大相對孔徑非制冷紅外光學系統無熱化設計

林琳等

摘要： 針對當前軍工紅外成像儀器小型化及寬溫度適應性的需要，采用光學被動式無熱化方法對8～12 μm波段設計了一款鏡頭。該鏡頭F數為1、焦距為40 mm、視場為16.8°、溫度適應范圍為-40～65 ℃。設計結果顯示，在要求的溫度范圍內，系統無需調焦，像質接近衍射極限，達到無熱化的性能要求。

關鍵詞： 紅外光學系統； 無熱化； 大相對孔徑

中圖分類號： TN202 文獻標志碼： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2015.04.008

Abstract： To meet the needs of the current military infrared imaging instrument， we designed a lens for 8～12 μm wave band with uncooled optical passive method. The specific parameter，F is 1， focus is 40 mm， field of view is 16.8°. The design results are achieved within the scope of the -40～65 ℃， as close to the diffraction limitation. The system does not need focus. The athermalization performance is good.

Keywords： the infrared optical system； athermalization； large relative aperture

引 言

隨著紅外成像技術的發展，對于紅外成像系統在復雜環境中的適應性提出了越來越高的要求。針對特殊環境應用的紅外成像系統，需要系統在大的溫度變化范圍內成像穩定，因此需要系統在設計時采取無熱化技術[1]。

溫度變化對紅外光學系統的影響主要表現在三個方面：第一，溫度發生變化會引起紅外材料的折射率發生變化，導致通過光學系統的光程發生改變，降低光學系統的成像質量；第二，溫度變化會引起紅外材料光學元件的厚度、空氣間隔以及折射面的面形發生改變，也會降低光學系統的成像質量；第三，溫度的變化會引起光學系統金屬結構件材料的收縮，進而造成光學元件之間間隔的變化[2]。

在設計紅外成像系統的過程中，通過使用一定的設計方法來補償溫度變化對系統成像質量的影響，這樣的設計方法稱為無熱化技術。目前無熱化技術主要包括機械被動式無熱化技術、機電主動式無熱化技術、光學被動式無熱化技術、光學被動式和機電式相結合技術等，其中，光學被動式無熱化技術可以適應和實現目前軍工級別紅外系統對于小型化、輕量化和溫差大的要求，因此被廣泛采用 [3]。

本文針對當前軍工紅外成像儀器小型化的需要，使用640×480像元的非制冷型探測器，在-40～65 ℃的溫度范圍內利用光學被動式無熱化方法，對8～12 μm波段設計了一款F數為1、焦距為40 mm、視場為16.8°的鏡頭。

1 光學被動式無熱化設計原理

光學被動式無熱化的基本原理是利用不同材料具有不同熱效應的特點，在光學系統中將具有不同熱特性的光學材料進行合理組合，以便使溫度對焦距、像面位置和像質的影響減到最小，達到熱補償的目的[4]。例如，將折射率溫度系數變化大的材料的焦距設為較小的正值，折射率溫度系數小的材料的焦距設為較大的負值，同時保證想要的組合光焦度，將這樣的光學材料組合使用，通過合理分配光焦度就可以減小系統的熱焦移，使其移動的范圍在焦深之內，或者完全補償[5]。這種無熱化原理其實與校正色差的原理是相似的，而它們的區別僅在于熱補償的是由溫度變化導致材料折射率變化從而使系統產生像差，而色差是由不同波長成像位置不同而產生的像差。

熱穩定光學系統需滿足方程

光學被動式無熱化不需要移動任何組件，也不用電子元件，是一種很好的熱補償方法。這種技術可以實現在任何溫度下都不會離焦，可在溫度大幅度變化的環境下使用，同時能保證系統的可靠性。綜合考慮透鏡材料的熱常數和鏡筒材料熱膨脹系數對系統的影響，使得它們產生的像面移動保持一致，這樣既能很好達到消熱差的效果，也能使系統結構簡單。由于各種材料的熱膨脹系數和溫度系數不同，所以需要進行材料組合的選擇。本光學系統由4種材料組成：鍺、硒化鋅、硫化鋅和AMTIR-1（鍺砷硒玻璃），鏡筒材料選擇鋁，鋁的熱性能參數為213.6×10-6 ℃-1 。不同材料的性能如下：

（1） 鍺是最常用的紅外材料，它的化學性能穩定。鍺單晶的直徑可以達到250 mm，鍺的光學特性是，用于長波時，鍺的色散較小，用在雙膠合透鏡中作為正透鏡使用。鍺在長波波段使用時，折射率大于4.0，因此可以設計成較大的曲率半徑以利于矯正像差。溫度對于鍺的折射率影響較大，所以使用鍺作為透鏡材料，在溫差變化大的環境中，就需要有溫度補償系統。鍺的物理性質是很脆、易碎，在加工、鍍膜和裝調過程中需謹慎處理。

（2） 硒化鋅比硫化鋅折射率高，廣泛用于高功率二氧化碳激光器，由于材質較軟，所以在使用時要鍍高強度的增透膜，以提高硬度和透過率。

（3） 硫化鋅在光照的條件下會變為微黃色，一般使用氣相沉積的方法加工，在紅外波段很常用。

（4） 在鍺、砷、硒按不同比例熔煉得到的材料中，有一種稱為AMTIR-1，這種材料透過率很好，溫度系數為鍺的四分之一，一般用于熱離焦方面。

常用紅外材料的光學特性見表1，表中折射率對應的光波長為10 μm。

消熱差設計過程包括以下幾個步驟：

（1） 計算出最高預計溫度和最低溫度時空氣的折射率（即工作環境下的空氣折射率）；

（2） 把與空氣有關的折射率目錄資料中的值轉換為絕對值，即將它們乘以不用溫度下空氣的折射率；

（3） 使用廠家提供的dndt值，計算玻璃在極端溫度條件下的絕對折射率；

（4） 應用已知的光學材料的熱膨脹系數，計算極端溫度條件下的表面半徑（不同氣壓不同溫度下）；

（5） 使用已知光學材料和機械材料的熱膨脹系數，計算出極端溫度條件下的空氣間隔和零件厚度；

（6） 評價系統在極端溫度條件下，調整到像質最佳位置處的性能；

（7） 為了在極端溫度時可以調整選定的零件間隔，即將圖像恢復到正確的位置，要進行必要的機械結構設計；

（8） 在極端溫度狀態下，對補償后系統的性能進行評估。

以上幾個步驟有利了解系統性能在不同條件下的最佳效果[6]。

2 光學系統設計

2.1 光學系統設計指標

本系統采用640×480像元的面陣探測器，像元尺寸為25 μm ×25 μm，根據整機需求，使用480×480像元的內切圓作為像面，其余像元用于電子學非均勻性校正。經過計算，光學系統設計參數如表2所示。

2.2 設計結果

對于紅外光學材料的加工，除自由曲面和衍射面外其他面型的加工技術均已經成熟。因此在設計時，系統第1、3、5面采用高次非球面，通過引入高次非球面使系統的鏡片數量減少到5片，系統的總長為58.4 mm，后工作距為11.7 mm，總質量87 g，實現了系統的小型化、輕量化要求。光學系統的設計結果圖如1所示。

2.3 像質評價

系統的MTF曲線如圖2～4所示，從上到下依次為12 ℃、低溫-40 ℃和高溫65 ℃的MTF曲線圖。由圖可以看出，系統在各個溫度下的光學傳遞函數，在20 lp/mm處值分別為0.688、0.624、0.581，接近衍射極限。根據軍工長波紅外系統的應用經驗，系統加工完成后的光學傳遞函數值在0.3以上均可使用，因此本系統的設計結果滿足使用要求。系統的點列圖如圖5～7所示，從上到下依次為12 ℃、低溫-40 ℃和高溫65 ℃的點列圖。

由圖5～7不同溫度下的點列圖可以看出，系統在各個溫度下所有視場80%的能量都集中在半徑為14.3 μm的圓內。根據所選探測器像元大小25 μm×25 μm、外接圓半徑17.7 μm，80%能量集中的范圍略大于像元尺寸的內接圓、小于像元尺寸的外接圓。由此可見，本光學系統在-40～65 ℃之間滿足成像系統對像質的要求，實現了無熱化設計。

考慮工程使用需要，需要對系統進行公差分析，由于系統在-40°～65°實現了無熱化，因此針對12°設計結果進行公差分析即可。公差分析考慮目前國內的加工能力，公差設定如下：球面的光圈數設定為3，局部光圈設定為0.5，面傾角設定為50″，面偏心設定為0.01 mm，非球面的面型精度PV<0.3λ，厚度公差設定為0.02 mm，零件裝配誤差的傾角設定為1′，偏心設定為0.01 mm。按照國內目前的裝調水平，選擇能夠裝調成功，且成品率較高情況下的結果作為評判標準，公差分析后的MTF曲線如圖8所示。

從結果分析看，各個視場在公差分析后的MTF值最小為0.492，仍大于軍工長波紅外系統MTF的應用經驗值0.3以上，因此本系統的設計結果符合實際要求，可以應用在軍工項目上。

3 結論

本文基于光學被動式無熱化理論，設計了非制冷型長波紅外大相對孔徑的光學系統。設計結果表明在，-40～65 ℃工作溫度范圍內系統滿足消熱差的要求。而且光學系統的結構緊湊、體積小，滿足我國當前軍工紅外儀器小型化、輕量化的要求。

參考文獻：

[1] 李樹宏，張士明，朱佳麗，等.非制冷紅外物鏡設計中最佳波段的選擇[J].光學儀器，2008，30（6）：60-63.

[2] 張鑫，賈宏光.大相對孔徑紅外消熱差物鏡設計[J].中國光學，2011，4（4）：374-379.

[3] 奚曉，李曉彤，岑兆豐.被動式紅外光學系統無熱設計[J].光學儀器，2005，27（1）：42-46.

[4] STONE T，GEORGE N.Hybrid diffractive-refractive lenses and achromats[J].Applied Optics，1988，27 （14）：2960-2971.

[5] 張良.中波紅外變焦距系統的光學設計[J].應用光學，2006，27（1）：32-34.

[6] MANN A .Design and analysis of a compact wide-field unobscured zoom mirror system[J].SPIE，1997，3129：97-107.

（編輯：劉鐵英）