高速切換緊湊型雙視場無熱化紅外光學系統設計

曲賀盟，張 新

(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所光學系統先進制造技術中國科學院重點實驗室，吉林長春130033)

1 引言

隨著紅外探測技術的快速發展，高分辨紅外成像技術在遙感、導引及導航方面的應用需求不斷增長。對于諸如建筑、橋梁及汽車等自身輻射能量較小的低溫目標探測，長波紅外成像探測具有明顯優勢。但是由于現今探測目標的動態性能越來越高，隱身性能也越來越好，導致傳統紅外探測手段難以滿足針對目標的有效探測和精準跟蹤。因此發展一種大視場短焦距用于搜索目標，小視場長焦距用于判別和精準跟蹤目標，同時在目標搜索和跟蹤過程中，光學系統高速切換，保證在視場切換過程中目標不丟失，且具有良好的環境適應性的雙視場紅外探測技術十分必要［1-3］。

近年來，國內報道了關于紅外成像探測光學系統設計方面的研究，為保證總體空間尺寸的緊湊性，多采用單視場透射或折反射式光學結構形式，由于其本身探測能力有限，對目標的探測和跟蹤有一定的局限，而雙視場的光學系統大多采用凸輪變倍方式，其空間尺寸均較長，變倍速率相對較慢，無法滿足高性能紅外系統的實際使用需求［4-5］。

鑒于上述因素，本文針對目前長波紅外探測光學系統輕小型、高性能、高速視場切換和高環境適應性的要求，采用光學元件切入切出變倍方式，設計了工作波段為7.7～10.3 μm，焦距為28～128 mm，F數為1.67的長波紅外光學系統，光學系統長焦端遠射比達到了1。采用二次成像結構形式，在一次像面處加入視場光闌，有效地提高了光學系統雜散輻射抑制能力;采用電磁閥變倍方式，實現了60 ms的光學系統變倍速度;針對光學系統無熱化要求，采用光學被動消熱差方式，通過不同材料的匹配使系統實現了－40～+50℃的無熱化設計。設計結果在空間頻率20 lp/mm處各視場調制傳遞函數接近衍射極限。在－40～+50℃溫度范圍內成像質量沒有明顯下降。

2 光學系統結構選擇

目前雙視場成像光學系統實現方式主要為光學元件軸向運動變倍形式，如圖1所示。通過在物像共軛點之間移動負組透鏡，改變透鏡間隔實現系統焦距的變化;采用電機帶動變倍組和補償組軸向運動及合理的凸輪曲線設計，實現一個電機帶動兩組元的運動。但采用該種變倍方式需要在光學系統軸向空間上為變倍組和補償組預留較大的運動空間，不利于光學系統的小型化，且變倍組運動速度也相對較慢。另一種是光學元件切換變倍方式，即將光學元件切入和切出光學系統以改變光學系統焦距，如圖2所示。該種方式無需為光學元件在軸向預留較大移動空間，光學元件切換到系統垂軸方向，僅需保證元件的復位精度，以保證系統長短焦的光軸一致性，利于系統小型化，同時配合適當的驅動方式能夠實現系統的大小視場快速切換。因此本文選取該種方式進行雙視場紅外光學系統的設計［6］。

圖1 軸向運動變焦系統結構圖Fig.1 Structure diagram of axial movement optical system

圖2 切換式雙視場光學系統Fig.2 Rotate-zoom dual-FOV optical system

變焦系統基本結構主要由前固定組、變倍組、補償組和后固定組4部分組成，通過變倍組的運動實現系統組合焦距的變化，并通過補償組的運動實現系統焦面位置的固定。由于該種變倍方式需要給變倍組和補償組預留較大的軸向運動空間，因此系統軸向尺寸不可能很短，因此本設計使補償組固定不動，僅變倍組運動，大大縮短了光學系統的軸向尺寸。

由于大多雙視場光學系統置于萬向架上，具有俯仰和方位方向的掃描功能，為了滿足系統掃描角度、較小的轉動慣量和合理的質量分布要求，光學系統的小型化是本設計的關鍵。首先，具有合理的冷闌匹配。為保證較高的成像質量，制冷型光學系統希望達到100%的冷闌匹配，因此在光學系統設計的過程需將系統光闌設置在探測器冷屏處。若采用傳統的一次成像方式，由于系統孔徑光闌距前組鏡片較遠，光學系統前組鏡片會被放大較多，而采用二次成像方式，在滿足冷闌效率的前提下能有效縮小系統的口徑，利于雙視場光學系統的小型化，同時在一次像面處設置視場光闌，能夠有效地抑制紅外光學系統的雜散輻射。其次，通過合理地優化變倍組和前后固定組的光焦度分配使系統小型化。紅外光學系統的設計與可見光有所不同，但可見光變焦方式適用于紅外光學系統，同時可以利用紅外光學材料高折射率和低色散的特點，簡化紅外變焦光學系統結構形式。

3 光學系統設計

3.1 光學系統設計參數

光學系統采用制冷型288×4線陣探測器，像元尺寸為28 μm×25 μm，綜合考慮系統體積、質量及性能方面總體要求，光學系統參數如表1所示。

表1 光學系統參數Tab.1 Parameters of optical system

3.2 光學系統初始結構建立

制冷型紅外光學系統需要100%的冷闌效率，因此，在設計階段需要考慮系統冷闌匹配的問題。對于冷闌匹配系統，由于光闌位于系統后端，為了避免系統前組放大較多，選擇二次成像結構形式，后組二次成像鏡組放大倍率保持在－1倍左右，或者更小，目的是避免放大前組殘留像差。

根據雙視場變焦系統的基礎理論，系統必須滿足物像交換原則。系統確定采用二次成像方式，后組倍率為－1倍，進而確定前組焦距，前固定組、變倍組、后固定組焦距，另外必須保證系統在短焦處前固定組、變倍組及后固定組保持適當間隔，避免變倍過程引起光學元件相互干涉。

設計過程中所有參數為歸一化參數，定義系統短焦焦距為fs，長焦焦距為fl，M為系統變倍比，f'1為前固定組焦距，f'2為變倍組焦距，f'3為后固定組焦距，由于采用切換變倍方式，因此變倍組放大倍率為M，變倍組在短焦處物距及像距為l2s、l'2s，短焦處前固定組和變倍組的間距為 d12s，短焦處變倍組和后固定組間距為d23s，可以得到系統長短焦焦距關系公式為［7-14］:

系統在短焦大視場時變倍組的物像距為:

當紅外雙視場系統對于無窮遠目標成像時，短焦處系統前固定的焦點成為變倍組的物點，規劃系統變倍組和后固定組的最小間隔為d，因此得到前固定組焦距f'1為:

當紅外雙視場系統對于無窮遠目標成像時，長焦處系統焦距為前固定組和后固定組的組合焦距為:

最終根據系統實際焦距進行縮放，縮比為A，得到:

通過以上公式可以得到雙視場紅外光學系統的初始高斯解，最終根據系統實際焦距進行縮放，可以得到設計過程中所需參數。在設計過程中保證系統的入瞳位于光學系統前固定組第一塊鏡片處，從而減小系統口徑，同時增大前固定組光焦度，降低其他元件的口徑，有利于系統小型化。

3.3 光學系統無熱化設計

系統總體指標要求紅外雙視場光學系統工作溫度需要滿足－40～+50℃，由于紅外系統受溫度影響相對可見光敏感，例如單晶鍺材料?n/?t達到396 ×10－6℃－1，而 K9 材料?n/?t僅為2.8 ×10－6℃－1，相差兩個數量級。由于溫度變化導致材料折射率、厚度、面形與空氣間隔同時發生變化，會對系統焦距產生影響，這在無調焦光學系統中將嚴重影響光學系統成像質量。因此在本光學系統設計過程中必須進行無熱化設計［15］。

目前較多采用的無熱化技術手段主要包括3種方式:電子主動補償、機械被動補償和光學被動補償。由于本系統工作環境對光學系統體量存在嚴格要求，因此為了滿足系統的小型化，高可靠性等要求，對光學系統選擇光學被動補償方案進行無熱化設計［16］。

光學被動補償方式是通過光學材料?n/?t的相互匹配，配合光學元件和機械元件的熱脹系數，以達到各因素影響相互補償，使光學系統在溫度變化時保證成像質量。目前應用于紅外長波的光學材料其光學特性與熱特性如表2所示。其中αg為膨脹系數，?n/?t為折射率溫度變化系數，V為色散系數［17］。

表2 長波紅外透鏡材料光學特性及熱特性Tab.2 Optical and thermal properties of long infrared material available

光學系統設計過程中實現無熱化設計，必須滿足系統的消熱差、消色差和光焦度的要求。

由于光學元件的色散引起光學系統不同譜段光焦度變化為［18-21］:

式中，hi為第一近軸光線在透鏡上的入射高度，Φi為透鏡光焦度，ωi為透鏡色散因子。

由于光學元件溫度變化引起的光學系統焦距變化為:

式中:χi為歸一化熱差系統，xi=dn/(n －1)－αgi。αgi為透鏡的線脹系數。

為了滿足系統的無熱化設計，光學系統光焦度滿足:

式中，αm為系統結構元件材料的線脹系數，L為系統結構件長度。光學系統被動無熱化設計必須滿足式(14)、(15)和(16)。通過上述計算可以得到滿足光學系統無熱化要求的系統近軸關系，通過鏡筒材料與透射元件的材料匹配得到滿足系統無熱化要求的光學系統初始結構。

4 光學系統設計

4.1 設計結果

由于總體對光學系統尺寸嚴格限制，系統前固定組采用折射率較大的Ge透鏡，同時為了減小其引入像差，在內表面加入非球面設計。變倍組和二次成像鏡組單獨設計，變倍組變倍比為4.6，優化時控制變倍組口徑。二次成像鏡組焦距為9.9 mm，光學系統孔徑光闌位于探測器冷闌位置，系統入瞳位于前固定組。

為了滿足系統無熱化設計和消色差，系統采用了Ge和ZnSe兩種材。前固定組采用一片高折射率低色散的Ge材料單透鏡，目的是增加前固定組光焦度，減小后組口徑;變倍組選擇兩片透鏡，均為折射率較高Ge材料，第一片為負透鏡，第二片為正透鏡，光焦度正負分離以校正前固定組殘留較大像差;后固定組采用單透鏡，材料為Ge，規劃為負光焦度，雖然相比于選擇ZnSe在色差校正方面相對較差，但是在無熱化過程中為保證一次成像鏡組在溫度變化時的光焦度，負光焦度Ge材料更具優勢。二次成像鏡組采用3片透鏡，分別為Ge、ZnSe和Ge，用以補償前組剩余的高級像差。其中ZnSe以其較小的阿貝數和?n/?t起到校正系統色差和平衡熱差的作用。系統采用2個非球面，分別位于透鏡1后表面和透鏡4前表面，非球面的加入是為了校正系統球差和像散，以提高光學系統整體成像質量。系統鏡筒選擇三段式，前、后組鏡筒為線脹系數較大的鋁合金材料，目的是保證在溫度變化時系統前、后組焦距變化量較小;前、后鏡筒中間連接段選擇線脹系數較小的鈦合金材料，目的是保證在溫度變化時前組焦距變化對后組的物距影響最小，進而實現系統的無熱化設計。系統總體長度為128 mm，經過光學設計軟件對光學系統進行反復優化，得到最優的設計結果如圖3所示。

圖3 光學系統結構圖Fig.3 Configuration of optical system

4.2 變倍驅動方式

系統變倍組圍繞規劃的回轉中心轉動切入/切出成像光路，以實現系統組合焦距的變化。在變倍組機械限位的兩個位置分別設置電磁閥，并在變倍鏡筒兩側設置電磁鐵，如圖4所示，系統初始段短焦位置電磁閥工作，保證光學系統位于大視場搜索模式;系統發現目標，長焦端電磁閥工作，將變倍組兩塊鏡片瞬間切出系統光路，系統變為長焦小視場工作模式，對目標進行精準跟蹤。長短焦切換速度達到60 ms以內，保證在視場切換過程中，目標不丟失。

圖4 系統切換方式Fig.4 Rotate-zoom mode of optical system

4.3 像質評價

4.3.1 調制傳遞函數

系統選擇探測器為28 μm×25 μm，特征頻率為20 lp/mm。系統在－40、20、50℃調制傳遞函數如圖5、圖6、圖7所示。

圖5 －40℃光學系統調制函數曲線Fig.5 MTF curves at －40 ℃

圖5至圖7展示了光學系統大小視場不同溫度的調制傳遞函數，可以看出不同溫度下光學系統傳遞函數接近衍射極限，因此可以證明光學系統在－40～50℃溫度范圍內實現了無熱化設計。

圖6 20℃光學系統調制函數曲線Fig.6 MTF curves at 20 ℃

圖7 50℃光學系統調制函數曲線Fig.7 MTF curves at 50 ℃

4.3.2 像散與畸變

光學系統大小視場像散與畸變曲線如圖8所示，從圖中可以看出系統大視場畸變小于3%，小視場畸變小于5%，滿足系統指標要求。

圖8 光學系統像散畸變曲線Fig.8 Optical system astigmatism and distortion curves

4.2.3 能量集中度

紅外雙視場光學系統大小視場能量集中度曲線如圖9所示，探測器單像元內能量集中度為68%，滿足使用需求。

圖9 光學系統能量集中度Fig.9 Curves of energy distribution

5 結論

本文基于288×4紅外長波制冷探測器設計了一種緊湊型無熱化雙視場紅外光學系統，實現了遠射比1，F數1.67。通過光學元件切換變倍方式，配合電磁閥切換機構，實現了60 ms的系統變倍速率，同時采用光學被動補償方式，在不增大系統體量的前提下，實現了－40～+50℃溫度范圍內的光學系統無熱化設計。設計結果表明:光學系統大小視場成像質量接近衍射極限，在－40～+50℃溫度范圍內成像質量無明顯變化，滿足總體指標要求。

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