硫系玻璃在現(xiàn)代紅外熱成像系統(tǒng)中的應(yīng)用

白 瑜 ，廖志遠(yuǎn)，李 華，程習(xí)敏，3，邢廷文，蔣亞?wèn)|

(1.中國(guó)科學(xué)院 光電技術(shù)研究所，四川成都610209;

2.電子科技大學(xué) 光電信息學(xué)院，四川成都610054;

3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049)

1 引言

隨著溫度的變化，紅外熱成像探測(cè)系統(tǒng)的曲率半徑、元件厚度、元件間隔、非球面系數(shù)、光學(xué)材料折射率都會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變，同時(shí)紅外探測(cè)器的光敏面也隨溫度的變化而漂移，導(dǎo)致紅外熱成像探測(cè)系統(tǒng)的像面離焦，系統(tǒng)無(wú)法正常工作，因此，熱補(bǔ)償和熱設(shè)計(jì)是紅外熱成像探測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。對(duì)于紅外熱成像探測(cè)系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)，目前報(bào)道的文獻(xiàn)中大多采用基于衍射光學(xué)元件特殊的熱特性［1-6］，在系統(tǒng)中引入衍射光學(xué)元件和折射光學(xué)元件構(gòu)成折射/衍射混合系統(tǒng)來(lái)完成熱設(shè)計(jì)，但在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)衍射面的衍射效率不高，產(chǎn)生的雜散光降低系統(tǒng)對(duì)比度和信噪比，進(jìn)而影響紅外熱成像探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)性能。

相比可見(jiàn)光玻璃而言，紅外玻璃的折射率溫度系數(shù)dn/dT都較大，因此紅外熱成像探測(cè)系統(tǒng)的熱離焦更嚴(yán)重。機(jī)械主動(dòng)式消熱差方法和機(jī)械被動(dòng)式消熱差方法因使用了笨重的機(jī)械設(shè)備，導(dǎo)致了系統(tǒng)重量變重，成本增加。光學(xué)被動(dòng)式消熱差方法只須通過(guò)光學(xué)件和機(jī)械件的恰當(dāng)匹配即可實(shí)現(xiàn)無(wú)熱化探測(cè)，該類方法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、無(wú)需調(diào)節(jié)任何器件自動(dòng)消熱差、像面穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，因此是目前最受關(guān)注的消熱差方法。而光學(xué)被動(dòng)式消熱差方法的核心是具有低折射率溫度系數(shù)的紅外玻璃，而目前傳統(tǒng)紅外玻璃的折射率溫度系數(shù)都較大，引起的熱離焦較大。

新型低折射率溫度系數(shù)紅外玻璃的長(zhǎng)足發(fā)展為紅外熱成像探測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)良好的熱設(shè)計(jì)提供了新的契機(jī)。本文分析了硫系玻璃和其他傳統(tǒng)紅外玻璃的優(yōu)勢(shì)，建立了溫度變化時(shí)，紅外熱成像探測(cè)系統(tǒng)中各個(gè)參數(shù)隨溫度變化的數(shù)學(xué)模型。基于硫系玻璃折射率溫度系數(shù)小、成本低的優(yōu)點(diǎn)，在紅外熱成像探測(cè)系統(tǒng)中，利用硫系玻璃代替其他傳統(tǒng)紅外玻璃，可有效減小紅外熱成像探測(cè)系統(tǒng)的熱離焦量，降低紅外熱成像探測(cè)系統(tǒng)消熱差設(shè)計(jì)的難度。

2 硫系玻璃

硫系玻璃是以硫族元素為主，同時(shí)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(tǒng)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(cè)系統(tǒng)的生產(chǎn)。

在長(zhǎng)波紅外波段，鍺是最常使用的光學(xué)玻璃，但對(duì)于有消色差要求的長(zhǎng)波紅外系統(tǒng)，在光學(xué)玻璃的選擇上受到很大的限制，硒化鋅的價(jià)格太昂貴，硫化鋅在長(zhǎng)波紅外的透過(guò)率不高。在長(zhǎng)波紅外波段，硫系玻璃的色散特性與硒化鋅接近，因此可應(yīng)用硫系玻璃和鍺兩種光學(xué)玻璃實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)波紅外波段的消色差設(shè)計(jì)［9-10］。傳統(tǒng)的鍺玻璃的折射率溫度系數(shù)為3.96×10－4/℃，而硫系玻璃AMTIR的折射率溫度系數(shù)為7.7×10－5/℃，因此，在紅外熱成像探測(cè)系統(tǒng)中使用硫系玻璃引起的熱離焦量會(huì)更小，硫系玻璃對(duì)于紅外熱成像探測(cè)系統(tǒng)的消熱差設(shè)計(jì)效果更佳。尤其對(duì)于目前廣泛應(yīng)用于小區(qū)監(jiān)控的大視場(chǎng)短焦距紅外鏡頭，因環(huán)境溫度變化范圍不大，因此在該類系統(tǒng)中使用硫系玻璃甚至無(wú)需進(jìn)行消熱差就可取得良好的成像性能。

對(duì)于傳統(tǒng)的紅外玻璃(如硅)必須采用傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝，先粗磨，再精磨，然后拋光進(jìn)行加工。鍺、硫化鋅、硒化鋅等紅外玻璃可利用單點(diǎn)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(chǎn)。硫系玻璃具有較低的轉(zhuǎn)變溫度，可采用精密模壓成型制備來(lái)加工制作，大大降低了其生產(chǎn)加工成本，節(jié)約了加工時(shí)間，對(duì)于應(yīng)用于小區(qū)監(jiān)控的大視場(chǎng)短焦距紅外鏡頭的低成本、批量化的生產(chǎn)，降低小區(qū)業(yè)主的生活成本具有很大的應(yīng)用前景。

3 系統(tǒng)參數(shù)隨溫度變化分析

隨著環(huán)境溫度的變化，紅外熱成像探測(cè)系統(tǒng)的曲率半徑、元件厚度、元件間隔、非球面系數(shù)、光學(xué)材料折射率等參數(shù)都會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變，導(dǎo)致紅外熱成像探測(cè)系統(tǒng)的像面離焦超過(guò)系統(tǒng)焦深，系統(tǒng)無(wú)法正常使用。

以下將給出這些參數(shù)隨環(huán)境溫度變化的函數(shù)關(guān)系:

(1)曲率半徑:

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

(2)玻璃厚度:

式中，TG(T)、TG(20)為溫度T℃、20℃時(shí)的玻璃厚度。

(3)空氣間隔:

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

(4)玻璃折射率:

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

(5)非球面系數(shù):

式中，K(T)、A(T)、B(T)、C(T)、D(T)、E(T)為溫度T℃時(shí)的非球面系數(shù)，分別對(duì)應(yīng)二次系數(shù)，4次項(xiàng)系數(shù)，6次項(xiàng)系數(shù)，8次項(xiàng)系數(shù)，10次項(xiàng)系數(shù)，12次項(xiàng)系數(shù)，K(20)、A(20)、B(20)、C(20)、D(20)、E(20)為常溫20℃時(shí)非球面的各項(xiàng)系數(shù)。

與其同時(shí)，熱設(shè)計(jì)分析時(shí)還必須考慮紅外探測(cè)器光敏面隨溫度變化而產(chǎn)生的漂移量。

4 技術(shù)指標(biāo)

紅外鏡頭的主要技術(shù)指標(biāo)如下所示:

(1)工作波段:3.7 ～4.8 μm;

(2)焦距:109.7 mm;

(2)F數(shù):2.0;

(3)視場(chǎng):6.4°;

(4)探測(cè)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(shè)計(jì)分析與結(jié)果

目前紅外熱成像探測(cè)系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)方法主要有機(jī)械主動(dòng)式、機(jī)械被動(dòng)式、光學(xué)被動(dòng)式3種。機(jī)械主動(dòng)式熱設(shè)計(jì)方法和機(jī)械被動(dòng)式熱設(shè)計(jì)方法都需要增加機(jī)械設(shè)備驅(qū)動(dòng)機(jī)械件和光學(xué)件來(lái)補(bǔ)償溫度變化引起的像面漂移，因此這兩種方法結(jié)構(gòu)笨重，成本較高，使用不方便。

光學(xué)被動(dòng)式熱設(shè)計(jì)方法是通過(guò)選擇合適的光學(xué)材料，合理分配各個(gè)光學(xué)元件的光焦度，選擇合適的反射鏡材料和機(jī)械鏡筒、隔圈材料，使得整個(gè)紅外探測(cè)成像系統(tǒng)的光學(xué)像面和紅外探測(cè)器光敏面的漂移量在系統(tǒng)一倍焦深之內(nèi)。該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、無(wú)需增加其他機(jī)構(gòu)就可自動(dòng)保證像面穩(wěn)定，是目前最經(jīng)常使用的熱設(shè)計(jì)方法，因此本文選用光學(xué)被動(dòng)式熱設(shè)計(jì)方法。

光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式主要有3種，即折射式、反射式、折反射。反射式結(jié)構(gòu)沒(méi)有色差，對(duì)于寬光譜系統(tǒng)很有優(yōu)勢(shì)，該結(jié)構(gòu)視場(chǎng)角較小，且加工、檢測(cè)、裝配難度較大，不利于批量化生產(chǎn)。折反射結(jié)構(gòu)中主鏡、次鏡的間隔公差較緊，裝配公差較嚴(yán)，且為了保證優(yōu)良的成像質(zhì)量，主鏡多采用高次非球面，主鏡檢測(cè)難度較大，也不利于批量化生產(chǎn)。折射式結(jié)構(gòu)是最為常用的結(jié)構(gòu)形式，其公差寬松，光學(xué)元件可批量化生產(chǎn)，因此本文選用折射式結(jié)構(gòu)。

光學(xué)被動(dòng)式熱設(shè)計(jì)方法的思路是首先根據(jù)技術(shù)指標(biāo)、像質(zhì)要求優(yōu)化設(shè)計(jì)出滿足要求的常溫鏡頭，而后將系統(tǒng)等效視為一個(gè)變焦系統(tǒng)，根據(jù)第2節(jié)中的數(shù)學(xué)關(guān)系，分別建立低溫、高溫和常溫時(shí)光學(xué)元件的曲率半徑、厚度、通光口徑、非球面系數(shù)、光學(xué)玻璃折射率、光學(xué)元件間隔的函數(shù)關(guān)系，將常溫、低溫、高溫等效看作變焦系統(tǒng)的短焦、中焦、長(zhǎng)焦3個(gè)位置。

編寫(xiě)自定義優(yōu)化程序，對(duì)多重變焦系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，為了減小溫度變化引起光學(xué)鏡片參數(shù)變化導(dǎo)致的像面漂移，系統(tǒng)中應(yīng)多用折射率溫度系數(shù)小的硫系玻璃，最終優(yōu)化得到的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)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(dān)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(cè)器靶面上，同時(shí)起到平衡系統(tǒng)剩余像差和保證不同溫度時(shí)像面齊焦的作用。因系統(tǒng)使用制冷型紅外探測(cè)器，因此系統(tǒng)光闌須和紅外探測(cè)器冷光闌匹配，為減小前組口徑并滿足冷屏匹配，通過(guò)在前組和后組之間成一次像，再經(jīng)后組成像到紅外探測(cè)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(guān)。為了平衡軸外像差，系統(tǒng)在鍺鏡和硫化鋅鏡上分別采用了1個(gè)非球面，其余都為球面。

圖1 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic diagram of optical system

經(jīng)過(guò)計(jì)算評(píng)估，低溫、高溫時(shí)像面和紅外測(cè)測(cè)器光敏面的漂移量分別為 －0.012mm、0.008 6 mm，高低溫時(shí)像面和紅外探測(cè)器光敏面的漂移量的變化量為0.020 6 mm。

光學(xué)系統(tǒng)焦深計(jì)算公式為:

式中，δ為系統(tǒng)焦深，λ為中心波長(zhǎng)，計(jì)算可得該紅外探測(cè)成像系統(tǒng)的焦深為0.033 6 mm，高低溫時(shí)整個(gè)紅外探測(cè)成像系統(tǒng)的光學(xué)像面和紅外探測(cè)器光敏面的漂移量在系統(tǒng)一倍焦深之內(nèi)。

6 像質(zhì)評(píng)價(jià)

6.1 傳遞函數(shù)

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

圖2 傳遞函數(shù)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(shù)值均接近衍射極限，溫度對(duì)系統(tǒng)的MTF的影響很小。

6.2 能量集中度

圖3給出了系統(tǒng)在探測(cè)器一個(gè)像元內(nèi)20℃、－40℃、60℃溫度時(shí)的能量集中度曲線，20℃、－40℃、60℃不同溫度時(shí)的80%能量都集中在探測(cè)器一個(gè)像元內(nèi)，滿足使用要求。

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

6.3 點(diǎn)列圖

圖4給出了系統(tǒng)20℃、－40℃、60℃時(shí)的點(diǎn)列圖，由圖可知，20℃、－40℃、60℃時(shí)各視場(chǎng)的RMS彌散斑直徑均小于30 μm，小于探測(cè)器的一個(gè)像元，成像質(zhì)量良好。

圖4 點(diǎn)列圖Fig.4 Spot diagrams

7 結(jié)論

熱設(shè)計(jì)是紅外熱成像探測(cè)系統(tǒng)的核心技術(shù)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(tǒng)紅外玻璃相比的優(yōu)勢(shì)之處，建立了紅外熱成像探測(cè)系統(tǒng)中各個(gè)參數(shù)和溫度之間的數(shù)學(xué)模型，將硫系紅外玻璃應(yīng)用于紅外熱成像探測(cè)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一套折射式的紅外消熱差探測(cè)成像系統(tǒng)，系統(tǒng)擁有109.7 mm焦距，6.4°視場(chǎng)，100%冷光闌效率的性能指標(biāo)，評(píng)價(jià)結(jié)果表明，該系統(tǒng)在低溫－40℃、常溫20℃、高溫60℃都取得了良好的成像質(zhì)量，適用于像元數(shù)320×256，像元尺寸為30 μm的中波紅外凝視型焦平面陣列探測(cè)器。

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