基于硫系玻璃长波红外无热化光学系统设计

陈利

【摘要】根据硫系玻璃具有热稳定性高的特点，设计了一款焦距为85mm的长波红外定焦光学系统，相对孔径为0.9。该光学系统采用被动无热化模式，能在环境为-40℃～+60℃范围内工作，在奈奎斯特频率20lp/mm处，调制传递函数MTF值大于0.5，成像质量良好，能应用于众多红外探测系统中。

【关键词】红外光学系统 无热化 光学设计

一、引言

常规红外光学材料热稳定性差，在不同环境温度下，会导致红外光学系统热离焦，造成成像质量下降，像面模糊，因此，红外光学系统都需要进行消热差设计。常规消热差方法有机械主动式、机械被动式和光学被动式，光学被动式具有结构简单、稳定性高、重量轻等特点，能应用于精确制导、无人机侦查等领域，受到光学设计者的青睐。一般情况下，可以通过锗和硒化锌材料搭配消除焦距较短的长波红外光学系统的热离焦，但是，随着焦距或者相对孔径的增大，校正难度会陡然增加，难以达到较好的成像质量。

近年来，硫系玻璃以其热稳定好、透过率高、可以热压膜成型等特点，已逐步应用于长波红外被动成像光学系统中。本文使用硫系玻璃和锗材料搭配，设计一款光学被动式长波无热化红外光学系统，能够在-40 ℃～+60℃范围内具有良好的成像质量。

二、设计实例

针对长波非制冷384×288焦平面探测器，像元大小为25μm×25μm，工作波段为8～12μm，设计f85mmF0.9光学被动无热化光学系统。

硫系玻璃种类较多，国外较成熟的有美国的AMTIR系列、德国的IG系列和法国的GASIR系列等。国内起步较晚，目前提供材料稳定性较好的厂家有湖北新华光信息材料有限公司、宁波舜宇红外科技和成都光明等，各家材料均有优缺点。综合考虑各方因素，使用成都光明IRG系列硫系玻璃。

根据技术指标要求，系统需要在-40 ℃～+60℃范围内工作，且焦距偏长为85mm，选择合理的初始结构型式，利用CODEV软件进行优化设计，需要综合考虑系统体积重量、材料成本和成像质量等问题。经过反复优化，光学系统由两片硫系玻璃和三片锗透镜组合，第三片透镜和第四片透镜的材料为硫系玻璃，系统孔径光阑位于二者之间，为了提高系统像质，在锗透镜上使用了衍射面和非球面设计，二维示意图如图1所示。光学系统在-40℃和+60℃范围内传递函数曲线如图2所示。

由图2可知，在环境温度为-40℃和+60℃时，该光学系统在奈奎斯特频率20lp/mm处，MTF值均大于0.5，由于镜头组的热变形在该温度区间内可以被认为是线性规律，因此-40℃和+60℃的极限温度下镜头组的形变量分别代表了整个温度区间的正负最大变形，表明光学系统在-40℃～+60℃温度区间内，成像质量良好。

三、結论

设计了一种光学被动式长波红外无热化光学系统，焦距为85mm，相对孔径为0.9。该光学系统使用硫系玻璃和锗材料搭配消除热差，在-40℃～+60℃范围内均能达到较好的成像质量，可用于精确制导、电力巡线等军民品红外探测系统中，具有良好的应用前景。

参考文献：

[1]史浩东，张新等.基于硫系玻璃大相对孔径红外消热差红外光学系统设计[J].光学学报，2015，（6）.

[2]赵廷，邓健. 光学被动消热差的长波红外双视场光学系统设计[J]. 红外与激光工程，2014，（5）.