寬譜段紅外消熱差光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

寬譜段紅外消熱差光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中長(zhǎng)波紅外消熱差光學(xué)系統(tǒng)紅外光科學(xué)體系在現(xiàn)代目標(biāo)識(shí)別和研究領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。跨越連續(xù)紅外波段探測(cè)器的出現(xiàn),擴(kuò)大了對(duì)不同類(lèi)型目標(biāo)的探測(cè)能力,這樣可以在不同探測(cè)環(huán)境下使用同一光學(xué)系統(tǒng)對(duì)不同目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)、識(shí)別。本文設(shè)計(jì)的寬譜段紅外消熱差光學(xué)系統(tǒng)在紅外成像領(lǐng)域具有很大應(yīng)用前景。設(shè)計(jì)的中長(zhǎng)波紅外消熱差光學(xué)系統(tǒng)采用法國(guó)Sofradir公司研制的面陣規(guī)格為384×288,像元間距為2μm的雙色量子阱探測(cè)器作為接收器,工作波段為4.4μm~8.8μm,視場(chǎng)為3°×2.25°,F#與制冷探測(cè)器冷闌匹配為2.68,焦距為183mm。為了實(shí)現(xiàn)可加工性,所有面型皆為球面,通過(guò)對(duì)透鏡形式的合理選擇,透鏡之間的合理搭配,最終設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量良好,環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。1光學(xué)被動(dòng)消熱差的校正一般來(lái)說(shuō),紅外光學(xué)系統(tǒng)的波段跨度為μm級(jí)別,因此,在跨波段范圍內(nèi)玻璃的折射率將會(huì)發(fā)生相對(duì)較大的改變,通常由于折射率的改變會(huì)帶來(lái)像面的改變,而像面要保證成像質(zhì)量好,必須隨之變換。同時(shí),在溫度變化下,由于熱膨脹的影響,材料的形狀將會(huì)發(fā)生改變,進(jìn)而光線的偏折發(fā)生影響,像面像質(zhì)都會(huì)受到影響。因此如何在溫度變化以及波段變化的條件下均保證像面穩(wěn)定且像質(zhì)良好,是本設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)。同時(shí),由于采用了制冷探測(cè)器,光學(xué)系統(tǒng)光闌置于后方,這樣會(huì)帶來(lái)彗差等軸外像差的問(wèn)題,這對(duì)像差校正也帶來(lái)一定的難度。冷光闌示意圖如圖1所示。紅外光學(xué)系統(tǒng)采用制冷光闌作為探測(cè)器接受目標(biāo)時(shí),制冷探測(cè)器的冷闌將作為整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的孔徑光闌,起到限制光束的作用。采用制冷探測(cè)器的光學(xué)系統(tǒng)必須考慮冷光闌的匹配問(wèn)題,如圖2所示。從圖2可以看出,當(dāng)光線像方F數(shù)小于冷光闌所對(duì)應(yīng)的F數(shù)時(shí),將會(huì)有雜散光進(jìn)入到探測(cè)器的像面上,對(duì)成像像質(zhì)造成負(fù)面影響。所以,在使用制冷探測(cè)器時(shí),光學(xué)系統(tǒng)的像方F數(shù)應(yīng)嚴(yán)格與冷光闌所對(duì)應(yīng)的F數(shù)相等。光學(xué)被動(dòng)消熱差是指在滿(mǎn)足系統(tǒng)成像質(zhì)量要求的同時(shí),利用熱膨脹系數(shù)之間的差異,合理地分配光焦度,并使光學(xué)系統(tǒng)像面產(chǎn)生的離焦,由鏡筒材料產(chǎn)生的離焦相互補(bǔ)償,即:(1)式中Φi(i=1~4)表示第i塊透鏡所具備的光焦度大小,保證整體光焦度。公式(2)中χi為各種玻璃材料的熱膨脹系數(shù),為保證溫度變化下系統(tǒng)不產(chǎn)生離焦,玻璃透鏡的熱膨脹系數(shù)在紅外連續(xù)波段內(nèi)變化很小,但色差系數(shù)變化很大。所以,色差應(yīng)該在各個(gè)波段內(nèi)單獨(dú)校正。為保證光學(xué)系統(tǒng)在各個(gè)波段下消除色差,像質(zhì)保持穩(wěn)定,以下公式中viX,viY,viZ(i=1~4)分別代表第i塊玻璃在4.4μm~5.4μm、5.4μm~6.4μm、6.4μm~8.8μm各個(gè)波段中的色差系數(shù)。其表達(dá)式如下:(6)式~(8)式中,ni(number)(i=1~4)為第i塊玻璃在波段為number處所具備的折射率。根據(jù)(1)式~(7)式可以合理地選擇玻璃材料,得到對(duì)應(yīng)于每塊透鏡的初始光焦度,以及合理的光學(xué)設(shè)計(jì)初始結(jié)構(gòu)。1.1設(shè)計(jì)指標(biāo)系統(tǒng)指標(biāo)見(jiàn)表1所示。2系統(tǒng)成像環(huán)境驗(yàn)證根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求,以及計(jì)算所得的初始結(jié)構(gòu),結(jié)合ZEMAX光學(xué)軟件對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì),并分析不同溫度下的像質(zhì)。寬譜段消熱差紅外透鏡的最終設(shè)計(jì)結(jié)果如圖3所示。整個(gè)系統(tǒng)僅由4片透鏡組成,鏡筒材料為鈦合金,透鏡主要由硒化鋅(ZnSe),鍺(Ge)及硫化鋅(ZnS)材料組成,系統(tǒng)采用全球面,避免了非球面的使用,最大元件口徑134mm,總長(zhǎng)197.128mm。工作時(shí)F數(shù)保持不變,時(shí)刻保證冷光闌匹配。經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì),系統(tǒng)在各個(gè)波段在-40℃~+60℃溫度下像面穩(wěn)定,成像質(zhì)量?jī)?yōu)良。圖4、圖5、圖6分別為各個(gè)波段下不同溫度的光學(xué)調(diào)制函數(shù)曲線。圖4~圖6中傳遞函數(shù)曲線為20℃、-40℃、-10℃、60℃的情況。中波紅外波段系統(tǒng)在20lp/mm處軸上各溫度下的傳遞函數(shù)為0.55、0.52、0.56、0.55,邊緣處分別為0.46、0.44、0.48、0.47。長(zhǎng)波紅外波段系統(tǒng)在20lp/mm處軸上各溫度下的傳遞函數(shù)為0.41、0.39、0.42、0.40,邊緣處分別為0.35、0.34、0.36、0.37。以上數(shù)值均滿(mǎn)足環(huán)境適應(yīng)性及像質(zhì)要求。表2為各個(gè)波段下的光學(xué)系統(tǒng)畸變情況,由表2可知,光學(xué)系統(tǒng)在各個(gè)波段的畸變差異極小,對(duì)系統(tǒng)成像質(zhì)量影響不大。3被動(dòng)消熱差光學(xué)系統(tǒng)通過(guò)理論分析與推導(dǎo),結(jié)合被動(dòng)消熱差理論,通過(guò)合理地選擇透鏡結(jié)構(gòu)及透鏡相對(duì)位置,最終設(shè)計(jì)出了一款針對(duì)Sofradir公司研制的雙色量子阱紅外焦平面探測(cè)器的紅外寬譜段被動(dòng)消熱差光學(xué)系統(tǒng)。F#為2.68,