一种长波标准成像镜头仿真设计

陈晓梅， 刘长江， 杜保林

(1.中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所，河南 洛阳 471000；2.中国人民解放军装甲兵学院，安徽 蚌埠 233050)

0 引言

制冷型红外探测器技术取得的最新进展已使之广泛用于军事用途。长波红外探测器作为IRST的重要传感器，目前主要依靠国外进口。由于制冷型长波红外探测器应用领域的特殊性，高性能的长波红外探测器对我国仍属禁运商品，工业级的探测器质量参差不齐，通常需要经严格筛选才能得到性能稳定的产品。在探测器筛选和验收过程中，需要有成像镜头配合其成像，才能方便地对其噪声等效温差(NETD)、最小可分辨温差(MRTD)、调制传递函数(MTF)等性能指标进行检测。但是如果选择的F数和视场不匹配，或者透过率、传函等指标无标称值的成像镜头作为探测器的验收辅助设备，则最终无法定量评价探测器自身的性能。本文设计了一套长波标准成像镜头，用于F数为2和视场小于6°的探测器筛选和验收。

1 指标要求

长波标准成像镜头的指标要求如下：工作波段7.7～9.5 μm，中心波长8.5 μm，探测器像元大小24 μm，视场5.9°×4.7°，F/#2，MTF空间频率为21 lp/mm时，轴上MTF>0.6，全视场MTF>0.5(理论值)，视场畸变2%，弥散斑小于15 μm (80%能量)，全视场内单像元能量汇聚度不低于60%，透过率大于80%，后截距大于6 mm，温度适应性为-45～+70 ℃。

2 光学系统设计

光学系统采用透射式结构，包含中间像面，为二次成像，共用7片红外光学材料。光学系统采用3个非球面，1个二元光学元件，该二元元件以锗为加工基底，并在设计过程中确保可加工性。系统焦距为150 mm，光学后截距大于12 mm。为校正中间像面引入大角度折转的光学透镜，其中，光学最大口径为80 mm，光学总长为210 mm(含成像面)。设计中保证光学系统光阑和探测器冷屏重合，确保冷光阑效率100%[1]。

图1为长波红外光学系统光路图。

图1 长波红外光学系统光路图Fig.1 Light path of long-wave infrared optical system

3 光学系统仿真分析

3.1 光学像质分析

根据长波探测器参数，光学传递函数奈奎斯特频率为21 lp/mm，整个光学视场内传递函数接近衍射极限，0.7视场以内奈奎斯特频率处MTF大于0.5，0.7视场以外奈奎斯特频率处MTF大于0.45，见图2a。镜筒材料采用铝，透镜选用的材料为锗(Ge)、硒化锌(ZnSe)、硫化锌(ZnS)以及AMTIR1，通过材料热特性之间的差异配合来消除无热化的影响，达到无热化要求。图2b为-45 ℃下光学系统的传递函数，全视场内奈奎斯特频率处MTF大于0.44，与常温相比略有下降。图2c为70 ℃下光学系统的传递函数，全视场内奈奎斯特频率处MTF大于0.45，与常温相比基本不变。系统弥散斑小于衍射极限艾里斑，RMS弥散斑半径小于9 μm[2]，如图3a所示。图3b和图3c为-45 ℃和70 ℃下光学系统的点列图，与常温情况下相比，各个视场的点列图均在艾里斑范围以内，RMS弥散斑半径小于13 μm[3-10]。

图2 光学系统的MTFFig.2 The MTF of the optical system

图3 弥散斑Fig.3 The spot diagram

3.2 能量分布

采用包围圆能量进行分析，图4所示为常温以及低温和高温3种条件下的包围圆能量。

图4 能量分布Fig.4 The FFT diffraction encircled energy

从图4可知，在24 μm范围内，常温条件下,弥散圆能量全视场内接近衍射极限,大于60%；另外两种温度条件下,弥散圆能量全视场内均接近衍射极限，大于60%。

3.3 透过率计算

光学透镜共7片，每片透过率达到98%，第一片透镜镀硬质防护膜，透过率为95%，则光学系统的透过率τ为84.1%。

3.4 二元光学面

图5所示为二元光学面的相位曲线和刻槽分布曲线。

图5 二元光学面的相位曲线和刻槽分布曲线

为进行大范围无热化设计，系统中采用了一片二元光学元件，基底材料为锗，是目前金刚石车削最容易加工的材料。可以看出，二元光学面的最大周期小于1.2 mm，满足可加工性要求，具备生产条件。

3.5 畸变

图6为光学系统的畸变图，由图可知，光学系统的畸变小于2%。

图6 长波光学镜头畸变图Fig.6 The distortion of the long-wave optical lens

3.6 像面照度分布

像面照度分布如图7所示。相对照度在最大视场处可以达到86%，整体像面内照度分布均匀。

图7 像面不同视场对应的相对照度曲线

4 公差分配和分析

对要加工的光学系统进行了公差分析，确保设计出的光学系统可以在合理的公差分配下达到满足要求的像质。常用公差量值见表1。

表1 常用公差量值情况表

根据光学加工工艺的技术水平，对光学表面的偏心、倾斜公差给定为0.02 mm，光学表面的全局光圈优于2个光圈，局部光圈优于0.5个光圈；光学元件偏心、倾斜给定为0.02的条件下，通过光学软件的蒙特卡罗公差方法进行分析，分析结果表明，长波红外光学系统的加工可以达到轴上视场奈奎斯特频率处MTF大于0.45，0.7以外视场MTF大于0.4。

5 结论

采用二次成像透射式光学系统结构形式，进行了长波标准镜头的设计与像质分析,开展了光学系统设计与评估、弥散斑分析等关键参数分析,结果表明设计满足指标要求。