性能標定，視場角的大小必將影響標定精度，所以在設計中必須重點考慮。對紅外光學系統來說，熱敏電阻紅外探測元件必須安放在它的像面上。眾所周知，熱敏電阻元件是個能量轉換器件，從這一點來考慮，該元件必須設計在彌散斑最小的位置上，在視場內光線要100%的到達熱敏電阻的敏感面，以接收目標發出的盡可能集中的光能。

(1)設計主要技術指標：

焦距f'=200～240mm；

熱敏電阻敏感面尺寸0.13mm×0.13mm；

(2)物鏡的外形尺寸：

鏡筒長L=250～270mm。

2 紅外光學系統設計

如圖1所示，小視場紅外光學系統由物鏡(彎月鏡)、浸沒透鏡和熱敏電阻紅外探測器及光闌組成[1]。

圖1 小視場紅外光學系統Fig.1 Infrared Optical System for Small Field

光學系統的結構設計是保證光學設計的主要技術指標達到設計要求的有效手段。為提高結構的設計精度，在設計中首先考慮彎月鏡和紅外探測器在鏡筒中的定位面和基準面的垂直度和同軸度，選擇合理的公差配合，保證了光軸和機械軸的一致；第二，設計時加入了消雜散光光闌，有效防止視場以外的無效光線和光學系統鏡筒內壁的反射光線進入熱敏電阻紅外探測器；第三，設計了調焦墊圈，使熱敏電阻紅外探測器安裝在彎月鏡的焦平面上，提高安裝精度。

2.1 彎月鏡設計

彎月鏡是主光學系統，它對性能和結構起主要作用，所以在設計中重點考慮紅外光學系統的光學效率，并通過光路計算進行調整，得到最佳方案。

從減低光學零件的吸收來設計彎月鍺透鏡的中心厚度。由于鍺的吸收與波長和厚度有關，波長越長，吸收越大;厚度增加，吸收也增加，鍺透鏡的吸收率和透射率公式：

從有關光學儀器設計資料可知，正透鏡的中心厚度d與直徑D之比應取1/15～1/10，由于透鏡曲率半徑 r1和 r2較大，透鏡邊緣也較厚，取 d/D=1/12.5，在本光學系統的設計中，取彎月鍺透鏡的中心厚度d=2mm。

2.2 浸沒透鏡設計

浸沒透鏡使用在會聚光路中，相對于主光學系統的位置及曲面半徑大小對主光學系統的像差和結構都有一定的影響。設計浸沒透鏡時應使u'達到最大，使像面中心獲得最大照度，這樣使用超半球透鏡可以顯著的縮小探測器敏感面的面積，提高探測器的信噪比和浸沒增益，這對設計小視場紅外光學系統尤其重要。然后以視場角2為出發點進行光線追跡，調整參數，根據超半球浸沒透鏡的物象共軛關系來設計，確定最佳位置。

圖2 小視場紅外探頭光學系統光路圖Fig.2 Optical Path in Infrared Probe Optical System for Small Field

2.3 光路計算

為了在限制條件下設計出比較理想的小視場紅外探頭組合件，決定適當增加焦距，使F數也略有增加，達到盡可能減小視場角的目的，所以在設計中采用f'=236.709mm，使F數達到0.986滿足了對超半球浸沒透鏡系統的要求。在設計中充分考慮了球差及彌散斑的大小；考慮光學加工工藝允許條件下減小光學零件的厚度，達到提高光學系統的光學效率。小視場紅外探頭光學系統的像差曲線及點列圖如圖3-圖5所示。

圖3 小視場紅外探頭光學系統場曲和畸變像差曲線Fig.3 Field distortion and aberration curve in infrared probe optical system for small field

圖4 小視場紅外探頭光學系統軸外點像差曲線Fig.4 Off-axis aberration curve in infrared probe optical system for small field

圖5 小視場紅外探頭光學系統點列圖Fig.5 Spot diagram in Infrared probe optical system for small field

從以上像差曲線及點列圖可以得出，該設計彌散斑較小，光能分布均勻，設計的小視場紅外探頭光學系統像差小、像質好，設計指標達到要求。

3 結論

根據以上分析及系統測試結果可知，本文采用超半球浸沒透鏡的設計方法研制出視場較小、符合實際工程應用的小視場紅外探頭，并設計出了比較理想的小視場光學系統，滿足了張角標定要求。

[1]黃心耕.小視場紅外光學系統設計[M].航天控制，2004，22(5)：85-92.

[2]張國玉，張帆，徐熙平，等.小型準直式紅外地球模擬器研究[J].儀器儀表學報，2007，28：545-549.