红外双波段共光路消热差光学系统设计_王少白.pdf

河南科技Henan Science and Technology电气与信息工程总第802期第8期2023年4月收稿日期：2022-12-01作者简介：王少白（1985），男，博士，高级工程师，研究方向：红外探测技术。红外双波段共光路消热差光学系统设计王少白1宋璐2黄辰旭1（1.中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所，河南洛阳471000；2.河南科技大学信息工程学院，河南洛阳471000）摘要：【目的目的】为实现中长波双波段红外探测，同时满足系统轻小化要求，本研究设计一套红外双波段共光路消热差光学系统。【方法方法】该系统采用透射式共光路结构，使用锗、硒化锌和硫系玻璃等材料的组合来满足被动消热差要求。光学系统焦距为200 mm、F/#为2，工作波段覆盖范围为35 m、810 m，达到100%冷光阑效率。【结果结果】像质评价结果表明，该系统的调制传递函数在空间频率16l p/mm处的值大于0.5，在-55+70 宽温度范围内成像良好。该系统结构紧凑，总长度不超过120 mm。【结论结论】该共光路实现无热化和小型化的设计要求，具有一定的工程应用前景。关键词：红外光学系统；消热差设计；双波段；共光路中图分类号：TN214文献标志码：A文章编号：1003-5168（2023）08-0009-05DOI：10.19968/ki.hnkj.1003-5168.2023.08.002Athermal Design of Dual-Band Infrared Optical System withCommon ApertureWANG Shaobai1SONG Lu2HUANG 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 andconstraints of light weight and small volume,anathermal dual-band infrared optical system with commonaperture 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 systems focal length is 200 mm and F/#equals 2,along with operation band covering 35 m and 810m and 100%cold diaphragm efficiency.Findings The image quality evaluation results demonstrateMTF of the system exceeds 0.5 at the spatial frequency of 16 lp/mm and image quality retains fine in awide temperature range of-55+70,along with compact structure whose length not exceeding 120mm.Conclusions This athermal and compact design with common aperture shows comparative applicable potentiality.Keywords:infrared optical system;athermal design;dual-band;common aperture0引言随着作战场景和方式的增多，在复杂环境中基于目标多波段特性进行探测识别的需求也日益增多，单纯利用某个红外波段进行探测已无法有效满足使用要求。目标在不同光谱波段下会呈现出不同的光学特性，可通过双波段光学系统来获取更多的目标信息，从而提高系统的识别能力。目前，中长双色红外焦平面探测器已投入使用，基于双色红外探测器的实际应用需求，要相应地设计出具备双10第8期波段成像能力的光学系统1。机载红外探测系统的工作环境通常比较恶劣，温度变化范围约为-55+70，红外材料对温度比较敏感。为了使该系统能在宽温度范围内保持稳定的光学性能，要对消热差进行研究和设计2。Jamieson3对光学系统的热效应进行详细研究。Olivieri等4对光学系统的热离焦特性进行详细分析；Hudyma5基于色散阿贝数-热差系数表来对密接光学系统消热差进行设计。Tamagawa等6-7通过引入色差系数和热差系数，对分离透镜组的消热差设计方法进行研究。胡玉禧等8-9对折射光学系统和空间光学系统的消热差进行研究。焦明印10对光学系统热补偿的通用条件进行研究。温彦博等11、刘琳等12将衍射元件应用到中波红外消热差设计中，但衍射元件存在宽光谱范围内衍射级次多、衍射效率低、加工困难、元件成本高等问题。本研究在满足中波和长波红外双波段同时成像基础上，基于双色红外焦平面阵列探测器，设计出35 m和810 m双波段共光路消热差光学系统，通过合理选择材料，实现-55+70 的宽温度范围消热差，采用非球面来消除高级像差，经仿真验证，该系统能实现良好成像效果。1设计分析常用的光学系统有三种结构形式，即反射式、折反射式、折射式。反射式系统不存在色差和二级光谱，对不同波段的光波没有选择性，对系统公差要求高，设计和加工装调较为困难。折反系统通常在反射镜基础上增加透镜，用于像差校正，由于这类系统的视场无法设计得太大，限制了应用范围。相对而言，折射式系统能有效减小系统的体积，设计和加工经验比较成熟。因此，本研究采用折射式结构对该系统进行设计。在双波段光学系统设计过程中，会受到探测器、外形尺寸等因素制约，同时还要考虑光学零件的加工工艺、系统公差敏感度等。为了尽量减小光学系统的径向尺寸，提高像面对比度，保持100%的冷光阑效率，采用二次成像构型。光学系统结构如图1所示。本研究设计的光学系统选用中波和长波红外双色探测器，靶面大小为（320 px，256 px）、像元是单边为30 m的正方形、设计半像高为6.147 mm、F 数为 2、视场为 2.752.2。要求该光学系统在-55+70 的范围内能良好成像，光学传递函数值在16 lp/mm空间频率处要高于0.5，光学畸变不大于3%。光学系统的主要技术指标见表1。2系统设计由于可供红外光学系统使用的材料种类较少，且不同波段的性能差异较大，对红外光学系统的色差校正成为设计难点。由于红外光学材料的折射率温度系数较大，因此，红外光学材料的曲率、厚度等参数会因温度发生变化，使光学系统的像面产生漂移，导致探测器的焦平面与光学系统的焦平面不再重合，这将对系统性能造成严重影响。通过合理选择透镜材料、分配光焦度，并利用透镜材料与镜头机械结构材料相互补偿，双波段红外光学系统能同时实现消热差和消色差的目的。透镜材料参数应同时满足光焦度、消色差及消热差的要求，具体要求见式（1）到式（3）。1h1()i=1nhii=1（1）（1h1）2i=1nh2i()iCi=0（2）-1h2ii=1nh2iiTi=（3）式中：为系统总的光焦度；i为第i个透镜的光焦度；hi为第一近轴光线在第i片透镜上的入射高度；Ci为第i个透镜的色差系数，其值为阿贝数的倒数；Ti为第i个透镜的热差系数；为镜筒材料的热膨胀系数。Ti的计算公式见式（4）。Ti=1ididt=-dni/dtni-1-i（4）式中：ni为第i个透镜材料的折射率；dni/dt为折射率随温度的变化率；i为透镜材料的热膨胀系数。图1光学系统结构参数波段/m视场/（）有效长度/mmF数入瞳孔径/mm冷光阑效率/%温度范围/MTF畸变/%取值35、8102.752.21202100100-55+700.53表1光学设计指标王少白，等.红外双波段共光路消热差光学系统设计焦平面第8期11通过分析光学材料的可加工性、化学稳定性、镀膜性能等因素，选择锗、硒化锌、硫系玻璃（Ge、As、Se混合材料）作为双波段的光学材料。硒化锌的折射率较高，且易于加工成非球面和衍射面。为了消除色差，一般选用折射率、温度变化率不同的材料进行搭配，本研究选取IG6硫系玻璃作为系统的光学材料。通过合理分配系统的光焦度，再利用CODE V软件对其进行优化设计，对系统像差进行校正。该光学系统采用共光路成像的方式，在不移动任何光学元件做补偿的前提下来实现双波段成像。该系统由前物镜组、中继镜组和目镜组组成。物镜组包含三片透镜，具有较大的焦距。中继镜组将入射光线会聚在一次像点处。后目镜组将一次像点处的像转移到无穷远处。该系统采用二次成像的形式，确保100%冷光阑效率，同时能有效压缩系统口径。该系统选用锗、硒化锌、硫化锌三种红外材料，未使用偕衍射面，通过引入三个非球面镜面来校正双色系统的像差。采用CODE V软件对其进行优化设计，得到的光学系统结构如图2所示，光学系统参数见表2，其中透镜序号是按照图2中从左到右的顺序进行排列。3仿真结果使用CODE V光学软件对系统进行模拟，分别得到两个波段下MTF曲线随温度变化情况，如图3所示。在全温度范围内（-55+70），中波和长波各个视场在空间频率为16 lp/mm时，MTF的值均在0.5以上，具有良好的像质，能满足系统的性能要求。该系统中波和长波的几何弥散斑如图4所示，王少白，等.红外双波段共光路消热差光学系统设计（a）-55 时中波红外MTF曲线（b）20 时中波红外MTF曲线（c）70 时中波红外MTF曲线（d）-55 时长波红外MTF曲线图2光学结构透镜序号1234567面型球面/球面非球面/球面球面/球面球面/球面球面/球面球面/非球面球面/球面半径/mm164.00/102.29143.15/-100.72-56.64/-82.6417.21/11.31-114.34/-51.3696.52/36.7645.75/-83.04材料硫化锌IG6锗锗锗硒化锌IG6表2光学系统参数zb（-55）DIFFRACTION MTFPOSITION 216-NOV-15DIFFRACTION LIMITAXISTRTRTRTR-0.5 FIELD（1.40）-0.7 FIELD（1.85）-1.0 FIELD（2.79）-0.8 FIELD（2.29）WAVELENGTHWEIGHTDEFOCUSING0.000 009 000.0 nm010 000.0 nm08 000.0 nm05 000.0 nm14 000.0 nm13 000.0 nm11.00.90.80.70.60.50.40.30.20.1MODULATION3.06.09.012.015.0SPATIAL FREQUENCY（CYCLES/mm）zb（20）DIFFRACTION MTFPOSITION 116-NOV-15DIFFRACTION LIMITAXISTRTRTRTR-0.5 FIELD（1.39）-0.7 FIELD（1.85）-1.0 FIELD（2.78）-0.8 FIELD（2.29）WAVELENGTHWEIGHTDEFOCUSING0.000 009 000.0 nm010 000.0 nm08 000.0 nm05 000.0 nm14 000.0 nm13 000.0 nm11.00.90.80.70.60.50.40.30.20.1MODULATION3.06.09.012.015.0SPATIAL FREQUENCY（CYCLES/mm）zb（70）DIFFRACTION MTFPOSITION 316-NOV-15DIFFRACTION LIMITAXISTRTRTRTR-0.5 FIELD（1.39）-0.7 FIELD（1.84）-1.0 FIELD（2.78）-0.8 FIELD（2.29）WAVELENGTHWEIGHTDEFOCUSING0.000 009 000.0 nm010 000.0 nm08 000.0 nm05 000.0 nm14 000.0 nm13 000.0 nm11.00.90.80.70.60.50.40.30.20.1MODULATION3.06.09.012.015.0SPATIAL FREQUENCY（CYCLES/mm）cb（-55）DIFFRACTION MTFPOSITION 516-NOV-15DIFFRACTION LIMITAXISTRTRTRTR-0.5 FIELD（1.40）-0.7 FIELD（1.85）-1.0 FIELD（2.79）-0.8 FIELD（2.29）WAVELENGTHWEIGHTDEFOCUSING0.000 009 000.0 nm110 000.0 nm18 000.0 nm15 000.0 nm04 000.0 nm03 000.0 nm01.00.90.80.70.60.50.40.30.20.1MODULATION3.06.09.012.015.0SPATIAL FREQUENCY（CYCLES/mm）12第8期尺寸均小于探测器像元尺寸30 m。各视场的畸变如图 5 所示，整个光学系统的全视场畸变小于3%，能较好地满足系统需求。4结语本研究结合中波和长波红外的波段特点和光（e）20 时长波红外MTF曲线（f）70 时长波红外MTF曲线图3在不同温度下的中波和长波红外MTF曲线（a）中波（b）长波FIELDPOSITION0.00，1.000.000，6.150 mm0.00，-1.000.000，-6.150 mm0.00，-0.810.000，-5.000 mm0.00，-0.650.000，-4.000 mm0.00，-0.490.000，-3.000 mm0.00，0.000.000，0.000 mmDEFOCUSING17 10 13zb（20）POSITION10.000 00.500E-01 mm04-NOV-2015RMS=0.014 773100%=0.029 596RMS=0.014 773100%=0.029 596RMS=0.012 433100%=0.026 930RMS=0.012 785100%=0.030 327RMS=0.012 735100%=0.029 652RMS=0.011 709100%=0.021 637FIELDPOSITION0.00，1.000.000，6.150 mm0.00，-1.000.000，-6.150 mm0.00，-0.810.000，-5.000 mm0.00，-0.650.000，-4.000 mm0.00，-0.490.000，-3.000 mm0.00，0.000.000，0.000 mmDEFOCUSING10 58 41cb（20）POSITION30.000 00.500E-01 mm17-NOV-2015RMS=0.017 824100%=0.038 272RMS=0.017 824100%=0.038 272RMS=0.012 968100%=0.028 001RMS=0.013 290100%=0.026 951RMS=0.013 740100%=0.030 661RMS=0.013 110100%=0.027 300图4光学系统的弥散斑（a）中波（b）长波图5光学系统畸变ASTIGMATICFIELD CURVESDISTORTIONFOCUS（MILLIMETERS）zb（20）%DISTORTIONPOSITION 105-NOV-15IMG HT6.154.623.081.54-0.10-0.050.000.050.10-5.0-2.50.02.55.06.154.623.081.54IMG HTSTASTIGMATICFIELD CURVESDISTORTIONFOCUS（MILLIMETERS）cb（20）%DISTORTIONPOSITION 617-NOV-15IMG HT6.174.633.081.54-0.2-0.10.00.10.2-5.0-2.50.02.55.06.174.633.081.54IMG HTS T王少白，等.红外双波段共光路消热差光学系统设计cb（20）DIFFRACTION MTFPOSITION 416-NOV-15DIFFRACTION LIMITAXISTRTRTRTR-0.5 FIELD（1.40）-0.7 FIELD（1.85）-1.0 FIELD（2.78）-0.8 FIELD（2.29）WAVELENGTHWEIGHTDEFOCUSING0.000 009 000.0 nm110 000.0 nm18 000.0 nm15 000.0 nm04 000.0 nm03 000.0 nm01.00.90.80.70.60.50.40.30.20.1MODULATION3.06.09.012.015.0SPATIAL FREQUENCY（CYCLES/mm）cb（70）DIFFRACTION MTFPOSITION 616-NOV-15DIFFRACTION LIMITAXISTRTRTRTR-0.5 FIELD（1.39）-0.7 FIELD（1.85）-1.0 FIELD（2.78）-0.8 FIELD（2.29）WAVELENGTHWEIGHTDEFOCUSING0.000 009 000.0 nm110 000.0 nm18 000.0 nm15 000.0 nm04 000.0 nm03 000.0 nm01.00.90.80.70.60.50.40.30.20.1MODULATION3.06.09.012.015.0SPATIAL FREQUENCY（CYCLES/mm）第8期13学材料特性，通过引入非球面，采用被动消像差法，设计出一种基于中长波红外双色探测器，工作波段包含35 m和810 m的双波段共光路光学系统。该系统可在-55+70 的环境中工作，结构紧凑、成像质量良好，可适用于双波段的红外搜索跟踪系统等机载光电系统。参考文献：1 吴海清，王海霞，赵新亮，等.双波段/双视场红外光学系统设计 J.红外技术，2010（11）：640-6442 陈建发，王合龙，刘欣.中波红外光学系统光学被动无热化设计 J.电光与控制，2013（12）：88-91.3 JAMIESONTH.Thermaleffectsinopticalsystems J.Proc Spie，1981（20）：156-160.4 OLIVIERI M，PIERI S，ROMOLI A.Analysis of defocusing thermal effects in optical systems J.Proceedings ofSPIE-The International Society for Optical Engineering，1996，2774：283-292.5 HUDYMA R M.Athermal MWIR Objectives J.Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering，1995，2540：229-235.6TAMAGAWA Y，TAJIME T.Dual-band optical systems with a projective athermal chart:design J.Applied Optics，1997（1）：297-301.7 TAMAGAWA Y，TAJIME T.Expansion of an athermal chart into a multilens system with thick lenses spacedapart J.Opt Eng，1996（10）：3001-3006.8 胡玉禧，周绍祥，相里斌，等.消热差光学系统设计 J.光学学报，2000（10）：1386-1391.9 胡玉禧，相里斌，杨剑峰.空间光学系统无热化设计 J.量子电子学报，2000（3）：274-278.10 焦明印.光学系统实现热补偿的通用条件 J.应用光学，2006（3）：195-197.11 温彦博，白剑，侯西云，等.红外无热化混合光学系统设计 J.光学仪器，2005（5）：82-86.12 刘琳，沈为民，周健康.中波红外大相对孔径消热差光学系统的设计 J.中国激光，2010（3）：675-679.王少白，等.红外双波段共光路消热差光学系统设计