基于硫系玻璃的折衍混合光学无热化镜头设计

杨加强

华北光电技术研究所

摘要：针对非制冷红外镜头高分辨率、批量化和低成本的需求，通过硫系玻璃和锗单晶的材料搭配，利用折衍混合的设计方法，设计一款仅包含三片，可用于枪瞄、车载夜视和安防监控等领域的光学被动补偿无热化镜头。在理论推导的基础上，进行了相应的工程化设计，提出了满足精密模压生产工艺的光学设计方案。实验验证表明，该镜头在-40 ~55 °C范围内成像清晰，满足指标要求。在实际工程应用中，具有生产成本低、成像性能好等特点。

关键词：红外系统；光学无热化；硫系玻璃；衍射元件

1  引言

2  无热化原理

光学被动补偿无热化主要通过匹配光学材料的dn/dt、膨胀系数和机械材料的膨胀系数，使各影响因素产生的温度偏移互相抵消或者补偿，使光学系统的成像质量在工作温度范围内始终保持较好水平。近年来，随着衍射光学元件在理论和工艺方面的不断进步，在设计中引入衍射光学元件（或二元光学元件）构成的折衍混合系统，利用衍射元件特有的温度特性，在合理分配光焦度的前提下，可以用更为简单的结构实现光学无热化设计，具体原理如下所示。

光学透镜的温度特性用光热膨胀系数表示，定义为单位温度变化引起的光焦度的相对变化。其光热膨胀系数为：

式中，ag为透镜材料的线膨胀系数；n和n0分别为透镜材料的折射率和环境介质的折射率；dn/dt为材料的折射率温度系数。

对于衍射元件，其光热膨胀系数为:

由式（1 )和式(2)可知，透镜的温度特性由材料的膨胀系数和折射率温度系数决定，衍射元件的温度特性只由材料的膨胀系数决定，和材料的折射率温度系数无关。此外，由于红外材料的折射率温度系数dn/dt 非常大，所以透镜的光热膨胀系数始终为负值，而衍射元件的光热膨胀系数始终为正值。二者符号相反，它们构成的混合系统可以补偿温度变化引起的像面位移。

衍射光学元件的色散性质用等效阿贝数vd来表示，考虑到其衍射级次一般取m =1，在此条件下衍射元件的等效阿贝数为:

式中，nd为中心波长的折射率；nc为波长上限的折射率；nf为波长下限的折射率；λc为波长上限；λf为波长下限，λd为中心波长。vd与材料折射率无关，衍射元件将产生很强的色散。所以混合系统可以消除色差，只要满足消色差条件即可。

为实现光学被动补偿无热化设计，光学系统必须满足以下三个方程:

总光焦度要求：

消色差要求：

消热差要求：

3  系统设计和评价

3.1  设计指标

系统设计指标如表1 所示。

表1 光学系统设计指标

3.2  光路设计仿真

通过光学设计软件CODEV进行优化，最终设计结果如图1 所示。镜筒材料选用铝，镜头由三片透镜组成，光学总长小于32mm。整个系统采用折衍混合的设计方法，包含4 个非球面和1 个衍射面。加入非球面用以校正球差等单色像差，加入衍射面用以校正色差和温度变化引起的热差。

图1 光学系统外形结构图

光学传递函数MTF是反映光学系统综合性能的童要指标。该系统在常温20℃下的光学传递函数如图2 所示。从图中可以看出，该系统MTF在25lp/ mm时轴上大于0. 6 ，轴外均大宁于0. 3 ，满足设计指标要求。

图2 20℃下光学系统的MTF

大视场光学系统的畸变是反映光学系统性能的重要指标，图3 给出了光学系统的场曲和畸变曲线。从图中可以看出，该系统的畸变值小于0.6%，满足设计指标要求。

图3 光学系统的场曲与畸变曲线

该系统设计充分利用了硫系玻璃折射率温度系数dn/dt小和衍射流件热差系数与透镜组件相反的特点，保证光学系统在-40～55℃范围内像面稳定，成像清晰。由光学设计软件C0DEV可以得出系统在-40℃～55℃范围内最大的离焦量为-40℃时的 0.018 mm，小于系统焦深0.029mm，满足无热化设计要求。图4 为在-40℃和55℃下光学系统的MTF曲线。从图中可以看出在工作温度为-40～55℃范围内系统MTF在25lp/m m 均能保证轴上大于0.6 ,轴外大于0.2，满足系统设计指标要求。

图4 光学系统分别在-40℃与55℃下的MTF曲线

3.3  工程化设计

考虑到镜头时生产效率、一致性、低成本和无热化的要求，在设计中引入硫系玻璃，并通过精密模压的方式生产。由于目前国内加工水平所限，硫系玻璃表面只能镀增透膜，而不能镀硬碳保护膜，因此无法达到镜头满足各种军标范围内的环境适应性要求。为了解决此问题，采用锗单晶和硫系玻璃搭配的方式进行设计。系统第一片选用锗单晶，其前表面镀硬碳保护膜，后两片选用硫系玻璃，均镀增透膜，保证了使用要求。

根据对国内加工能力的调研，采用精密模压的方式进行透镜制备时，硫系玻璃最大有效口径不超过φ30 mm。本文设计的系统，硫系玻璃最大有效口径为φ30 mm,保证能够进行精密模压。并且第三片后表面通过倒圆角设计,将凸面边缘过渡成平台，保证精密模压的精度和可靠性。

4  实验验证

根据以上设计，最终加工的光学元件和组装的镜头如图5 所示，硫系玻璃镜片完全按照精密模压的工艺进行加工，以验证产品量产时的精度和可靠性。镜头总质量70g。

图5 光学元件与无热化镜头实物图

常温下利用美国OPTIKOS公司生产的传函仪对镜头光学传递函数进行测试,实测的MTF曲线如图6 所示。从图中可以看出,该镜头MTF满足设计要求，在25 lp/mm轴上MTF值大于0.6，轴外大于0.3。图7 为该镜头对景物的实际成像效果，从图6 和图7 可以看出，镜头成像质量满足指标要求。

图6 镜头在常温实测的各视场MTF曲线

图7 镜头对景物的实际成像效果

图8 为该镜头分别在常温20 °C 、低温-40 °C和高温55 °C下对特征频率靶标的成像效果。由于高低温环境下无法进行MTF曲线测试，只能通过观察特征频率来反映高低温下镜头的性能。从图中可以看出，在不同温度下,特征频率的四杆靶标均能够分辨，无热化效果能够满足设计要求。

图8 在不同温度下特征频率靶标的成像效果

5  总结

硫系玻璃具有折射率温度系数dn/dt小、色散特性好、宽光谱透过特性和可精密模压制备等方面的特点，在红外镜头的工程化、无热化设计等方面有着明显优势。本文利用折衍混合的设计方法，通过材料锗和硫系玻璃的材料搭配，成功设计一款针对大面阵非制冷探测器，可用于枪瞄、车载夜视和安防监控的光学被动补偿无热化镜头。该镜头具有成本低和成像性能好等方面的特点，满足军标范围内的环境适应性要求，在-40 〜55 °C 温度范围内均能够清晰成像。