紅外雙波段共光路消熱差光學系統設計

王少白 宋璐 黃辰旭

摘 要：【目的】為實現中長波雙波段紅外探測，同時滿足系統輕小化要求，本研究設計一套紅外雙波段共光路消熱差光學系統。【方法】該系統采用透射式共光路結構，使用鍺、硒化鋅和硫系玻璃等材料的組合來滿足被動消熱差要求。光學系統焦距為200 mm、F/#為2，工作波段覆蓋范圍為3～5 μm、8～10 μm，達到100%冷光闌效率。【結果】像質評價結果表明，該系統的調制傳遞函數在空間頻率16l p/mm處的值大于0.5，在-55～+70 ℃寬溫度范圍內成像良好。該系統結構緊湊，總長度不超過120 mm。【結論】該共光路實現無熱化和小型化的設計要求，具有一定的工程應用前景。

關鍵詞：紅外光學系統；消熱差設計；雙波段；共光路

中圖分類號：TN214? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1003-5168（2023）08-0009-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.08.002

Athermal Design of Dual-Band Infrared Optical System with

Common Aperture

WANG Shaobai1 SONG Lu2 HUANG Chenxu1

（1. Luoyang Institute of Electro-Optic Equipment， AVIC， Luoyang 471000， China;

2. School of Information Engineering， Henan University of Science and Technology， Luoyang 471000， China）

Abstract： [Purposes] In order to meet the need of simultaneous mid & long wave infrared detection and constraints of light weight and small volume， anathermal dual-band infrared optical system with common aperture is designed. [Methods] The system adopts the transmission type common optical path structure， and the combination Ge， ZnS and AMTIR I meets the requirements of passive athermalization. The system's focal length is 200 mm and F/# equals 2， along with operation band covering 3～5 μm and 8～10 μm and 100% cold diaphragm efficiency. [Findings] The image quality evaluation results demonstrate MTF of the system exceeds 0.5 at the spatial frequency of 16 lp/mm and image quality retains fine in a wide temperature range of -55～+70 ℃， along with compact structure whose length not exceeding 120 mm. [Conclusions] This athermal and compact design with common aperture shows comparative applicable potentiality.

Keywords： infrared optical system;athermal design;dual-band;common aperture

0 引言

隨著作戰場景和方式的增多，在復雜環境中基于目標多波段特性進行探測識別的需求也日益增多，單純利用某個紅外波段進行探測已無法有效滿足使用要求。目標在不同光譜波段下會呈現出不同的光學特性，可通過雙波段光學系統來獲取更多的目標信息，從而提高系統的識別能力。目前，中長雙色紅外焦平面探測器已投入使用，基于雙色紅外探測器的實際應用需求，要相應地設計出具備雙波段成像能力的光學系統［1］。

機載紅外探測系統的工作環境通常比較惡劣，溫度變化范圍約為-55～+70 ℃，紅外材料對溫度比較敏感。為了使該系統能在寬溫度范圍內保持穩定的光學性能，要對消熱差進行研究和設計［2］。Jamieson［3］對光學系統的熱效應進行詳細研究。Olivieri等［4］對光學系統的熱離焦特性進行詳細分析；Hudyma［5］基于色散阿貝數-熱差系數表來對密接光學系統消熱差進行設計。Tamagawa等［6-7］通過引入色差系數和熱差系數，對分離透鏡組的消熱差設計方法進行研究。胡玉禧等［8-9］對折射光學系統和空間光學系統的消熱差進行研究。焦明印［10］對光學系統熱補償的通用條件進行研究。溫彥博等［11］、劉琳等［12］將衍射元件應用到中波紅外消熱差設計中，但衍射元件存在寬光譜范圍內衍射級次多、衍射效率低、加工困難、元件成本高等問題。

本研究在滿足中波和長波紅外雙波段同時成像基礎上，基于雙色紅外焦平面陣列探測器，設計出3～5 μm和8～10 μm雙波段共光路消熱差光學系統，通過合理選擇材料，實現-55～+70 ℃的寬溫度范圍消熱差，采用非球面來消除高級像差，經仿真驗證，該系統能實現良好成像效果。

1 設計分析

常用的光學系統有三種結構形式，即反射式、折反射式、折射式。反射式系統不存在色差和二級光譜，對不同波段的光波沒有選擇性，對系統公差要求高，設計和加工裝調較為困難。折反系統通常在反射鏡基礎上增加透鏡，用于像差校正，由于這類系統的視場無法設計得太大，限制了應用范圍。相對而言，折射式系統能有效減小系統的體積，設計和加工經驗比較成熟。因此，本研究采用折射式結構對該系統進行設計。

在雙波段光學系統設計過程中，會受到探測器、外形尺寸等因素制約，同時還要考慮光學零件的加工工藝、系統公差敏感度等。為了盡量減小光學系統的徑向尺寸，提高像面對比度，保持100%的冷光闌效率，采用二次成像構型。光學系統結構如圖1所示。

本研究設計的光學系統選用中波和長波紅外雙色探測器，靶面大小為（320 px，256 px）、像元是單邊為30 μm的正方形、設計半像高為6.147 mm、F數為2、視場為2.75°×2.2°。要求該光學系統在-55～+70 ℃的范圍內能良好成像，光學傳遞函數值在16 lp/mm空間頻率處要高于0.5，光學畸變不大于3%。光學系統的主要技術指標見表1。

2 系統設計

由于可供紅外光學系統使用的材料種類較少，且不同波段的性能差異較大，對紅外光學系統的色差校正成為設計難點。由于紅外光學材料的折射率溫度系數較大，因此，紅外光學材料的曲率、厚度等參數會因溫度發生變化，使光學系統的像面產生漂移，導致探測器的焦平面與光學系統的焦平面不再重合，這將對系統性能造成嚴重影響。

通過合理選擇透鏡材料、分配光焦度，并利用透鏡材料與鏡頭機械結構材料相互補償，雙波段紅外光學系統能同時實現消熱差和消色差的目的。透鏡材料參數應同時滿足光焦度、消色差及消熱差的要求，具體要求見式（1）到式（3）。

[1h1?i=1nhi?i] = 1 （1）

（[1h1?）2i=1nh2i?iCi] = 0 （2）

- [1h2i?][i=1nh2i][?iTi] = [α] （3）

式中：[?]為系統總的光焦度；[?i]為第i個透鏡的光焦度；hi為第一近軸光線在第i片透鏡上的入射高度；Ci為第i個透鏡的色差系數，其值為阿貝數的倒數；Ti為第i個透鏡的熱差系數；[α]為鏡筒材料的熱膨脹系數。

Ti的計算公式見式（4）。

[Ti] = [1?id?idt]= -[dni/dtni-1] [-αi] （4）

式中：[ni]為第i個透鏡材料的折射率；[dni/dt]為折射率隨溫度的變化率；[αi]為透鏡材料的熱膨脹系數。

通過分析光學材料的可加工性、化學穩定性、鍍膜性能等因素，選擇鍺、硒化鋅、硫系玻璃（Ge、As、Se混合材料）作為雙波段的光學材料。硒化鋅的折射率較高，且易于加工成非球面和衍射面。為了消除色差，一般選用折射率、溫度變化率不同的材料進行搭配，本研究選取IG6硫系玻璃作為系統的光學材料。通過合理分配系統的光焦度，再利用CODE V軟件對其進行優化設計，對系統像差進行校正。

該光學系統采用共光路成像的方式，在不移動任何光學元件做補償的前提下來實現雙波段成像。該系統由前物鏡組、中繼鏡組和目鏡組組成。物鏡組包含三片透鏡，具有較大的焦距。中繼鏡組將入射光線會聚在一次像點處。后目鏡組將一次像點處的像轉移到無窮遠處。該系統采用二次成像的形式，確保100%冷光闌效率，同時能有效壓縮系統口徑。該系統選用鍺、硒化鋅、硫化鋅三種紅外材料，未使用偕衍射面，通過引入三個非球面鏡面來校正雙色系統的像差。采用CODE V軟件對其進行優化設計，得到的光學系統結構如圖2所示，光學系統參數見表2，其中透鏡序號是按照圖2中從左到右的順序進行排列。

3 仿真結果

使用CODE V光學軟件對系統進行模擬，分別得到兩個波段下MTF曲線隨溫度變化情況，如圖3所示。在全溫度范圍內（-55～+70 ℃），中波和長波各個視場在空間頻率為16 lp/mm時，MTF的值均在0.5以上，具有良好的像質，能滿足系統的性能要求。

該系統中波和長波的幾何彌散斑如圖4所示，尺寸均小于探測器像元尺寸30 μm。各視場的畸變如圖5所示，整個光學系統的全視場畸變小于3%，能較好地滿足系統需求。

4 結語

本研究結合中波和長波紅外的波段特點和光學材料特性，通過引入非球面，采用被動消像差法，設計出一種基于中長波紅外雙色探測器，工作波段包含3～5 μm和8～10 μm的雙波段共光路光學系統。該系統可在-55～+70 ℃的環境中工作，結構緊湊、成像質量良好，可適用于雙波段的紅外搜索跟蹤系統等機載光電系統。

參考文獻：

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［11］溫彥博，白劍，侯西云，等.紅外無熱化混合光學系統設計［J］.光學儀器，2005（5）：82-86.

［12］劉琳，沈為民，周健康.中波紅外大相對孔徑消熱差光學系統的設計［J］.中國激光，2010（3）：675-679.

收稿日期：2022-12-01

作者簡介：王少白（1985—），男，博士，高級工程師，研究方向：紅外探測技術。