折反式远红外光学系统设计

文章编号：１６７２－８７８５（２０１１）０６—０００６—０４　折反式远红外光学系统设计　柴利飞　唐　勇　陈宝莹　孙　浩　张远健　林　森　（长春理工大学光电工程学院，吉林长春１３００２２）　摘　要：针对红外搜索与跟踪系统在现代战争中体现出的优势和重要性，提出了一种　折反式红外光学系统设计方法。在折反系统中，用同一种红外材料实现了像差特别是　二级光谱的校正。该设计结果满足设定要求，可用于机载红外搜索与跟踪系统，并适　用于像元尺寸为２５　的非致冷焦平面阵列探测器。　关键词：红外热像仪；红外光学设计；复消色差　中图分类号：０４３９　文献标识码：　Ａ　ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—８７８５．２０１１．０６．００２　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｆａｒ　Ｉｎｆｒａｒｅｄ　Ｃａｔａｄｉｏｐｔｒｉｃ　Ｓｙｓｔｅｍ　ＣＨＡＩ　Ｌｉ—ｆｅｉ，ＴＡＮＧ　Ｙｏｎｇ．ＣＨＥＮ　Ｂａｏ—ｙｉｎｇ，ＳＵＮ　Ｈａｏ．ＺＨＡＮＧ　Ｙｕａｎ￣ｉａｎ．ＬＩＮ　Ｓｅｎ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉ钞　ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ　１３００２２　Ｃｈｉｎａｊ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：　Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｓｕｐｅｒｉｏｒｉｔｙ　ｏｆ　ａｎ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　ｔｒａｃｋ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎ　ｍｏｄｅｒｎ　ｗａｒｓ，ａ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ　ａ　ｃａｔａｄｉｏｐｔｒｉｃ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｉｎ　ｔｈｅ　ｃａｔａｄｉｏｐｔｒｉｃ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｓｙｓｔｅｍ，ｂｏｔｈ　ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｓｅｃｏｎｄ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ａｒｅ　ｃｏｒｒｅｃｔｅｄ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　Ｓａ４Ｔｌｅ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｍａｔｅｒｉａ１．Ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｒｅｓｕｌｔ　ｍｅｅｔｓ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ａｎｄ　ｉｓ　ｃｏｍｐａｔｉｂｌｅ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｕｎｃｏｏｌｅｄ　ｆｏｃａｌ　ｐｌａｎｅ　ａｒｒａｙ　ｗｉｔｈ　ａ　ｐｉｘｅｌ　ｓｉｚｅ　ｏｆ　２５　ｕｍ．Ｉｔ　ｃａｎ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ａｎ　ａｉｒｂｏｒｎｅ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　ｔｒａｃｋ　ｓｙｓｔｅｍ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＩＲ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｉｍａｇｅｒ；ＩＲ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｄｅｓｉｇｎ；ａｐｏｃｈｒｏｍａｔｉｓｍ　０引言　近年来，红外光学系统在军事和民用领域都　得到了广泛应用。但有些特殊场合对光学系统　提出了结构尺寸小、系统质量轻等要求。比如，　各种飞行器上加载的前视红外系统就必须满足　这一指标要求。由于机载红外热像系统的焦距比　１折反式远红外热像仪的设计指标　该红外热像仪主要由光学系统、探测器组件　和信息处理组件等几部分组成，其设计指标如　下：探测器为６４０ｘ４８０元非致冷探测器，像元间距　为２５　ｍ；焦距为２８５　１ＴＩ１ＴＩ；视场为３．２２。×２．４１。；　光学系统的Ｆ数为１；工作波段为８—１４　ｍ；　体积小于４００　ｍｍｘ３５０　ｍｍｘ３５０　ｍｍ；对光学系　较长，其球差和二级光谱校正比较困难。因此，　设计一种结构紧凑、质量小、装调简单、成像质　量高的红外光学系统就显得非常有必要。　统需要进行像差校正特别是二级光谱校正，并　要对其热稳定情况进行初步分析。　收稿日期：２０１１－０３—２９　作者简介：柴利飞（１９８５．），男，吉林长春人，硕士研究生，主要从事光学设计及光学仪器等方面的研究。　Ｅ—ｍａｉｌ：ｃｈａｉｌｉｆｅｉ１９８５＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ　ＩＮＦＲＡＲＥＤ　ｆＭＯＮＴＨＬＹ）／ＶｏＬ．３２，Ｎｏ．６，ＪＵＮ　２０１１　２热像仪设计　２．１探测器选型　红外探测器组件主要负责完成光电转换和　信号处理任务。为了提高系统分辨率，使图像变　得更加清晰，我们选用６４０ｘ４８０元长波非致冷型　焦平面阵列探测器，其主要技术指标如下：工作　波段为８　１４　；像元数为６４０ｘ４８０，像元间　距为２５　。　２．２光学系统设计　光学系统是热像仪的重要组成部分。在设　计中，人们通常采用两块反射镜组成共轴双反　射镜，其中次镜为内反射曼金结构。该设计具有　如下优点：（１）利用反射镜折叠光路，可缩小镜　头体积，从而减轻重量；（２）曼金结构可减少玻　璃片数，降低成本，提高成像质量；（３）对于大　口径尺寸来说，反射镜的材料更容易制造，而且　还能够通过选择热膨胀系数小的材料来提高热　稳定性。不过，由于光学系统的焦距和口径都比　较大，系统的球差和二级光谱校正难以实施。就　上述焦平面阵列的尺寸而言，系统的视场虽然　不是很大，但采用折反系统会产生一定的像散和　场曲【ｌＩ。　选取折射率高的锗作为所有透镜的材料，　以尽可能减少镜片数目和材料种类，从而提高　透过率和满足像质要求。采用ＺＥＭＡＸ软件对光　学系统进行设计，焦距ｆ＝２８５　Ｅｌｍ，Ｆ　＝１，视　场为３．２２。×２．４１。，工作波段为８　１４　，其　中选择探测器最敏感的１１．３岬波长作为中心波　长。图１所示为光学系统的结构图。　一　器Ｔ　ｌ‘２。ｌ口　ｌ　ｌＣ　ＯＮＦＮＦＲｚ￣ＲｃＥｕ聃ＱＴＳ　Ｙ。ＳＴＮ　６；”　图１光学系统的结构图　ｈｔｔｐ：／／ｊｏｕｒｎａ１．ｓｉｔｐ．ａｃ．ｃｎ／ｈｗ　光学系统由３块透镜和２块反射镜组成。　为了校正系统的初级像差，主反射镜采用抛物　面，次反射镜采用双曲面。　对于工作在宽波段的大口径、小Ｆ数光学　系统，二级光谱色差是系统成像质量的主　要因素。我们知道，二级光谱初级量的大小与系　统的结构参数无关，而完全由玻璃的色散特性　决定。它与系统焦距成正比，其比例系数与玻璃　的组合情况有关。对于大多数玻璃而言，这个比　例系数几乎就是一个常量。　２．３二级光谱校正　二级光谱由本征二级光谱和衍生二级光谱　组成。其中，本征二级光谱是由于每一组元对不　同波长的光具有不同光焦度造成的；而衍生二　级光谱是由于前一组元存在色差，使两边缘光　在本组元上的投射高度不同，导致其光焦度也　不再相等造成的。　最有效的二级光谱校正方法是采用特殊的　光学材料，如萤石（ＣａＦ　）、氟冕或镧系玻璃等，　但这种光学材料的理化性能不稳定且成本高；　另外，采用三胶合透镜也能校正二级光谱，但在　大视场情况下，物镜无法满足轴外像差校正；还　有，通过多块普通玻璃的组合也能实现复消色　差。近年来，随着衍射光学的发展，出现了由衍　射光学元件与另一种玻璃组合成的混合复消色　差透镜组，但衍射光学元件的加工难度大，且成　本很高【　。　下面先用本征二级光谱和衍生二级光谱理　论对本文在折反系统中采用同一种光学材料实　现复消色差的方法进行说明。在图１中，一束光　线通过第一块透镜后会产生本征二级光谱，在　后续透镜中也将会产生衍生二级光谱。要想达　到整个系统复消色差的目的，就必须对本征二　级光谱和衍生二级光谱进行相互补偿。因此在　后续透镜中，我们可以把它当作是投射高度不　同的单色光来考虑，并按球差来校正，这样就不　必考虑第一块透镜所产生的本征二级光谱了（相　当于一个分光器件）。从图１中可以看出，第一　块透镜的后面有２块凹透镜和２块球面反射镜。　＝一２九　／ｒ。　（１）　ＩＮＦＲＡＲＥＤ（ＭＯＮＴＨＬＹ）／ＶＯＬ．３２，Ｎｏ．６，ＪＵＮ　２０１１　由于凹透镜会产生正球差，由式（１）可知，主反　射镜会产生正球差，副镜会产生很大的负球差，　这样便能实现球差平衡，即实现二级光谱校正。　接着用波色差理论对本文的复消色差方法　加以说明。康拉第在他所著的（《应用光学和光　学设计》一书中指出，各色波面经过系统后，将　会因各自的像差不同而存在不同程度的变形，　此时各色波面之间的偏离便可作为色差量度，　称为波色差。用符号ｄ表示光学系统中各介质　的沿轴厚度；用符号Ｄ表示光线通过各介质的　光路长度。因此，轴上点发出的某一孔径光线与　光轴之间的光路长度差可表示为∑（Ｄ—ｄ），由　此可得到波色差公式：　：。Ｅ（Ｄ—ｄ）ｄｎ　（２）　这样，用该方法就可以方便地对二级光谱　进行描述。当光学系统对Ｆ光和Ｃ光进行像差　校正以后，对Ｄ光的二级光谱为［　］：　：　一　＝。Ｅ（Ｄ—ｄ）（佗　一ｎ。）　＝∑（Ｄ～ｄ）（佗　一礼。）　三　詈　＝∑（Ｄ—ｄ）ｄｎＰｖ。　（３）　为了同时校正位置色差和二级光谱，人们　通常是寻求阿贝数相差很大而相对色散相同的　光学材料。而在折反系统中，采用同一种材料便　可实现两种校正。由式（３）可知，ｄｎ和　。为　兰．．　　一～嘲・　　淤’　。　－：：　ｉ　：　一　’Ｉ５　Ｔ矗Ｆ－ｊ；ＬｇＨｃｙ＿ｌＮ　ｃＹ吕ＬＥｓ　－州。　。　Ｐ口ＬｖＣＨ■口●●ｒ｜１Ｃ口ｚＦＦＲＲＣＴｚ口Ｈ　Ｈ　甄瀑　Ｔａ　一ｌｌ　’Ｉ｛　镒　图３　ＭＴＦ曲线　ＩＮＦＲＡＲＥＤ（ＭＯＮＴＨＬＹ）／ＶＯＬ．３２，Ｎｏ．６，ＪＵＮ　２０１１　定值，因此当Ｄ＝ｄ时就能够复消色差。也就是　说，在某一孔径处，当光线到达像面的几何光路　长度与沿轴厚度相等时，便可实现二级光谱校　正，而且工作波段内的所有波长都交于一点，如　图２所示。　∞∞ＰＩＺＬＬ＇ｒＨＥＴＥＲＳ　－｛　｛　，ｌ囊’・　，　’　＿＿士　ｚ　ＥＴ　。・－　’・　－　Ｌ口ＮＣＺＴＵ口　Ｈ＾Ｌ哺ＥＲＲ＾Ｔｚ口Ｈ　誉　：ｉ　嚣ａ　。』。　ｌ舌　毒呈暑器＾ｔＳＹ量ＳＴＥＭ口Ｎｌ２ｏ．ＥＺＨＪＸ　图２纵向像差　２．４像差分析　红外系统的波段较宽。从像差曲线上来看，　本系统的球差、色差和二级光谱都得到了很好的　校正，而且像散和场曲也得到了很好的消除。选　用的非致冷探测器的像元大小为２５　ｐ．ｍｘ２５　，　系统的特征频率为２０　ｌｐ／ｍｍ。图３和图４分别　为该系统的ＭＴＦ曲线和能量集中度曲线。从图　中可以看出，ＭＴＦ接近衍射极限，９０％的能量　集中在一个小像元内。图５和图６为该系统的　点列图和扇形图，图中轴上和轴外的一致性较　好［３ｌ。　肼　．‘｜搠盯　●，’嘲　Ｉ．７鞴瞳Ｃ　７　？‘嚣　Ｉ　’　・　＿　ｌ：：　Ｉ　ｆ　。　。　’　’　Ｉ：　’　２：二　：　：　－　ｌ：：　７　‘’’　．聃　‘。　Ｆｌ＿１ⅡⅡ：同■℃ＴＺ口Ｈ目ＨＣ卫　ＬＥＤ日●碾ＢＹ　ＬＥＮＳ　Ｉ　ｓｌ　尊醇．“螂Ｔｗ　’２１；Ｐ　．１Ｉｌｌ　￣ＩＲＴＺＣ　ｌＩ　　飘■　ＲＣ辱　瑚Ｇｅ　‘　ＩＩＩ髑Ｆ■ｌ暑口ＳＹＳＴＥＨｊ．ＺＰＩｘ　ｌＣＯ－尊ｉ０ＬＩ－晴ＴｉａＨ　Ｉ　６＃Ｉ　图４能量集中度曲线　ｈｔｔｐ：／／ｊｏｕｒｎａ１．ｓｉｔｐ．ａｃ．ｃｎ／ｈｗ　ｌ；一　｝●■＾●．ｌ　Ｉ　《．　囝…　／　ＩＥ　・：　．’■＾Ｉ．ＩＩ　　Ｉ・墨　－・一　＿；囝　．　ｊ｝　。ｆ一　萋’　｛　｛　ｉ　＠　辫ｒｉｔ　ｍＩ１　蜘＿　ｌ一　　ｊ｛　；　ｉ　一　誉　：ｍ　・　－一．　。　１　ｇ　鹎自　。｛　ｇ２一鸭０　躲・。。　…　Ｉ　Ｉ　Ｉ　；２ｇ器ＲＴＳＹⅫＳＴＥＨｌ￣口，ＺＦＨＸＩ　’”　粕ｗ蓝尝：ａ翳　箍　培ＸｏＮＮＦＦＲ器５　Ｄ　ＴＳｚＹＳｏＴＮ　６；”　ＳＵ￣ＦＲｃ￡｝ｚ　Ｅ　图５点列图　一一　‘瀚　‰隐。　ＩＩ　｛　图６扇形图　ｉｌｆＩ　ＩＩＴｓ　岫臼职．　０．３‘∞．＋ｌＩＩＩＴｓ　ｉ．哪曲．●．ｊ６啊０ＥＧ　暖Ｇ　¨ｉ；　’　２Ｉ－　穗．　ｃ　：　；　－－．　一ＦＲＥ　ＮｃＹ　ｔ：．Ｉ，・　；一址　．１　０　。　●＿　一●．Ｉ　．　一．　’　’ｓＰＲＴｚ　膏工Ｎ　ｃＹ　Ｅｓ　Ｒ　Ｉ　。　‘　’　’－　。。ｓＰＲＴＩ　Ｉ￣ＹＺＮ　ｃＹ　Ｅｓ　Ｆ％ＱＬＲⅢ　ＰＯＬＹＣＨＲＯ十伺ＴｚＣ　ＤＩＦＦＲ￣Ｔｚ０Ｎ　ＨＴＦ　ＰＯＬＹＣＨＲ０ＨＲＴｚＣ口ＺＦＦＲ￣ＴＩＯＮ　ＨＴＦ　ｚＲ　ＬＥＮｓ　ＺＲ　ＬＥＮＳ　Ｎ　Ｐ　ｌ，∞Ｉ●　ＯＲＴＲ　ＦＯＲ皇．∞●曩Ｔ０　ｌ　．■嘲ｓＵＲＦＦ　毫：　ＨＲＧＥ　，■，　Ｉ　Ｉ　Ｉ　Ｉ　ｌ　ＮＦ冀Ｆ　ＥＯ　ＳＹＳＴＥＨ２．ＺＨＸ　ＳＵＮ　ＳＥＰ　ｌ９　２０ｌ■　０ＲＴＲ　Ｆ口Ｒ　０．嘲●Ｔ０　ｌ　．０的０　Ｊ●．　ＳＵＲＦＲＣＥ：ｚＭＦｉＧＥ　ｌ　１　Ｉ　ＩＺＮＦ　一黛ＥＯ　ＳＹＳＴＥＨ２．ＺＨｘ　ｌＣＯＨ户￡０ｕ膏一ＴｉａＮ　２。Ｆ　ＩＣＯＮＦＺＣＵＲ一下芏ＯＮ々ＤＰ々　（ａ）一４０℃　图７　ＭＴＦ曲线　（ｂ）６０℃　２．５初步热稳定分析　在一４０　６０℃内对光学系统进行了温度分　析。图７（ａ）和图７（ｂ）分别给出了该系统在一４０℃　和６０℃时的ＭＴＦ曲线［　。　光学系统的主反射镜采用金属材料。从图７　中可以看出，光学系统在一４０　６０℃内的ＭＴＦ　有所变动，但影响不大，满足成像质量要求，基　本达到了热稳定目的。　该设计结果满足设定要求，可用于机载红外搜　索与跟踪系统。　参考文献　［１】王志坚，王鹏，刘智颖．光学工程原理［Ｍ】．北京，　国防工业出版社，２００９．　ｆ２］姜会林．关于二级光谱问题的探讨［Ｊ］．光学学报，　１９８２，２（３）：２２５－２３２．　３结论　为了满足航空探测与搜索的特殊要求，本　【３】郁道银，谈恒英．　工程光学［Ｍ］．北京：机械工业　出版社，１９９９．　文设计了一种轻型机载远红外热像仪，对热像　仪的光学系统进行了设计，并在折反系统中用　同一种红外材料实现了球差和二级光谱校正。　［４］李玉瑶．基于大面阵ＣＣＤ的复消色差航空相机物　镜设计［Ｊ］．光学学报，２００９，２９（１１）：３１８３—３１８５．　［５】Ｒｉｃｈａｒｄ　Ｄ　Ｈｕｄｓｏｎ．Ｉｎｆｒａｒｅｄ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　［Ｍ】．Ｈｏｂｏｋｅｎ：Ｊｏｈｎ　Ｗｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓ，Ｉｎｃ．１９６９．　ｈｔｔｐ：／／ｊｏｕｒｎａ１．ｓｉｔｐ．ａｃ．ｃｎ／ｈｗ　ＩＮＦＲＡＲＥＤ（ＭＯＮＴＨＬＹ）／ＶｏＬ．３２，ＮＯ．６，ＪＵＮ　２０１１