制冷型長(zhǎng)波紅外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單秋莎 ，謝梅林，劉朝暉 ，陳榮利，段 晶，劉 凱，姜 凱，周 亮，閆佩佩

（1. 中國(guó)科學(xué)院 西安光學(xué)精密機(jī)械研究所，陜西 西安 710119；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

1 引 言

紅外成像系統(tǒng)主要探測(cè)目標(biāo)的自身熱輻射，利用目標(biāo)與背景的溫度差異提取目標(biāo)，溫度差異越大提取目標(biāo)的能力越強(qiáng)。因此，紅外成像系統(tǒng)進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)時(shí)不受光照條件的限制，具有隱蔽性好、抗干擾能力強(qiáng)、作用距離遠(yuǎn)、可全天候工作等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于紅外探測(cè)和安防監(jiān)控等軍用和民用領(lǐng)域[1-3]。根據(jù)普朗克定律的物理意義可知，隨著溫度的升高，目標(biāo)輻射的峰值波長(zhǎng)降低。因此，中波紅外系統(tǒng)對(duì)于探測(cè)溫度較高的目標(biāo)（如飛機(jī)、坦克和艦船等）有優(yōu)勢(shì)，而長(zhǎng)波紅外系統(tǒng)則主要用于常溫/低溫物體探測(cè)，以形成物體的輪廓影像。紅外探測(cè)器可分為制冷型和非制冷型兩大類，非制冷型紅外探測(cè)器在接收目標(biāo)輻射的紅外信號(hào)的同時(shí)，探測(cè)器件的溫度會(huì)隨之升高，溫度的變化將以電信號(hào)的形式被放大和顯示處理，從而形成背景噪聲，干擾目標(biāo)信號(hào)，降低探測(cè)靈敏度。制冷型紅外探測(cè)器工作在77～80 K的低溫環(huán)境下，噪聲等效溫差極低，探測(cè)靈敏度很高，觀測(cè)距離遠(yuǎn)，成像效果佳。因此，軍用紅外光學(xué)系統(tǒng)多采用制冷型紅外探測(cè)器。制冷型探測(cè)器的光闌置于探測(cè)器冷屏處，在設(shè)計(jì)過(guò)程中保證光學(xué)系統(tǒng)的出瞳與探測(cè)器的冷闌相匹配，以獲得100%的冷光闌效率，并且避免雜散輻射，即要求光學(xué)系統(tǒng)的F數(shù)要與探測(cè)器的冷屏F數(shù)相匹配。

近10年來(lái)，隨著光學(xué)要求和加工水平的發(fā)展，非球面的加工能力[4]得到很大的提高，非球面的技術(shù)在紅外光學(xué)系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。非球面光學(xué)與球面光學(xué)相比，非球面中的多項(xiàng)式系數(shù)能夠?yàn)楣鈱W(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供更多的自由度，可以在提高光束質(zhì)量的同時(shí)，有效地減少透鏡數(shù)量，達(dá)到簡(jiǎn)化鏡頭結(jié)構(gòu)和減輕系統(tǒng)重量的目的；另外，非球面在校正系統(tǒng)像差方面具有較強(qiáng)的校正能力，從而可獲得高質(zhì)量的圖像和高品質(zhì)的光學(xué)特性。

以長(zhǎng)波制冷型紅外熱像儀為研究對(duì)象，本文設(shè)計(jì)的長(zhǎng)波紅外光學(xué)系統(tǒng)采用二次成像結(jié)構(gòu)，將系統(tǒng)孔徑光闌后置于冷屏處，以獲得100%冷光闌效率，由兩種紅外光學(xué)材料Ge和ZnS共6片透鏡組成，利用光學(xué)材料Ge和ZnS的折射率/色散系統(tǒng)匹配校正系統(tǒng)單色像差和色差，并在優(yōu)化過(guò)程中引入高次非球面以校正高級(jí)像差，同時(shí)減化鏡片數(shù)量、優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。通過(guò)內(nèi)置調(diào)焦鏡對(duì)溫度范圍為?35～+55 ℃的高溫、低溫工況進(jìn)行調(diào)焦，獲得寬溫范圍下的紅外清晰圖像。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，工作溫度范圍寬，具有良好的成像質(zhì)量。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

該紅外系統(tǒng)采用長(zhǎng)波640×512制冷型焦平面陣列探測(cè)器，探測(cè)器像元尺寸為15 μm×15 μm，紅外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示。

表1 該紅外系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)參數(shù)Tab. 1 Design parameters of proposed infrared optical system

3 設(shè)計(jì)思想

3.1 光學(xué)結(jié)構(gòu)型式

從雜散光抑制能力和減小光學(xué)系統(tǒng)元件尺寸等角度考慮，采用二次成像結(jié)構(gòu)[5]。二次成像包含兩個(gè)鏡組：物鏡組和中繼鏡組。物鏡組承擔(dān)系統(tǒng)的主要光焦度，并將目標(biāo)成像于一次像面處；中繼鏡組將一次中間像成像于紅外焦平面處，主要用于校正物鏡組的殘余像差。同時(shí)將光學(xué)系統(tǒng)的出瞳匹配至探測(cè)器冷闌處，實(shí)現(xiàn)光瞳銜接，保證100%冷光闌效率[6]。光學(xué)系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 二次成像系統(tǒng)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the secondary imaging system

物鏡組和中繼鏡組的高斯成像關(guān)系為

進(jìn)而可得到物鏡組、中繼鏡組的表達(dá)式

式中，f、f′為 系統(tǒng)的物方、像方焦距；f0、f0′為物鏡組的物方、像方焦距；fr、fr′為中繼鏡組的物方、像方焦距；l、l′為系統(tǒng)入瞳關(guān)于中繼鏡組成像的物距、像距；s、s′為一次像面關(guān)于中繼鏡組成像的物距、像距，其中為系統(tǒng)總長(zhǎng)；β為中繼鏡組的放大倍率，通常取?1.2～?0.8；Dcs為探測(cè)器冷闌到靶面的距離?？紤]到β對(duì)物鏡組殘余像差有一定的放大倍率，β的大小影響著二次成像系統(tǒng)的像差校正能力和系統(tǒng)的軸向尺寸。通過(guò)多次調(diào)試，本系統(tǒng)中β取值為?1最為合適。制冷型長(zhǎng)波紅外探測(cè)器冷闌至靶面的距離為19.8 mm，因此，需要將二次成像系統(tǒng)的出瞳位置放置于冷闌處，使得系統(tǒng)出瞳距離靶面為19.8 mm，滿足100%冷光闌效率。根據(jù)式(1)～(2)，可計(jì)算出系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)參數(shù)，物鏡組物方焦距f0= ?400 mm，中繼鏡組物方焦距fr=?50 mm，系統(tǒng)總長(zhǎng)為L(zhǎng)=536 mm。

3.2 設(shè)計(jì)結(jié)果

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，高次非球面比球面有更高的自由度，在像差校正方面具有更強(qiáng)的校正能力，可以用少的鏡片數(shù)量獲得高的系統(tǒng)成像質(zhì)量。因此，為了改善系統(tǒng)成像質(zhì)量、簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程中，引入高次非球面校正高級(jí)球差、彗差和像散。高次非球面[7-8]的表達(dá)式為

式中，c為曲率，為光學(xué)面的曲率半徑；k為圓錐系數(shù)；r為歸一化半徑坐標(biāo)；A、B、C、D等為多次項(xiàng)系數(shù)，多數(shù)情況下A取零。為了減小成本且使系統(tǒng)易于加工，本系統(tǒng)在優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中只選用四次項(xiàng)、六次項(xiàng)和八次項(xiàng)非球面作為優(yōu)化變量。

通過(guò)優(yōu)化迭代得到最終的長(zhǎng)波紅外光學(xué)系統(tǒng)，如圖2所示。系統(tǒng)由3片Ge鏡和3片ZnS鏡組成，采用二次成像透射式結(jié)構(gòu)，光闌后置于熱像儀冷闌處，滿足100%冷光闌匹配，鏡4的前表面（第7個(gè)面）和鏡6的前表面（第11個(gè)面）均為高次非球面，剩余表面均為球面，高次非球面用來(lái)平衡系統(tǒng)高級(jí)像差，用較少的光學(xué)元件得到最優(yōu)的成像性能。系統(tǒng)總長(zhǎng)430 mm。

圖2 長(zhǎng)波紅外光學(xué)系統(tǒng)示意圖Fig. 2 Schematic diagram of long-wavelength infrared optical system

4 像質(zhì)評(píng)價(jià)

4.1 光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)性能

圖3為長(zhǎng)波光學(xué)系統(tǒng)的MTF曲線圖，所用探測(cè)器像元尺寸為15 μm×15 μm，因此，設(shè)計(jì)時(shí)按33 lp/mm的空間頻率進(jìn)行評(píng)價(jià)。從圖3可知，在空間頻率33 lp/mm時(shí)，系統(tǒng)軸外1.0視場(chǎng)的傳遞函數(shù)大于0.24，系統(tǒng)MTF接近衍射極限，系統(tǒng)具有極限分辨率。

圖3 長(zhǎng)波光學(xué)系統(tǒng)MTF曲線圖Fig. 3 The MTF curve diagram of the long-wavelength optical system

圖4為長(zhǎng)波紅外光學(xué)系統(tǒng)的點(diǎn)列圖，系統(tǒng)的最大彌散斑直徑為12 μm，尺寸小于探測(cè)器的一個(gè)像元，系統(tǒng)成像質(zhì)量較好。

圖4 長(zhǎng)波光學(xué)系統(tǒng)點(diǎn)列圖Fig. 4 The spot diagram of the long-wavelength optical system

圖5為長(zhǎng)波紅外光學(xué)系統(tǒng)的球差、場(chǎng)曲和畸變曲線圖，系統(tǒng)球差在0.75孔徑帶得到校正，全視場(chǎng)最大畸變發(fā)生在邊緣處，其值<1%，系統(tǒng)成像質(zhì)量良好。

圖5 長(zhǎng)波光學(xué)系統(tǒng)球差、場(chǎng)曲和畸變曲線圖Fig. 5 The sphere, curve and distortion diagram of long-wavelength optical system

4.2 溫度調(diào)焦

隨著溫度的變化，光學(xué)透鏡的參數(shù)（曲率半徑、厚度、折射率）會(huì)發(fā)生改變，從而產(chǎn)生熱離焦現(xiàn)象，進(jìn)而影響成像質(zhì)量[9-10]。可見光光學(xué)材料的折射率溫度系數(shù)為10?7數(shù)量級(jí)，而紅外光學(xué)材料Ge的折射率溫度系數(shù)為3.96×10-4/℃，比可見光光學(xué)材料的折射率系數(shù)大至少一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。而本系統(tǒng)所處的工作環(huán)境溫度為?35～+55 ℃，因此，需要采用補(bǔ)償措施，使紅外光學(xué)系統(tǒng)在一個(gè)較大的溫度范圍內(nèi)保持像面位置穩(wěn)定，從而保證成像質(zhì)量良好，采用調(diào)焦鏡的方式補(bǔ)償溫度引起的像面漂移，通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)焦鏡3以保證全溫度范圍內(nèi)清晰成像。

當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)的工作環(huán)境溫度在?35～+55 ℃變化時(shí)，調(diào)焦鏡3需要移動(dòng)的調(diào)節(jié)量為?1.57～2.68 mm，圖6給出了環(huán)境溫度分別為?35 ℃、+55 ℃時(shí)，經(jīng)調(diào)焦后系統(tǒng)的MTF曲線圖。從圖6中可看出，全溫度范圍內(nèi)MTF變化不大，在空間頻率33 lp/mm處軸外MTF值不小于0.11，能滿足在全溫度范圍內(nèi)成像清晰。

圖6 高溫、低溫環(huán)境下經(jīng)調(diào)焦后系統(tǒng)的MTF曲線圖Fig. 6 The MTF curve diagrams of the system after focusing in high- and low-temperature environments

4.3 冷反射分析

冷反射是制冷型紅外成像系統(tǒng)常見的成像缺陷。制冷的探測(cè)器通過(guò)前置光學(xué)系統(tǒng)的微弱反射接收到來(lái)自探測(cè)器自身及周圍低溫腔環(huán)境的輻射，形成冷像，通常表現(xiàn)為在圖像中心有一個(gè)黑斑[11]，這就是冷反射。一般用特征量YNI和I/IBAR來(lái)反映冷反射的強(qiáng)弱，其中，Y為邊緣光線在該面的投射高度；N為折射率；I為邊緣光線的入射角度；IBAR為主光線的入射角度。當(dāng)YNI>1時(shí)，冷反射光線遠(yuǎn)離冷光闌或探測(cè)器，冷反射效應(yīng)消除，如果某面的YNI值很小，但I(xiàn)/IBAR>1，那么該面的冷像影響同樣很小[10,12-13]。將該條件作為一個(gè)約束量對(duì)變焦系統(tǒng)的冷反射強(qiáng)度進(jìn)行控制和優(yōu)化。

對(duì)本文長(zhǎng)波紅外光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行冷反射分析，光學(xué)系統(tǒng)的YNI、I/IBAR、冷像與主像強(qiáng)度比等特性參數(shù)如表2所示。

表2 冷反射分析結(jié)果Tab. 2 Analysis results of the narcissus effect

由表2可知，長(zhǎng)波紅外光學(xué)系統(tǒng)所有表面YNI或I/IBAR中有一項(xiàng)大于1，對(duì)成像不構(gòu)成影響，大部分表面的冷像強(qiáng)度比均較小，探測(cè)器靶面上的冷像噪聲的強(qiáng)度較弱。因此，對(duì)成像不構(gòu)成影響。表面S8（鏡4的前表面）和S12（鏡6的前表面）的I/IBAR均大于1，不過(guò)冷像強(qiáng)度比較大。因此，對(duì)這兩個(gè)表面進(jìn)行光線追跡，如圖7所示。

由圖7中分析可知，S8和S12產(chǎn)生的冷反射光線是發(fā)散的，可通過(guò)非均勻校正來(lái)消除，對(duì)成像不構(gòu)成影響。因此，本長(zhǎng)波紅外光學(xué)系統(tǒng)中的冷反射現(xiàn)象對(duì)成像的影響可以忽略不計(jì)，殘余的冷反射可通過(guò)圖像的非均勻性進(jìn)行消除。

圖7 冷像強(qiáng)度較大的冷反射光線追跡圖Fig. 7 The cold reflection ray trace of cold images with high intensity

5 結(jié) 論

本文針對(duì)640×512長(zhǎng)波紅外制冷型探測(cè)器，設(shè)計(jì)了焦距為400 mm、冷屏F數(shù)為2的長(zhǎng)波紅外光學(xué)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用二次成像結(jié)構(gòu)，將系統(tǒng)出瞳后置于探測(cè)器冷闌處，且與冷闌F數(shù)相匹配，遵循光瞳匹配原則，具有100%冷光闌效率，減小了雜散光輻射，充分地利用冷屏口徑。系統(tǒng)由物鏡組和中繼鏡組組成。根據(jù)二次成像關(guān)系求得系統(tǒng)各個(gè)部分的初始結(jié)構(gòu)形式，通過(guò)使用兩種紅外材料Ge和ZnS的相互匹配以校正系統(tǒng)單色像差和色差，引入高次非球面校正系統(tǒng)高級(jí)像差，提高成像質(zhì)量、簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)?？紤]本系統(tǒng)所處的工作環(huán)境溫度為?35～+55 ℃，寬溫會(huì)給紅外系統(tǒng)帶來(lái)熱離焦現(xiàn)象。因此，通過(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)調(diào)焦鏡進(jìn)行熱離焦補(bǔ)償，使系統(tǒng)在寬的工作溫度范圍內(nèi)，成像質(zhì)量穩(wěn)定良好。該系統(tǒng)具有像質(zhì)好、結(jié)構(gòu)緊湊、輕便等優(yōu)點(diǎn)，具有很強(qiáng)的工程應(yīng)用性，可廣泛應(yīng)用于對(duì)目標(biāo)寬溫度范圍內(nèi)的紅外跟蹤探測(cè)。