小视场红外探头光学系统理论分析与设计

张晓朋，张国玉，2，陈占芳，宋可平，张宇

(1.长春理工大学，长春 130022；2.光电测控与光信息传输技术教育部重点实验室，长春 130022；3.清华大学 精密仪器与机械学系，北京 100084)

小视场红外探头是用来标定地球模拟器张角大小的关键部件。而小视场红外光学系统是其主要组成部分。在地球张角标定中，当采用一束细光线进行测量时，得到的地球波是矩形波，这时测试用的探头视场应是一个点，而这在工程上是不可能实现的。从地球模拟器张角标定的需要出发，希望红外探头的视场角越小越好，但是视场角变小，会使张角标定设备的信噪比降低，当采用具有一定大小视场的探头进行测试时，得到的地球波是一梯形波，斜边的宽度反比于视场的大小，由此又会带来测量误差。为减小测量误差，要求测试用探头的视场应足够小，且探头要有较高的信噪比，否则探头的噪声会影响测试精度。

1 小视场红外探头设计要求

由于小视场红外光学系统是用于对地球模拟器进行性能标定，视场角的大小必将影响标定精度，所以在设计中必须重点考虑。对红外光学系统来说，热敏电阻红外探测元件必须安放在它的像面上。众所周知，热敏电阻元件是个能量转换器件，从这一点来考虑，该元件必须设计在弥散斑最小的位置上，在视场内光线要100%的到达热敏电阻的敏感面，以接收目标发出的尽可能集中的光能。

(1)设计主要技术指标：

焦距f'=200～240mm；

热敏电阻敏感面尺寸0.13mm×0.13mm；

(2)物镜的外形尺寸：

镜筒长L=250～270mm。

2 红外光学系统设计

如图1所示，小视场红外光学系统由物镜(弯月镜)、浸没透镜和热敏电阻红外探测器及光阑组成[1]。

图1 小视场红外光学系统Fig.1 Infrared Optical System for Small Field

光学系统的结构设计是保证光学设计的主要技术指标达到设计要求的有效手段。为提高结构的设计精度，在设计中首先考虑弯月镜和红外探测器在镜筒中的定位面和基准面的垂直度和同轴度，选择合理的公差配合，保证了光轴和机械轴的一致；第二，设计时加入了消杂散光光阑，有效防止视场以外的无效光线和光学系统镜筒内壁的反射光线进入热敏电阻红外探测器；第三，设计了调焦垫圈，使热敏电阻红外探测器安装在弯月镜的焦平面上，提高安装精度。

2.1 弯月镜设计

弯月镜是主光学系统，它对性能和结构起主要作用，所以在设计中重点考虑红外光学系统的光学效率，并通过光路计算进行调整，得到最佳方案。

从减低光学零件的吸收来设计弯月锗透镜的中心厚度。由于锗的吸收与波长和厚度有关，波长越长，吸收越大;厚度增加，吸收也增加，锗透镜的吸收率和透射率公式：

从有关光学仪器设计资料可知，正透镜的中心厚度d与直径D之比应取1/15～1/10，由于透镜曲率半径 r1和 r2较大，透镜边缘也较厚，取 d/D=1/12.5，在本光学系统的设计中，取弯月锗透镜的中心厚度d=2mm。

2.2 浸没透镜设计

浸没透镜使用在会聚光路中，相对于主光学系统的位置及曲面半径大小对主光学系统的像差和结构都有一定的影响。设计浸没透镜时应使u'达到最大，使像面中心获得最大照度，这样使用超半球透镜可以显著的缩小探测器敏感面的面积，提高探测器的信噪比和浸没增益，这对设计小视场红外光学系统尤其重要。然后以视场角2为出发点进行光线追迹，调整参数，根据超半球浸没透镜的物象共轭关系来设计，确定最佳位置。

图2 小视场红外探头光学系统光路图Fig.2 Optical Path in Infrared Probe Optical System for Small Field

2.3 光路计算

为了在限制条件下设计出比较理想的小视场红外探头组合件，决定适当增加焦距，使F数也略有增加，达到尽可能减小视场角的目的，所以在设计中采用f'=236.709mm，使F数达到0.986满足了对超半球浸没透镜系统的要求。在设计中充分考虑了球差及弥散斑的大小；考虑光学加工工艺允许条件下减小光学零件的厚度，达到提高光学系统的光学效率。小视场红外探头光学系统的像差曲线及点列图如图3-图5所示。

图3 小视场红外探头光学系统场曲和畸变像差曲线Fig.3 Field distortion and aberration curve in infrared probe optical system for small field

图4 小视场红外探头光学系统轴外点像差曲线Fig.4 Off-axis aberration curve in infrared probe optical system for small field

图5 小视场红外探头光学系统点列图Fig.5 Spot diagram in Infrared probe optical system for small field

从以上像差曲线及点列图可以得出，该设计弥散斑较小，光能分布均匀，设计的小视场红外探头光学系统像差小、像质好，设计指标达到要求。

3 结论

根据以上分析及系统测试结果可知，本文采用超半球浸没透镜的设计方法研制出视场较小、符合实际工程应用的小视场红外探头，并设计出了比较理想的小视场光学系统，满足了张角标定要求。

[1]黄心耕.小视场红外光学系统设计[M].航天控制，2004，22(5)：85-92.

[2]张国玉，张帆，徐熙平，等.小型准直式红外地球模拟器研究[J].仪器仪表学报，2007，28：545-549.