利用普通紅外光學(xué)材料實現(xiàn)的大視場光學(xué)被動無熱化系統(tǒng)應(yīng)用于當(dāng)前新型高分辨率、大面陣紅外探測器時存在透鏡數(shù)量多，不易實現(xiàn)輕量化、小型化的技術(shù)問題。為此，引入了低折射率溫度系數(shù)的硫系玻璃，并設(shè)計了一種工作波段為8~12um、視場為40°X32.5°、F數(shù)為1.0且適配1280X1024探測器的光學(xué)被動無熱化成像光學(xué)系統(tǒng)。設(shè)計結(jié)果表明，在一55℃~70℃的工作溫度范圍內(nèi)，探測器特征頻率421p/mm處的光學(xué)傳遞函數(shù)（ModulationTransferFunction，MTF）值均大于0.35，系統(tǒng)成像性能良好，能夠滿足實際工程應(yīng)用需求。

引言

近年來，隨著紅外探測器制造工藝技術(shù)的進(jìn)步，非制冷紅外探測器在提高靈敏度及幀頻的同時擴大了陣列規(guī)模、減小了像元間距，從而實現(xiàn)了高分辨率。這就提升了非制冷紅外系統(tǒng)的目標(biāo)探測與識別能力，使得該系統(tǒng)在軍民領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用成為可能。

在國外，美國Raytheon公司開發(fā)了陣列規(guī)模為2048X1536、像元間距為17μm的大面陣非制冷紅外探測器；英國BAE公司開發(fā)了陣列規(guī)模為1920X1200、像元間距為12μm的大面陣非制冷紅外探測器。在國內(nèi)，武漢高德紅外股份有限公司實現(xiàn)了陣列規(guī)模為1280X1024、像元間距為12μm的非制冷長波紅外探測器的量產(chǎn)；煙臺艾睿光電科技有限公司也開發(fā)了陣列規(guī)模為1280X1024、像元間距為12μm 的氧化釩非制冷紅外焦平面探測器；北方廣微科技有限公司研制的像元間距為17μm的2048X1536全畫幅非制冷紅外探測器可適用于各個軍民高端應(yīng)用領(lǐng)域。 在工程應(yīng)用中，光學(xué)鏡頭的靶面應(yīng)大于探測器的靶面，否則可見光系統(tǒng)和紅外系統(tǒng)就會分別出現(xiàn)圖像四角發(fā)暗和圖像四角發(fā)白的現(xiàn)象。當(dāng)前新型1280X1024紅外探測器的靶面大，導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計難度大。因此，研究能夠適配這種高分辨率、大面陣紅外探測器的無熱化紅外光學(xué)系統(tǒng)具有重要意義。

由于溫度變化會造成紅外光學(xué)材料的折射率發(fā)生明顯改變，當(dāng)紅外光學(xué)系統(tǒng)的工作環(huán)境溫度發(fā)生變化時，成像光學(xué)系統(tǒng)的像面會產(chǎn)生移動，從而造成系統(tǒng)成像性能下降。因此，對于工作環(huán)境溫度變化較大的紅外光學(xué)系統(tǒng)來說，需要進(jìn)行無熱化設(shè)計，以消除或減小溫度效應(yīng)對成像質(zhì)量的影響，使得光學(xué)系統(tǒng)在一個較大的溫度范圍內(nèi)保持良好的成像性能。

本文針對像元間距為12μm的1280X1024非制冷紅外探測器，設(shè)計了一種工作波段為8~12μm、視場為40°X32.5°、F數(shù)為1.0的大視場紅外光學(xué)系統(tǒng)。在設(shè)計中引人了折射率溫度系數(shù)較小的硫系玻璃。結(jié)果表明，在進(jìn)行大視場、大面陣無熱化紅外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計時，硫系玻璃可以在減少透鏡數(shù)量的同時減少透鏡表面非球面的應(yīng)用數(shù)量，從而實現(xiàn)小型化、輕量化設(shè)計。該系統(tǒng)在不同溫度條件下探測器所對應(yīng)的特征頻率42lp/mm處的MTF值均大于0.35，成像性能良好，結(jié)構(gòu)簡單，裝調(diào)效率高，可廣泛應(yīng)用于工作溫度范圍變化較大的安防監(jiān)控、夜視導(dǎo)航、小型機載光電系統(tǒng)等軍民領(lǐng)域。 1 設(shè)計思路不同紅外光學(xué)材料具有不同的熱特性。光學(xué)被動無熱化是通過光學(xué)系統(tǒng)中不同熱特性材料之間的組合來消除溫度對光學(xué)系統(tǒng)成像的影響，從而實現(xiàn)無熱化設(shè)計。此類結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性強、裝配效率高的特點，適用于批量化生產(chǎn)。 硫系玻璃是含有硫系元素 S、Se、Te中的一種或幾種，同時還含有Ge、 Si、As、Sb等元素中的一種或幾種的非晶態(tài)材料，其紅外透過范圍為1~14μm，在近紅外至遠(yuǎn)紅外波長區(qū)域內(nèi)均具有良好的光學(xué)透過性能。其次，硫系玻璃的轉(zhuǎn)變溫度較低、化學(xué)穩(wěn)定性良好，可以進(jìn)行精密模壓加工。此外，由于折射率溫度系數(shù)低、色散系數(shù)小，硫系玻璃可作為消色差及消熱差無熱化設(shè)計中的紅外材料使用。

圖1.彎月形負(fù)透鏡前組光線發(fā)散示意圖

圖2.光學(xué)系統(tǒng)的三維光路圖

結(jié)束語

本文開展了硫系玻璃在寬溫紅外光學(xué)系統(tǒng)無熱化設(shè)計中的應(yīng)用研究。針對目前陣列規(guī)模為1280X1024、像元間距為12μm 的新型高分辨率非制冷長波紅外探測器，設(shè)計了一種溫度范圍為﹣55℃~70℃、視場為40°X32.5°的非制冷長波紅外成像光學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，在不同溫度條件下成像性能良好，將在工作溫度范圍變化較大的安防監(jiān)控、夜視導(dǎo)航、小型機載光電系統(tǒng)等軍民領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。下一步的研究重點是利用硫系玻璃實現(xiàn)連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的小型化、輕量化設(shè)計。

審核編輯：郭婷