硫系玻璃在宽温红外光学系统无热化设计中的应用研究

利用普通红外光学材料实现的大视场光学被动无热化系统应用于当前新型高分辨率、大面阵红外探测器时存在透镜数量多，不易实现轻量化、小型化的技术问题。为此，引入了低折射率温度系数的硫系玻璃，并设计了一种工作波段为8~12um、视场为40°X32.5°、F数为1.0且适配1280X1024探测器的光学被动无热化成像光学系统。设计结果表明，在一55℃~70℃的工作温度范围内，探测器特征频率421p/mm处的光学传递函数（ModulationTransferFunction，MTF）值均大于0.35，系统成像性能良好，能够满足实际工程应用需求。

引言

近年来，随着红外探测器制造工艺技术的进步，非制冷红外探测器在提高灵敏度及帧频的同时扩大了阵列规模、减小了像元间距，从而实现了高分辨率。这就提升了非制冷红外系统的目标探测与识别能力，使得该系统在军民领域的广泛应用成为可能。

在国外，美国Raytheon公司开发了阵列规模为2048X1536、像元间距为17μm的大面阵非制冷红外探测器；英国BAE公司开发了阵列规模为1920X1200、像元间距为12μm的大面阵非制冷红外探测器。在国内，武汉高德红外股份有限公司实现了阵列规模为1280X1024、像元间距为12μm的非制冷长波红外探测器的量产；烟台艾睿光电科技有限公司也开发了阵列规模为1280X1024、像元间距为12μm 的氧化钒非制冷红外焦平面探测器；北方广微科技有限公司研制的像元间距为17μm的2048X1536全画幅非制冷红外探测器可适用于各个军民高端应用领域。 在工程应用中，光学镜头的靶面应大于探测器的靶面，否则可见光系统和红外系统就会分别出现图像四角发暗和图像四角发白的现象。当前新型1280X1024红外探测器的靶面大，导致光学系统设计难度大。因此，研究能够适配这种高分辨率、大面阵红外探测器的无热化红外光学系统具有重要意义。

由于温度变化会造成红外光学材料的折射率发生明显改变，当红外光学系统的工作环境温度发生变化时，成像光学系统的像面会产生移动，从而造成系统成像性能下降。因此，对于工作环境温度变化较大的红外光学系统来说，需要进行无热化设计，以消除或减小温度效应对成像质量的影响，使得光学系统在一个较大的温度范围内保持良好的成像性能。

本文针对像元间距为12μm的1280X1024非制冷红外探测器，设计了一种工作波段为8~12μm、视场为40°X32.5°、F数为1.0的大视场红外光学系统。在设计中引人了折射率温度系数较小的硫系玻璃。结果表明，在进行大视场、大面阵无热化红外光学系统设计时，硫系玻璃可以在减少透镜数量的同时减少透镜表面非球面的应用数量，从而实现小型化、轻量化设计。该系统在不同温度条件下探测器所对应的特征频率42lp/mm处的MTF值均大于0.35，成像性能良好，结构简单，装调效率高，可广泛应用于工作温度范围变化较大的安防监控、夜视导航、小型机载光电系统等军民领域。  1 设计思路不同红外光学材料具有不同的热特性。光学被动无热化是通过光学系统中不同热特性材料之间的组合来消除温度对光学系统成像的影响，从而实现无热化设计。此类结构具有结构简单、可靠性强、装配效率高的特点，适用于批量化生产。 硫系玻璃是含有硫系元素 S、Se、Te中的一种或几种，同时还含有Ge、 Si、As、Sb等元素中的一种或几种的非晶态材料，其红外透过范围为1~14μm，在近红外至远红外波长区域内均具有良好的光学透过性能。其次，硫系玻璃的转变温度较低、化学稳定性良好，可以进行精密模压加工。此外，由于折射率温度系数低、色散系数小，硫系玻璃可作为消色差及消热差无热化设计中的红外材料使用。

图1. 弯月形负透镜前组光线发散示意图

图2.光学系统的三维光路图

       结束语

       本文开展了硫系玻璃在宽温红外光学系统无热化设计中的应用研究。针对目前阵列规模为1280X1024、像元间距为12μm 的新型高分辨率非制冷长波红外探测器，设计了一种温度范围为﹣55℃~70℃、视场为40°X32.5°的非制冷长波红外成像光学系统。该系统结构简单，在不同温度条件下成像性能良好，将在工作温度范围变化较大的安防监控、夜视导航、小型机载光电系统等军民领域具有广泛的应用前景。下一步的研究重点是利用硫系玻璃实现连续变焦光学系统的小型化、轻量化设计。

审核编辑：郭婷