红外相机共孔径双波段成像光学系统

汤天瑾，李 岩

（北京空间机电研究所，北京100080）

引言

红外成像系统主要用于探测目标的自身辐射，能够把物体表面发出的红外辐射分布转换为可见光图像，从而将人类的视觉感知范围由传统的可见光光谱拓展到红外辐射光谱区。因此，红外成像系统具有隐蔽性好、不受光照条件限制、抗干扰能力强、可实现远距离和全天时工作的优点。高分辨率、高灵敏度的红外成像系统在空间遥感器领域占有极其重要的地位，已经广泛应用到民用和军事的各个领域。

随着伪装技术的不断发展、使用区域和气候温度的范围不断扩大，目标探测和识别的难度也不断增大。单一红外谱段的探测已经很难满足各类不同的需求，探测景物的多波段红外辐射成为提高红外成像系统探测效能的有效手段之一。根据普朗克黑体辐射定律，中波红外主要用于观测高温事件，长波红外谱段主要用于探测常温物体轮廓。因此，利用多个波段的成像特点，根据目标和背景的辐射与反射特性，对2个波段红外辐射同时进行探测可以获取更多的目标信息，且能够在存在杂乱回波的情况下探测目标，从而有效剔除探测目标的伪装信息，提高目标的探测效率和识别能力。早在20世纪60年代，英国就已经成功研制了双色SPPRTIE探测器，并在此基础上研制了双色热红外成像仪。20世纪70年代末，中、长波双波段红外成像系统已在欧美军方得到广泛应用。目前，国内已经有多家科研机构开展了红外双谱段成像系统的研究。本文在对红外双波段成像系统深入研究的基础上，设计了一种折反射式双波段成像光学系统，工作谱段分别为3.7μm～4.8μm 和7.7μm ～10.3μm，两谱段焦距均为800mm，F数分别为2.3和2.8，视场角1.2°，仿真分析结果表明，成像像质接近衍射极限，完全能够满足红外探测系统的使用需求。

1 光学系统结构形式

传统的红外相机光学系统结构形式一般有3种：折射式、反射式和折反射式。由于大口径、高品质的透镜材料难于获取，红外透镜材料种类少且宽谱段色差不易消除，大口径折射式镜头难以实现；反射式系统无色差，多波段系统可共用口径，但其轴外像差较大，一般多与折射式中继镜组相结合形成折反射式系统。

双波段光学系统主要有分孔径式和共孔径式2种，其组成原理如图1。对于分孔径的结构形式，需要利用2个独立的镜头实现不同谱段成像，其组成如图1（a）所示；共孔径结构形式又包括2种，如图1（b），2个波段共用所有的光学元件，选用双波段响应的探测器，如双波段碲镉汞焦平面阵列和量子阱红外光电探测阵列，美国FLIR公司和法国Sofradir公司已经实现了双波段探测器的应用；共孔径分光路式如图1（c），两通道共用部分光学元件，利用分光元件和中继镜组将不同波段的红外辐射聚焦到2个不同的探测器上。

图1 分孔径及共孔径式系统原理图Fig.1 Configurations of common aperture and separated aperture

分孔径式由于采用2个镜头，其体积、质量大，且各镜头相对位置不易保证，难以满足遥感器小型、轻质和高稳定性的要求。共孔径式光机结构更加紧凑，采用折反射式还可以实现长焦距和大口径，特别适用于高精度遥感器光学系统。

共口径共光路光学系统可根据具体孔径选择折射式和反射式结构。对于折射式系统，由于红外光学材料种类较少，且在2个波段的性能差异较大，对于共孔径共光路光学系统，需要把双波段光学系统当成一个宽波段光学系统（3.5μm～10.5 μm）进行设计，设计难点为宽波段二级光谱的矫正。

根据几何光学理论，二级光谱是高级色差的一种，是宽谱段、长焦距光学系统要重要考虑的像差，若要同时校正色差和二级光谱，需要同时满足以下公式：

式中：hi为第一近轴光线在第i片透镜上的高度；φ为光学系统的光焦度；φi为第i片透镜的光焦度；υi为第i片透镜材料的阿贝数；pi为第i片透镜材料的相对部分色散系数。

图2为红外光学材料的p－v图。根据以上公式可知，至少需要选择3种不同的材料，其中一种材料需要偏离中间线，就可以校正二级光谱。3种材料构成的三角形越大，二级光谱越容易校正。

图2 红外光学材料p－v图Fig.2 p－v of infrared materials

对于中波和长波红外光学系统，适合选择的光学材料较少，考虑到光学材料本身的光学加工特性，通常选择锗、硒化锌和硫化锌3种材料。其中，硫化锌的折射率最低，考虑场曲和色差的矫正，作为负透镜使用。色散较小的硒化锌可作为正透镜使用，锗透镜用以辅助修正球差和彗差等。通过光焦度的优化分配，同时校正其他像差。

由于双色红外探测器技术尚存在瓶颈，目前的双波段红外成像系统基本上是基于2个不同的红外探测器的分体式设计。相比之下，采用折反射式共孔径分光路形式，共用部分光学元件，将2个波段单独消除色差，设计难度大大降低，同时具有较高的能量效率；共用光学元件可根据需要选择折射式和反射式2种结构形式。

与一般光学系统相比，共孔径分光路结构形式需要在汇聚光路中采用分色元件对2个谱段进行分光，同时为了使2个通道的光学元件合理布局，分光元件需要倾斜放置。根据几何光学理论，倾斜的分色片引入的像差可表示为

式中：U和u分别为光线在分色片前后的会聚角；UP和up分别为分色片前后表面的倾斜角；t为分色片的中心厚度；n为分色片折射率；v为分色片阿贝数。

分色片还会引入光线的垂轴偏移，其大小为

式中I和I′分别为光线在分色片前表面的入射角和折射角。

根据公式（4）～（8），像散、彗差和轴向色差与分色片的倾斜角度成正比（正相关）；分色片的中心厚度与色差、球差、像散和彗差成正比；分色片材料的折射率越高，则其产生的像差越大。综上可以看出，分色片的倾斜角度、厚度和折射率将直接影响光学系统的成像质量，设计时在考虑空间布局和强度的前提下，分色片应尽量选用低折射率材料，厚度和倾斜角度尽可能小。同时，设计过程中还需要考虑分色片引入的光轴平移问题。

2 光学系统设计实例

2.1 光学系统设计指标分析

光学系统设计指标如表1所示。为了降低热噪声，避免红外辐射对成像质量的影响，冷光阑匹配效率应等于或接近100%，且全视场内无渐晕。本文所要设计的光学系统属于大口径、大相对孔径、小视场、宽波段范围的红外成像系统，中波和长波探测器均需要制冷，以降低探测器的热噪声。综合本文的分析，光学系统选用共孔径分光路折反射结构形式。

表1 系统性能技术指标要求Table 1 Design parameters of optical system

2.2 光学系统设计及像质评价

经典的卡赛格林光学系统主镜为抛物面、次镜为双曲面型，只能校正球差，且有效视场小；将主镜换为双曲面型，则可以校正系统的球差和彗差，但边缘视场的像散、场曲和彗差难以校正。可以通过中继镜组校正像差，中继镜组的光焦度和主镜、次境的光焦度匹配以校正场曲，利用透镜弯曲校正像散和畸变。两反射镜系统原理示意图如下图3所示。

图3 卡塞格林光学系统示意图Fig.3 Diagrammatic sketch of Cassegrain optics

对于望远系统，假定物体位于无穷远，即ll＝∞，u1＝0，入瞳位于主镜M1上。次镜M2会引入遮拦，使进入系统的能量下降，系统衍射极限降低，次镜的遮拦比α为

而次镜的放大倍率β为

由此可以得到主次镜的参数关系如下：

本文计算出系统的初始结构参数之后，利用三级像差系数（球差SI、彗差SII、像散SIII和场曲SIV）求解非球面二次非球面系数k1和k2。同时考虑系统的像面位置、中心遮拦和工作距的要求，调整α和β的值，校正球差、彗差、像散和匹兹万场曲，得到多组解。综合考虑系统结构尺寸、非球面加工难易程度以及光线的分布情况等因素，反复调整试算，求得多组系统初始结构参数。在此基础上，利用光学设计软件，对初始结构进行优化及优选。两反射镜的初始参数如表2所示。其中R为反射镜顶点曲率半径（mm），d为反射镜与光路方向下一反射镜曲率顶点的间距（mm），k为对应反射面的二次非球面系数。

表2 两反射镜系统初始结构参数Table 2 Cassegrain optics initial configuration parameters

选择卡塞格林两反系统作为双波段光学系统的共用光学元件，可以实现大口径，反射镜镀膜后可以在中波和长波红外谱段范围内都实现高反射率，结构形式简单、外形体积小。

为了尽量减小红外系统的热辐射杂光，光学系统中波和长波通道均采用制冷型探测器。两通道的光阑均放置在各自出瞳位置。中波红外谱段经分色片前表面反射，经过中波红外中继镜组，出瞳与探测器的冷光阑重合；长波红外谱段透过分色片，经过长波红外中继镜组后，出瞳与长波红外探测器冷光阑重合；实现双波段冷光阑100%匹配。

综合考虑结构布局和分色镜的结构尺寸，将分色镜放置在一次像附近。分色片材料为ZnSe，厚度为7mm。图4给出了采用ZEMAX软件优化设计的光学系统结构示意图。

2个中继透镜组材料的选择只需要在较窄的范围内校正色差，同时通过光焦度的优化匹配和引入非球面，尽量简化系统结构形式并提高成像质量。中波通道中继透镜组由5片透镜构成，材料为Si和ZnSe；长波通道中继透镜组由4片透镜构成，材料为Ge和ZnSe。

图4 双波段光学系统结构形式图Fig.4 Optical path of designed dual－channel optics

图5给出了优化后的双波段光学系统全视场调制传递函数曲线，可以看出，中波谱段在其耐奎斯特频率20lp／mm处调制传递函数平均值约为0.5，长波谱段在其耐奎斯特频率12.5lp／mm处调制传递函数平均值约为0.5，全视场内调制传递函数接近衍射极限。

图6给出了双波段光学系统点列图，图中圆环为艾里斑。可以看出，2个通道全视场内各视场弥散斑均小于艾里斑直径，设计结果接近衍射极限。

图5 中波和长波通道调制传递函数曲线Fig.5 MTFs of mid－wave and long－wave channels

图6 中波和长波通道系统像面处点列图Fig.6 Spot diagrams on focal plane of mid－wave and long－wave channels

3 结论

本文讨论了红外相机双波段光学系统结构形式的选择，以满足工程应用为目标，分析了系统的各项指标及要求，给出了一种折反射式共孔径分光路成像光学系统的设计结果。2个通道共用卡塞格林两反射镜主光学系统，在一次像附近放置分色片分光，通过独立的中继镜组，实现双波段冷光阑100%匹配。该光学系统各谱段在各自耐奎斯特频率处调制传递函数接近衍射极限，满足设计指标要求。

［1］ Liu Kai，Chen Rongli，Chang Lingying，et al.Common－aperture dual－channel infrared scanning imaging optical system［J］.Journal of Applied Optics，2012，33（2）：395－400.

刘凯，陈荣利，常凌颖，等.共口径双通道红外扫描成像光学系统［J］.应用光学，2012，33（2）：395－400.

［2］ Zhang Xingde，Li Ronggang，Liu Lin，et al.Research and development of dual－band infrared camera system［J］.Laser ＆Infrared，2010，40（8）：801－804.张兴德，李荣刚，刘琳，等.红外双波段成像系统的研究与发展［J］.激光与红外，2010，40（8）：801－804.

［3］ Guo Shengnan，Fu Yyuegang，Liu Zhiying，et al.Athermal design of two－color infrared common aperture optical system［J］.Journal of Applied Optics ，2014，34（6）：1020－1024.郭晟男 付跃刚，刘智颖，等.双色红外共孔径消热差光 学 系 统 设 计 ［J］.应 用 光 学，2014，34（6）：1020－1024.

［4］ Wang Xinglin，Li Lin，Li Zhuo，et al.Dual－band projection optical system design of infrared target simulator［J］.Optical Technique，2014，40（2）：123－127.王兴龙，李林，李卓，等.红外场景投射器双波段投影光学系统设计［J］.光学技术，2014，40（2）：123－127.

［5］ Li Peimao，Wang Xia，Jin Weiqi，et al.Dual－band infrared optical system design and image quality evaluation［J］.Infrared and Laser Engineering，2013，42（11）：2882－2888.李培茂，王霞，金伟其，等.双波段红外光学系统设计与像质评价［J］.红外与激光工程，2013，42（11）：2882－2888.

［6］ Chen Jiao，Luan Yadong，Hu Bo，et al.Optical design of visible and IR spectral catadioptric system［J］.Journal of Applied Optics，2014，35（6）：955－959.陈姣，栾亚东，胡博，等.可见与红外双波段折反光学系统设计［J］.应用光学，2014，35（6）：955－959.

［7］ Duan Weibo，Liu Dingquan，Zhang Fengshan.Infrared dichrochic filter used in multi－channel imageforming system［J］.Journal of Infrared and Millimeter WAVES，2008，27（5）：397－400.段微波，刘定权，张凤山.一种用于多通道成像系统的宽光谱红外分色片［J］.红外与毫米波学报，2008，27（5）：397－400.

［8］ Luo Chunhua，Wang Lihui，Wang Xin.Design of practical dual－band common aperture optical system［J］.Laser ＆Infrared，2014，44（2）：196－199.罗春华，王丽慧，王鑫.实用双波段共孔径光学系统设计［J］.激光与红外，2014，44（2）：196－199.

［9］ Li Xiaotong.Geometrical optics and optical design［M］.Hangzhou：Zhejiang University Press，1997.李晓彤.几何光学与光学设计［M］.杭州：浙江大学出版社，1997.

［10］ Yu Daoyin.Physical optics［M］.Hangzhou：Zhejiang University Press，2002.郁道银.物理光学［M］.杭州：浙江大学出版社，2002.