轻小型折衍射混合红外中波摄远物镜无热化设计

牟 蒙，牟 达，马 军，李 卓



轻小型折衍射混合红外中波摄远物镜无热化设计

牟 蒙1，牟 达1，马 军2，李 卓1

（1.长春理工大学现代光学测试实验室，吉林 长春 130022；2.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130022）

由于红外具有能识别伪装、可昼夜工作和被动工作的优势而被广泛地应用于跟踪和搜索系统。而这些系统要求红外光学系统成像清晰、结构紧凑、可适应较大的温度变化。依据光学被动消热差的方法设计了可在较宽温度范围工作、成像质量优良、结构紧凑、体积小的红外中波摄远物镜，其摄远比可达到0.6。系统参数如下：工作波段为3～5mm，焦距150mm，数为3，工作温度为－40℃～60℃。设计结果显示，该系统仅采用3片透镜并利用衍射元件消热差完成了无热化的要求，减少了系统的成本及重量，传递函数在17lp/mm处均在0.8以上，与衍射极限十分接近，满足在宽温度范围内工作成像质量高及系统小型化的要求。

红外中波摄远物镜；无热化设计；折衍射混合系统；结构紧凑

0 引言

由于红外具有可以实现远距离、全天候观察、被动接收信息隐蔽性好等优点，这些特点特别适合在军事领域的应用，因此，各国都以巨额投资竞相开展红外这一领域的研究工作。但是由于使用的区域不同、气候不同，导致其使用环境温度变化较大。不同于长波红外在常温时能清晰表达物轮廓信息，中波红外通常用于高温热事件中，如红外警戒多用中波红外来看目标热源。而红外材料相对于可见光材料来讲，对温度较为敏感，如锗单晶的折射率温度系数值约为K9玻璃的198倍左右[1]。这样，温度的变化就会引起材料的变化，随之用该材料加工的透镜的相关参数也会发生改变，进而导致红外光学系统的像面偏移设计好的最佳像面，严重影响成像的清晰度。因此，对于红外光学系统的设计，需要考虑温度变化带来的影响并消除这种影响即无热化设计。对于消除热差及色差有明显效果的莫过于衍射元件。随着衍射元件加工工艺的成熟，将其应用在红外光学系统中配合折射元件使用来实现消热差的方法已被越来越多的设计者所采用。随着光电产品的发展逐渐趋于紧凑化、集成化与智能化。光学系统的发展也在力求能达到体积小、重量轻、成本低、结构简单紧凑易于实现等要求。加之红外材料价格较之普通的材料较为昂贵，系统透镜太多不利于装调等因素。这就要求在设计的过程中考虑采用特殊的结构，恰当的方法来减少透镜的使用片数，降低成本、减小体积及减轻重量。基于上面的分析考虑，本设计利用折射元件与衍射元件的配合消除热差及色差，减少透镜使用数量，采用摄远物镜的设计方式，来达到缩短筒长的目的。设计出了工作波段为3～5mm、焦距为150mm、数为3，可在－40℃～60℃的环境中工作的中波红外摄远物镜。虽然非制冷探测器成本低、重量轻[2]，但非制冷探测器属于光热探测器，灵敏度较制冷探测器低，所以选用制冷型探测器，其大小为320×225，像元尺寸为30mm。镜筒材料采用线膨胀系数为1.0×10－6℃－1的铟钢合金。孔径光阑设置在冷屏上，保证了在所有视场的100%冷光阑效率。

1 理论基础

1.1 衍射元件的色散特性

通常，对于折射光学材料来说，波长越大折射率越小，对非单色光成像会产生色差。常用阿贝数来描述光学材料的色散特性。类似于折射光学材料对色散的定义，可以推导出衍射元件的色散特性。下面给出推导过程：

设衍射元件工作波段为0＜1＜2，中心波长1对应的光焦度为1。用两表面曲率之差为0的薄透镜替代衍射元件，那么其在1处的折射率为[3]：

由衍射元件光焦度公式可得：

那么波长2对应的折射率为：

从上式可以算出，在中波3～5mm时，衍射元件的1为－1.5（中心波长为4mm时）。

因而可知衍射元件的色散性与元件材料无关，仅与工作波长相关。其值的大小与工作波段的波长确定；折射材料的阿贝数多为正数，因此衍射元件的色散方向与折射元件相反，因此折射元件与衍射元件搭配使用可以很好的消除系统的色差。

1.2 红外消热差原理

光学补偿原理是利用各透镜组的焦距随温度变化而变化的规律，使系统的像保持稳定，同时保证系统焦距的补偿。要使光学系统能在一定的温度范围内具有良好的性能，系统必须同时满足总光焦度、对色差的校正、消热差的要求即下面给出的方程[4-8]：

式中：h为第一近轴光线在各透镜上的入射高度；为系统的总光焦度；i为各透镜的光焦度；Db,t光学元件色散引起的离焦；i为各透镜的色散因子，数值上等于阿贝数的倒数；i为光热膨胀系数db,t/d为光学元件温度效应引起的离焦；k为光学系统外部膨胀系数；为系统结构总长。

2 设计过程

2.1 无热化方式的选择

机械被动式消热差由于需要随着温度变化移动的机械元件，而电子主动式消热差需要电子设备进行辅助，这些无疑使系统复杂，体积及重量变大，尤其是机械式引入运动元件，使系统的可靠性降低，相对于这两种消热差方式，光学被动消热差是将具有不同特性的光学材料合理组合，利用不同材料对温度的敏感性不同相互热差补偿。使得系统在温度变化的时候像面仍保持恒定不动，因为系统内部没有运动组，所以系统的尺寸小、重量轻、可靠性和稳定性好[5]。

2.2 材料的选择

相对于可见光材料讲，红外光学系统材料的选择性比较小，常用的中波红外材料有锗、硫化锌、硒化锌、硅。对于锗来说，其在中波和长波时的色散系数不同，在中波时锗的阿贝数为100，而在长波时为800。在中波时，锗常被用作负透镜，相当于可见光系统中胶合透镜的火石玻璃；而在长波时，其常被用作正透镜，相当于可见光系统中胶合透镜的冕牌玻璃。在系统设计时需要考虑锗这种材料的光学特性。此外，锗对温度变化十分敏感，所以设计时要考虑红外系统的工作环境，若在温度变化较大的条件下工作，则必须对系统进行无热化设计才能保证成像质量不会发生变化。硅对红外中波透过性较好，对于红外长波存在吸收，所以通常被用于中波红外，其价格比锗低。硅的折射率略低于锗，属于高折射率、低色散的材料，对像差的校正十分有利[9]。硒化锌和硫化锌相对于锗和硅来说，其折射率较低，色散较高。而消色差需要材料的阿贝数相差较大的材料进行组合，消热差需要热差系数相差较大的材料进行组合，综上分析，设计系统时材料可以选择锗、硒化锌、硫化锌、硅进行搭配使用。

2.3 设计的实现

在初始结构的选择中，可以用pw法计算得到初始结构，也可以从已有的系统中选择和设计的系统参数接近的结构进行优化。由于前者较为复杂，所以考虑后者，即查找资料及文献来确定初始结构。

通过查找，找到一系统由3片透镜组成，应用波段为长波红外，材料分别为硒化锌、锗、锗。其相关参数与本设计略为接近，所以确定为初始结构。下面给出3种材料构成的消热差、色差的密接透镜光焦度分配公式[10]：

式中：＝A(BB－CC)＋B(CC－AA)＋C(AA－BB)；i为第个透镜的阿贝数。由上式可知通常实现光学被动无热化需要3种以上材料。而初始结构中仅有两种材料，所以在优化时需要将其中的一片锗材料替换。

由于此物镜采用摄远型，系统不仅能够校正色差、像散、球差和彗差，由于后组是负光焦度，所以还能够有效地对场曲进行校正。由于摄远物镜要求筒长小于焦距，因此在一定程度上减小了系统的体积，有利于系统的小型化。优化时首先在常温状态下保持光焦度分配不变的情况下对光学系统进行优化达到较好的成像质量。然后为了进一步考察温度对光学系统的影响，建立温度的多重结构，只有在温度变化时光学系统的像质保持良好的时候，光学系统的优化才基本完成。

在优化过程中，开始设置变量进行优化时，像质有所改善，但继续优化发现像质基本不变，加入多重结构以后，优化更难继续，这时考虑要替换材料，经过多次尝试，最终确定将最后一片锗透镜替换成硅透镜，继续优化，发现像质有明显改善，这也验证了上述所说的需要3种或3种以上材料来实现光学被动无热化设计。替换材料虽然让优化得以继续下去，但是却无法得到良好的成像质量。这时考虑要求系统结构简单，所以不选择增加透镜的片数来减小像差。

由于衍射元件具有调制波面形状任意性的能力，同时具有负色散特性，这两点均有利于校正系统像差。此外红外波段波长较长，故根据衍射理论设计出来的衍射面型微周期宽度较大，易于加工，同时红外材料大多可直接采用金刚石车床削出比较理想的衍射面型，因此考虑在折射元件的基础上加衍射面。引入二元面后，各视场在各温度下的像质明显改善，经优化最终系统的MTF在17lp/mm处的值在0.8以上，与衍射极限十分接近。

3 设计结果及像质评价

使用ZEMAX光学设计软件对系统进行优化，为了满足系统的设计要求，经过反复试验，获得高性能、高像质的3片无热化红外中波摄远物镜，其二维结构图如图1所示，根据摄远型特性，要求筒长小于焦距，该系统的筒长为90mm，而系统的焦距为150mm，结果表明，筒长远远小于焦距，摄远比为0.6，小于一般摄远物镜所要求的摄远比。

调制传递函数能够综合地、客观地、有效地对成像光学系统进行评价，是对光学系统进行评价的一种主要手段，其能够客观、准确地反映光学镜头的像质。

图1 摄远物镜结构图

红外无热化摄远物镜在－40℃～60℃时的MTF曲线如图2(a)～(c)所示，从图中可以看出，在3个不同温度点处，系统的MTF曲线与衍射极限非常接近，在截至频率17lp/mm时，在后截距27.676mm时，在各温度下各视场的传递函数MTF均大于0.8，接近衍射极限曲线0.9。

红外无热化摄远物镜在－40℃～60℃时的纵向像差图如图3(a)～(c)所示，从图中可以看出系统在各温度下均具有高级球差，但其值较小。从图中可以看出，引入衍射面后，各色纵向像差曲线接近重合，系统色差得到了明显的改善。

从表1可以看出各温度下系统的后焦距。设20℃时的离焦量为0，表1给出其他温度下系统相对于20℃时的离焦量，从表中可以看出，系统在－40℃时的离焦量最大，为－0.361mm，计算得系统的焦深为±72mm。系统的最大离焦量远远小于系统的焦深。

表1 光学系统离焦量表

(a) 温度在20℃MTF曲线 (b) 温度在－40℃MTF曲线 (c) 温度在60℃MTF曲线

图3 红外无热化摄远物镜纵向像差图

4 总结

论述了折衍混合消热差的原理，利用光学被动消热差方法设计了焦距为150mm，数为3，可在－40℃～60℃的温度环境下成良好像质的中波红外摄远物镜，采用摄远型结构，使筒长远远小于焦距，摄远比可达到0.6，系统结构紧凑，减小了系统体积及重量；引入衍射面，改善了系统的成像质量，避免了通过增加元件数量消热差，使系统结构简单、易于实现。

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Athermal Design of a Miniaturized Refractive-diffractive Hybrid MWIR Infrared Telephoto Lens

MU Meng1，MU Da1，Ma Jun2，LI Zhuo1

（1.,,130022,; 2.,,,130022,)

Infrared system has many advantages, such as recognizing camouflage, working all day, passive work and so on, so it is widely used in tracking and searching systems. However, these systems require that the infrared optical system has clear image, compact structure and can adapt to large temperature variations. According to the optical passive athermalized methods, a mid-wave infrared telephoto lens is designed. It can work in a wide temperature range, has excellent image quality, compact structure, and small volume. The telephoto ratio can reach 0.6. The parameters of system are as follows: working band is 3-5mm, focal length is 150mm,number is 3, and the working temperature is －40℃-60℃. The results show that the system only uses three lenses and diffractive elements to achieve athermalization requirements. It reduces cost and weight of the system, modulation transfer function is above 0.8 at 17lp/mm and close to the diffraction limit. It achieves the requirements that have excellent image quality over a wide temperature range and miniaturization.

infrared mid-wave telephoto lens，athermal design，refractive-diffractive hybrid system，compact structure

TN216

A

1001-8891(2015)05-0387-05

2014-12-14；

2015-01-23.

牟蒙（1990-），女，硕士，主要从事光学设计方面的研究。E-mail：1196061811@qq.com。

牟达（1979-），女，博士，副教授。研究方向为现代光学测试技术和光学设计。E-mail：md_79@126.com。

总装备部十二五预研基金项目资助课题。