摘要：针对640×512长波红外制冷型探测器，设计了一种制冷型长波红外光学系统，用于对目标的红外跟踪探测。该光学系统采用二次成像结构以达到100%冷光阑效率，采用锗和硫化锌玻璃材料相结合，实现了像差校正和消色差设计，通过引入高次非球面，很好地校正了系统的高级像差，简化了系统结构。光学系统由6个镜片构成，焦距为400 mm，工作波段为7.7~9.3 μm，视场角为1.37°x1.10°，F数为2。设计结果表明：在空间频率33 lp/mm处，轴外视场MTF>0.24，接近衍射极限，具有较高的成像品质。在−35~+55 ℃工作温度范围内，通过内置调焦镜调焦来保证高温、低温环境下的成像质量，可用于宽温度范围内的红外跟踪探测。
关键词：制冷型；二次成像；高次非球面；调焦镜
1. 引言
红外成像系统主要探测目标的自身热辐射，利用目标与背景的温度差异提取目标，温度差异越大提取目标的能力越强。因此，红外成像系统进行目标探测时不受光照条件的限制，具有隐蔽性好、抗干扰能力强、作用距离远、可全天候工作等优点，广泛应用于红外探测和安防监控等军用和民用领域[1-3]。根据普朗克定律的物理意义可知，随着温度的升高，目标辐射的峰值波长降低。因此，中波红外系统对于探测温度较高的目标（如飞机、坦克和舰船等）有优势，而长波红外系统则主要用于常温/低温物体探测，以形成物体的轮廓影像。红外探测器可分为制冷型和非制冷型两大类，非制冷型红外探测器在接收目标辐射的红外信号的同时，探测器件的温度会随之升高，温度的变化将以电信号的形式被放大和显示处理，从而形成背景噪声，干扰目标信号，降低探测灵敏度。制冷型红外探测器工作在77~80 K的低温环境下，噪声等效温差极低，探测灵敏度很高，观测距离远，成像效果佳。因此，军用红外光学系统多采用制冷型红外探测器。制冷型探测器的光阑置于探测器冷屏处，在设计过程中保证光学系统的出瞳与探测器的冷阑相匹配，以获得100%的冷光阑效率，并且避免杂散辐射，即要求光学系统的F数要与探测器的冷屏F数相匹配。
近10年来，随着光学要求和加工水平的发展，非球面的加工能力[4]得到很大的提高，非球面的技术在红外光学系统中得到广泛的应用。非球面光学与球面光学相比，非球面中的多项式系数能够为光学系统的设计提供更多的自由度，可以在提高光束质量的同时，有效地减少透镜数量，达到简化镜头结构和减轻系统重量的目的；另外，非球面在校正系统像差方面具有较强的校正能力，从而可获得高质量的图像和高品质的光学特性。
以长波制冷型红外热像仪为研究对象，本文设计的长波红外光学系统采用二次成像结构，将系统孔径光阑后置于冷屏处，以获得100%冷光阑效率，由两种红外光学材料Ge和ZnS共6片透镜组成，利用光学材料Ge和ZnS的折射率/色散系统匹配校正系统单色像差和色差，并在优化过程中引入高次非球面以校正高级像差，同时减化镜片数量、优化系统结构。通过内置调焦镜对温度范围为−35~+55 ℃的高温、低温工况进行调焦，获得宽温范围下的红外清晰图像。该系统结构简单、紧凑，工作温度范围宽，具有良好的成像质量。
2. 系统设计要求
该红外系统采用长波640×512制冷型焦平面阵列探测器，探测器像元尺寸为15 μm×15 μm，红外光学系统设计指标如表1所示。
3. 设计思想
3.1 光学结构型式
从杂散光抑制能力和减小光学系统元件尺寸等角度考虑，采用二次成像结构[5]。二次成像包含两个镜组：物镜组和中继镜组。物镜组承担系统的主要光焦度，并将目标成像于一次像面处；中继镜组将一次中间像成像于红外焦平面处，主要用于校正物镜组的残余像差。同时将光学系统的出瞳匹配至探测器冷阑处，实现光瞳衔接，保证100%冷光阑效率。光学系统初始结构如图1所示。
图1.二次成像系统示意图
……
图7. 冷像强度较大的冷反射光线追迹图
由图7中分析可知，S8和S12产生的冷反射光线是发散的，可通过非均匀校正来消除，对成像不构成影响。因此，本长波红外光学系统中的冷反射现象对成像的影响可以忽略不计，残余的冷反射可通过图像的非均匀性进行消除。
5. 结论
本文针对640×512长波红外制冷型探测器，设计了焦距为400 mm、冷屏F数为2的长波红外光学系统。系统采用二次成像结构，将系统出瞳后置于探测器冷阑处，且与冷阑F数相匹配，遵循光瞳匹配原则，具有100%冷光阑效率，减小了杂散光辐射，充分地利用冷屏口径。系统由物镜组和中继镜组组成。根据二次成像关系求得系统各个部分的初始结构形式，通过使用两种红外材料Ge和ZnS的相互匹配以校正系统单色像差和色差，引入高次非球面校正系统高级像差，提高成像质量、简化系统结构。考虑本系统所处的工作环境温度为−35~+55 ℃，宽温会给红外系统带来热离焦现象。因此，通过调节内调焦镜进行热离焦补偿，使系统在宽的工作温度范围内，成像质量稳定良好。该系统具有像质好、结构紧凑、轻便等优点，具有很强的工程应用性，可广泛应用于对目标宽温度范围内的红外跟踪探测。