硫系玻璃在現代紅外熱成像系統中的應用

白 瑜 ，廖志遠，李 華，程習敏，3，邢廷文，蔣亞東

(1.中國科學院 光電技術研究所，四川成都610209;

2.電子科技大學 光電信息學院，四川成都610054;

3.中國科學院大學，北京100049)

1 引言

隨著溫度的變化，紅外熱成像探測系統的曲率半徑、元件厚度、元件間隔、非球面系數、光學材料折射率都會發生相應的改變，同時紅外探測器的光敏面也隨溫度的變化而漂移，導致紅外熱成像探測系統的像面離焦，系統無法正常工作，因此，熱補償和熱設計是紅外熱成像探測系統的關鍵技術之一。對于紅外熱成像探測系統的熱設計，目前報道的文獻中大多采用基于衍射光學元件特殊的熱特性［1-6］，在系統中引入衍射光學元件和折射光學元件構成折射/衍射混合系統來完成熱設計，但在實際工程應用時衍射面的衍射效率不高，產生的雜散光降低系統對比度和信噪比，進而影響紅外熱成像探測系統的探測性能。

相比可見光玻璃而言，紅外玻璃的折射率溫度系數dn/dT都較大，因此紅外熱成像探測系統的熱離焦更嚴重。機械主動式消熱差方法和機械被動式消熱差方法因使用了笨重的機械設備，導致了系統重量變重，成本增加。光學被動式消熱差方法只須通過光學件和機械件的恰當匹配即可實現無熱化探測，該類方法具有結構簡單、重量輕、無需調節任何器件自動消熱差、像面穩定等優點，因此是目前最受關注的消熱差方法。而光學被動式消熱差方法的核心是具有低折射率溫度系數的紅外玻璃，而目前傳統紅外玻璃的折射率溫度系數都較大，引起的熱離焦較大。

新型低折射率溫度系數紅外玻璃的長足發展為紅外熱成像探測系統實現良好的熱設計提供了新的契機。本文分析了硫系玻璃和其他傳統紅外玻璃的優勢，建立了溫度變化時，紅外熱成像探測系統中各個參數隨溫度變化的數學模型。基于硫系玻璃折射率溫度系數小、成本低的優點，在紅外熱成像探測系統中，利用硫系玻璃代替其他傳統紅外玻璃，可有效減小紅外熱成像探測系統的熱離焦量，降低紅外熱成像探測系統消熱差設計的難度。

2 硫系玻璃

硫系玻璃是以硫族元素為主，同時混合含有Ge、Si、As、Sb 等其它金屬元素的一種紅外玻璃［7-8］。與傳統紅外玻璃鍺相比，硫系玻璃中鍺含量較少，因此硫系玻璃的成本更低，更適合于低成本、批量化的紅外熱成像探測系統的生產。

在長波紅外波段，鍺是最常使用的光學玻璃，但對于有消色差要求的長波紅外系統，在光學玻璃的選擇上受到很大的限制，硒化鋅的價格太昂貴，硫化鋅在長波紅外的透過率不高。在長波紅外波段，硫系玻璃的色散特性與硒化鋅接近，因此可應用硫系玻璃和鍺兩種光學玻璃實現長波紅外波段的消色差設計［9-10］。傳統的鍺玻璃的折射率溫度系數為3.96×10－4/℃，而硫系玻璃AMTIR的折射率溫度系數為7.7×10－5/℃，因此，在紅外熱成像探測系統中使用硫系玻璃引起的熱離焦量會更小，硫系玻璃對于紅外熱成像探測系統的消熱差設計效果更佳。尤其對于目前廣泛應用于小區監控的大視場短焦距紅外鏡頭，因環境溫度變化范圍不大，因此在該類系統中使用硫系玻璃甚至無需進行消熱差就可取得良好的成像性能。

對于傳統的紅外玻璃(如硅)必須采用傳統的生產工藝，先粗磨，再精磨，然后拋光進行加工。鍺、硫化鋅、硒化鋅等紅外玻璃可利用單點金剛石車床車削加工，這些加工手段不利于低成本、批量化的生產。硫系玻璃具有較低的轉變溫度，可采用精密模壓成型制備來加工制作，大大降低了其生產加工成本，節約了加工時間，對于應用于小區監控的大視場短焦距紅外鏡頭的低成本、批量化的生產，降低小區業主的生活成本具有很大的應用前景。

3 系統參數隨溫度變化分析

隨著環境溫度的變化，紅外熱成像探測系統的曲率半徑、元件厚度、元件間隔、非球面系數、光學材料折射率等參數都會發生相應的改變，導致紅外熱成像探測系統的像面離焦超過系統焦深，系統無法正常使用。

以下將給出這些參數隨環境溫度變化的函數關系:

(1)曲率半徑:

式中，R(T)、R(20)為溫度T℃、20℃時的曲率半徑，αg為光學材料的線膨脹系數。

(2)玻璃厚度:

式中，TG(T)、TG(20)為溫度T℃、20℃時的玻璃厚度。

(3)空氣間隔:

式中，Ti(T)、Ti(20)為溫度T℃、20℃時的空氣間隔，αm為機械材料的線膨脹系數。

(4)玻璃折射率:

式中，n(T)為溫度T℃時的玻璃折射率，nλ為20℃時光學材料在波長λ處的折射率，dn/dT為光學材料的折射率溫度系數。

(5)非球面系數:

式中，K(T)、A(T)、B(T)、C(T)、D(T)、E(T)為溫度T℃時的非球面系數，分別對應二次系數，4次項系數，6次項系數，8次項系數，10次項系數，12次項系數，K(20)、A(20)、B(20)、C(20)、D(20)、E(20)為常溫20℃時非球面的各項系數。

與其同時，熱設計分析時還必須考慮紅外探測器光敏面隨溫度變化而產生的漂移量。

4 技術指標

紅外鏡頭的主要技術指標如下所示:

(1)工作波段:3.7 ～4.8 μm;

(2)焦距:109.7 mm;

(2)F數:2.0;

(3)視場:6.4°;

(4)探測器陣列:320×256;

(5)像元大小:30 μm ×30 μm;

(6)工作溫度范圍:－40～60℃。

5 設計分析與結果

目前紅外熱成像探測系統的熱設計方法主要有機械主動式、機械被動式、光學被動式3種。機械主動式熱設計方法和機械被動式熱設計方法都需要增加機械設備驅動機械件和光學件來補償溫度變化引起的像面漂移，因此這兩種方法結構笨重，成本較高，使用不方便。

光學被動式熱設計方法是通過選擇合適的光學材料，合理分配各個光學元件的光焦度，選擇合適的反射鏡材料和機械鏡筒、隔圈材料，使得整個紅外探測成像系統的光學像面和紅外探測器光敏面的漂移量在系統一倍焦深之內。該方法結構簡單、重量輕、無需增加其他機構就可自動保證像面穩定，是目前最經常使用的熱設計方法，因此本文選用光學被動式熱設計方法。

光學系統的結構形式主要有3種，即折射式、反射式、折反射。反射式結構沒有色差，對于寬光譜系統很有優勢，該結構視場角較小，且加工、檢測、裝配難度較大，不利于批量化生產。折反射結構中主鏡、次鏡的間隔公差較緊，裝配公差較嚴，且為了保證優良的成像質量，主鏡多采用高次非球面，主鏡檢測難度較大，也不利于批量化生產。折射式結構是最為常用的結構形式，其公差寬松，光學元件可批量化生產，因此本文選用折射式結構。

光學被動式熱設計方法的思路是首先根據技術指標、像質要求優化設計出滿足要求的常溫鏡頭，而后將系統等效視為一個變焦系統，根據第2節中的數學關系，分別建立低溫、高溫和常溫時光學元件的曲率半徑、厚度、通光口徑、非球面系數、光學玻璃折射率、光學元件間隔的函數關系，將常溫、低溫、高溫等效看作變焦系統的短焦、中焦、長焦3個位置。

編寫自定義優化程序，對多重變焦系統進行優化，為了減小溫度變化引起光學鏡片參數變化導致的像面漂移，系統中應多用折射率溫度系數小的硫系玻璃，最終優化得到的系統結構如圖1所示。系統由2組6片透鏡組成，采用4片硫系玻璃，1片鍺玻璃，1片硫化鋅玻璃，鏡筒采用鋁合金。前組為2片透鏡，承擔了主要光焦度，后組為4片透鏡，用于將一次像面的像放大成像在探測器靶面上，同時起到平衡系統剩余像差和保證不同溫度時像面齊焦的作用。因系統使用制冷型紅外探測器，因此系統光闌須和紅外探測器冷光闌匹配，為減小前組口徑并滿足冷屏匹配，通過在前組和后組之間成一次像，再經后組成像到紅外探測器靶面上。為了更好的校正像差，后組必須選取合適的放大倍率，后組放大倍率的選取和前組的光焦度有關。為了平衡軸外像差，系統在鍺鏡和硫化鋅鏡上分別采用了1個非球面，其余都為球面。

圖1 光學系統結構圖Fig.1 Schematic diagram of optical system

經過計算評估，低溫、高溫時像面和紅外測測器光敏面的漂移量分別為 －0.012mm、0.008 6 mm，高低溫時像面和紅外探測器光敏面的漂移量的變化量為0.020 6 mm。

光學系統焦深計算公式為:

式中，δ為系統焦深，λ為中心波長，計算可得該紅外探測成像系統的焦深為0.033 6 mm，高低溫時整個紅外探測成像系統的光學像面和紅外探測器光敏面的漂移量在系統一倍焦深之內。

6 像質評價

6.1 傳遞函數

圖2給出了該系統的傳遞函數曲線(Modulation Transfer Function，MTF)，其中，(a)、(b)、(c)分別為20℃、－40℃、60℃溫度時的MTF。由圖

圖2 傳遞函數曲線Fig.2 MTF curves

可知，奈奎斯特頻率16 lp/mm處，20℃、－40℃、60℃的傳遞函數值均接近衍射極限，溫度對系統的MTF的影響很小。

6.2 能量集中度

圖3給出了系統在探測器一個像元內20℃、－40℃、60℃溫度時的能量集中度曲線，20℃、－40℃、60℃不同溫度時的80%能量都集中在探測器一個像元內，滿足使用要求。

圖3 能量集中度曲線Fig.3 Encircled energy curves

6.3 點列圖

圖4給出了系統20℃、－40℃、60℃時的點列圖，由圖可知，20℃、－40℃、60℃時各視場的RMS彌散斑直徑均小于30 μm，小于探測器的一個像元，成像質量良好。

圖4 點列圖Fig.4 Spot diagrams

7 結論

熱設計是紅外熱成像探測系統的核心技術之一，本文介紹了硫系紅外玻璃的組成成分以及和其他傳統紅外玻璃相比的優勢之處，建立了紅外熱成像探測系統中各個參數和溫度之間的數學模型，將硫系紅外玻璃應用于紅外熱成像探測系統，設計了一套折射式的紅外消熱差探測成像系統，系統擁有109.7 mm焦距，6.4°視場，100%冷光闌效率的性能指標，評價結果表明，該系統在低溫－40℃、常溫20℃、高溫60℃都取得了良好的成像質量，適用于像元數320×256，像元尺寸為30 μm的中波紅外凝視型焦平面陣列探測器。

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