非制冷红外热像仪的P etzv al型物镜的研制与分析33张云翠1,233,孙　强1,卢振武1(1.长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033;2.中国科学院研究生院,北京100039)摘要:研制了应用在长波红外热成像中的Petzval型物镜,工作波段为8～12μm,F数为1,焦距为90mm,视场为12.6°,空间分辨率为0.5mrad,透镜材料均为G e。

使用折/衍混合器件作为色差校正器件代替1片负透镜,光学器件的重量从0.50kg减轻到0.38kg,衍射面采用金刚石车削技术进行加工。

利用Video光学调制传递函数仪对系统性能进行了检测,检测值的下降不超过设计值的3%。

分析了衍射器件的衍射效率对调制传递函数的影响。

关键词:红外;热成像;衍射器件;非制冷探测器中图分类号:O436 文献标识码:A 文章编号:100520086(2007)0320270203M anu factu re and A nalyse of P etzv al Objective Lens of U ncooled I nfrared Im aging Sys2 temZHANG Yun2cui1,233,SUN Qiang1,LU Zhen2wu1(1.Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,CAS,Changchun130033,China;2.G raduate School of CAS,Beijing100039,China)Abstract:This paper introduces the design of an infrared thermal imaging Petzval objective lens.The focal length of the opti2 cal system is90mm,the F2number is1,the field of view is12.6°,and the material of the total two lenses is G ermanium.A diffractive/refractive lens is used instead of a negative lens to eliminate chromatic aberration,and it is fabricated by diam ond turning technology,which makes the weight of optical elements of this system decrease from0.5kg to0.38kg.The design and detection of MTF is given and the conclusion is educed that the tested MTF reduces no more than3%compared with the design quantity.The influence of diffraction efficiency with wavelength on the MTF is analyzed.K ey w ords:infrared optics;thermal imaging;diffractive optical element;uncooled detector1　引　言 采用非制冷长波红外探测器阵列的热像仪相对制冷型仪器具有价格低、重量轻、功耗小和结构紧凑等优势,具有广泛的市场[1～4]。

非制冷热像仪光学系统为快光学系统,一般采用正负正3片透镜即可满足要求。

近年,采用金刚石车削技术加工连续位相的衍射器件已应用在减少透镜数量的技术中[5～8]。

采用衍射器件,只需2片透镜就能够达到与3片透镜相同的成像质量,而且能够提供额外的自由度校正色差。

在过去的几年里, W ood等对衍射器件在红外光学系统的应用进行了色差校正、热差校正等的研究,考虑了加工公差对成像质量的影响,但是没有分析衍射效率下降的影响。

本文重点研究了应用衍射器件的长波红外成像Petzval型物镜的设计,给出了光学传递函数的检测结果,讨论了衍射效率对成像质量的影响。

2　系统设计 系统性能参数为:工作波段为8～12μm,F数为1,焦距为90mm,视场为12.6°,空间分辨率为0.5mrad,透镜材料均为G e。

初步确定系统由2片透镜组成,光焦度均为正,其中大部分光焦度由第1片透镜承担,第2片透镜将物体经过第1片透镜成的像重新成像在非制冷探测器的像面上。

利用ZEMAX 进行光学系统设计,首先确定系统的初始结构,需要满足以下两个方程。

1)光焦度分配方程 ∑n1h iΦi=Φ(1)式中:Φj为器件的光焦度;h i为近轴光线在透镜上的入射高度;Φ为系统的光焦度。

2)消色差方程光电子・激光第18卷第3期　2007年3月 J ournal of Optoelect ronics・L aser Vol.18No.3　Mar.2007 3 收稿日期:2006204226　修订日期:2006207204　3　基金项目:国家自然科学基金资助项目(60507003);云南省省院省校科技合作计划资助项目(2004yx30);应用光学国家重点实验室开发基金资助项目(DA04Q03)　33E2m ail:zhangyuncui2@ (1h 1Φ)2∑(h 2i Φi /V i )=0(2)式中:V i 为器件的阿贝数;h i 近轴光线在透镜上的入射高度。

折射器件和衍射器件的阿贝数分别为V R =n 10-1n 8-n 12和V D =λ10-1λ8-λ12,其中n i 为不同波长的折射率,λi 为波长。

材料为G e 的阿贝数分别为1112和-2.5。

初始结构确定后,以透镜曲率半径、厚度、非球面以及衍射面参数为自由度进行优化,最后得到系统结构见图1。

2片透镜的材料为G e 。

第1片透镜后表面为非球面,校正光线经过第1片透镜后产生的较大的单色像差。

第2片透镜凸面制作的衍射面替代传统的负透镜,校正系统色差。

为了消除渐晖,在结构中加一光阑,系统在全视场无渐晕。

优化后系统的光学传递函数见图2,最大频率10lp/mm 为探测器的截止频率。

在10lp/mm 处,衍射限、0.0°、4.5°、6.3°视场的平均值分别为0.86、0.74、0.71和0.68。

图1　P etzv al 型物镜系统结构图Fig.1　P etzv al objective lens system图2　光学传递函数设计图Fig.2　T h e d esign resu lt o f MTF2　结果与分析 透镜面形采用金刚石车削技术进行加工,在加工过程中控制刀具的运动,得到设计的面形。

由于金刚石刀头尺寸的限制,对于衍射器件的特征尺寸具有一定的限制,设计的衍射面的特征尺寸为mm 量级,远大于由于刀具尺寸限制带来的加工误差,对衍射率影响很小,可以忽略不计。

利用衍射器件代替1片负透镜,加工后光学器件重量为0.38kg ,减轻了0.12kg 。

红外热像仪见图3示。

利用Video 光学传递函数仪对系统的光学传递函数进行了检测,将检测值与设计值进行比较,见表1,其中FD 代表视场角,DET 代表检测值,DES 代表设计值。

0°视场的光学传递函数值很高,接近设计值,轴外视场光学传递函数值相对设计值都有所下降。

在4.5°视场,5lp/mm 处检测值相对于设计值下降0.02,10lp/mm 处下降0.12;6.3°视场,5lp/mm 处检测值相对于设计值下降0.01,10lp/mm 处下降0.02。

在轴外视场光学传递函数检测值相对设计值下降不大,最大下降不超过设计值的3%。

分析表明,加工后系统成像质量满足应用的要求。

衍射器件的加工公差、非衍射器件的曲率半径、厚度等公差以及整机的装调过程中的偏心与倾斜等都是造成系统成像质量下降的原因,但衍射效率对系统的成像质量的影响在ZEMAX 软件没有考虑。

衍射效率对衍射器件是非常重要的参数,它意味着只有在设计波长的光能够最大到达设计级次对应的像面,偏离设计波长的光线将有少部分光衍射到其它级次成为杂散光,从而降低系统的成像质量。

为了分析不同波长衍射效率下降对光学传递函数的影响,采用标量衍射理论得到连续位相衍射器件的衍射效率为η=sin c 2λ2λn (λ)-1n (λ2)-1-1(3)图3　红外热像仪Fig.3　T h e infrared th erm al im ager表1　光学传递函数值T ab.1　T h e qu antity o f MTFFD/(°)5lp/mm 10lp/mm 00.91(DET )0.82(DET )4.50.87(DES )0.85(DET )0.71(DES )0.59(DET )6.30.88(DES )0.87(DET )0.70(DES )0.68(DET )按照式(3)进行计算衍射效率与波长的关系见图4示。

在设计波长λ2为10μm 处不考虑制作误差的情况下,衍射效率能够达到100%,在8μm 和12μm 处分别下降到81.5%和91.3%。

・172・第3期　张云翠等:非制冷红外热像仪的Petzval 型物镜的研制与分析 图4　衍射效率与波长的关系曲线Fig.4　T h e cu rve o f diffractive efficiency w ith w avelength 多波长的光学传递函数可以近似等效于单波长的光学传递函数按一定权重相加除以所有权重的和。

在考虑衍射效率时,将衍射效率作为权重乘在分子中,但是由于衍射效率下降导致成像质量的下降,所以在分母中不出现衍射效率。

该公式为 MT F PO L Y (s ,t )≌∑3i =1ωi ηiM T F (λi,s,t )∑3i =1ωi(4)其中:i 为1、2、3,分别代表8μm 、10μm 、12μm 波长的光线;ωi为入射光中单波长的相对权重系数;ηi 代表单色波长的衍射效率。

在设计波长为10μm ,则8μm 和12μm 的衍射效率分别为0.815和0.913。

以4.5°视场为例,调用ZEMAX 中3个波长的光学传递函数,按上式计算修正后的光学传递函数与ZEM 2AX 给出的光学传递函数进行比较,如图5示。

a 代表ZEMAX图5　衍射效率对光学传递函数的影响Fig.5　The influence of diffractive eff iciency on M TF给出的不考虑衍射效率的光学传递函数;b 代表修正后的光学传递函数;c 代表光学传递函数的实际检测值。