高分辨率中红外温度自适应夜视成像系统

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高分辨率中红外温度 自适应夜视成像系统沈满德(武汉纺织大学 电子与电气工程学院，武汉 430073)摘 要： 针对现代最先进的像元尺寸为 15m、像元数 640×480的中红外焦平面大面阵探测器，设计 了- 种全球面轻小型高分辨率温度自适应夜视成像系统，系统工作波段为 3～5 m，全视城为8.58。，相对孔径为 1/2，焦距为 80 mm，四片式结构，使用锗、硒化锌和硅三种材料，系统采用全球面结构，避免了以往该种系统中使用衍射面或非球面，大大降低了加工检测难度且成本低。设计结果表明，该高分辨率温度自适应夜视成像系统具有结构简单、体积小 、分辨率高、成像质量高等特点，满足设计要求，可用于机载光电探测和跟踪系统。

关键词： 成像系统； 光学设计； 红外镜头 ； 机载； 高分辨率中图分类 号： TH744 文献标志码 ： A doi：10.3788/HPLPB20132505.1144随着红外技术的发展，对红外夜视成像系统的质量要求也越来越高，尤其对于现代军事和空间探测红外成像系统，要求成像系统在较宽的温度环境中具有稳定的性能和良好 的成像质量 。在不同的温度环境下，由于光学材料和机械材料的热效应，使成像系统的-些参数发生相应的变化，进而使系统的最佳像面发生偏离，并且降低成像质量 ，图像模糊不清 ，对 比度下降 ，最终影响红外成像仪器的性能 ↑年来红外探测器技术 的飞速发展，探测器的像素尺寸变得越来越小，分辨率越来越高，像素尺寸己由5O m减小为 15 m，因此现代军事和空间探测红外成像系统大多都为高分辨率成像系统。在红外温度 自适应成像系统设计 中，国内外研究人员利用衍射元件结合非球面元件来实现热补偿[1。]，但衍射面存在-定 的衍射效率，会影响成像系统的光通量 ，且加工成本大、废品率高，可靠性差，难以满足高精度机载高分辨率红外夜视成像系统的需求。本文基于这-难题，设计了-种采用全球面结构实现温度 自适应机载高分辨率红外夜视成像系统，系统仅为四片式结构，采用常用的红外光学材料硅、锗和硒化锌，系统在奈奎斯特频率 32 lp/mm，-60。C～180℃宽温度范围下，无需调焦无需使用衍射元件和非球面元件就可实现自适应良好成像。

l 设计原理光学元件的光焦度可表示为 c( -1)，c为曲率 ，n为光学元件材料折射率 ，可推导 出光焦度随温度 的变化关系为譬-c警塞( -1) (a- 1 )-T (1)光学元件的温度特性用光学材料的热膨胀系数表示。按照线膨胀系数定义 ，折射光学元件的热差系数 T定义为单位温度变化引起的焦距的相对变化，即T - T - - - - dT (2) d dT ”- 1 、式中：a，dn/dT是光学元件材料的线膨胀系数和折射率温度系数； ，厂，d 是光学元件光焦度、焦距和焦距的微分 。

温度自适应补偿红外成像系统在设计时必须满足光焦度、消色差、消热差三个要求。假设系统由k个分离式的光学元件组成 ，则所满足的三个方程为∑h - (3)Af -(去)。 ( )0 (4) 收稿 日期 ：2012 09-l1； 修订 日期 ：2012-1l l5基金项目：湖北侍育厅中青年项目(Q2OlOl605)作者简介 ：沈满德(1973-)，男 ，副教授，从事光 电工程系统研究；opticaldesign###126.co11。

第 5期 沈满德 ：高分辨率 中红外温度 自适应夜视成像系统(忐) 壹i 1～ L (5)式中：h 为第-近轴光线在第i个透镜入射表面的径向高度； 为第 i个透镜的光焦度；co 为第 i个光学透镜的色散因子，它定义为色散引起的光焦度的相对变化，数值上等于材料阿贝数的倒数；df /dT是由光学元件的温度变化引起的离焦 ；a 为成像系统外部结构件的线膨胀系数 ；L为系统机械结构件的总长。

2 系统设计和性能分析根据实际需求 ，先由式(1)～(5)计算得出系统的初始结构参数，利用光学软件 Zemax进行精心优化 ，所设计的机载高分辨率红外温度自适应夜视成像系统仅为四片式结构，光学材料使用常用的红外光学材料硅、锗和硒化锌。夜视系统的工作谱段为红外 3～5 Izm，有效焦距为 80 mm，全视场为 8.58。，环境温度范围为-6O～180℃，光学系统的出瞳与红外探测器冷光阑重合，满足 100 冷阑效率，有效减小了杂光对夜视成像系统的影响。为满足宽温度 自适应 良好成像 ，减嗅构件材料膨胀对成像的影响，选用线膨胀系数小的钛合金作为结构件材料，系统为全球面结构，没有使用非球面和衍射面，大大减小了成本，提高了机载光电设备的可靠性。

调制传递函数是成像系统综合的评价指标，图 1中的(a)～(d)是机载高分辨率红外温度 自适应夜视成像系统在-6O，2O，90，180℃的调制传递函数(MTF)曲线，图中横坐标为空间频率(单位为 lp/mm)，各组彩色线条分别表示系统各个视场时的调制传递函数，其中实线表示子午方向的传递函数曲线(即图中的T)，虚线表示弧矢方向的传递函数曲线(即图中的S)。系统选用的红外探测器的像元大小是 15 ITI×15 m，故成像系统的Fig.1 M odulation transfer function(M T )of syst图 1 不同温度 的 MTF奈奎斯特频率为32 lp/mm。由图可知，机载高分辨率红外温度 自适应夜视成像系统在各个温度的调制传递函数几乎保持不变，环境温度对光学系统的 MTF值不大。 茎图 2是该夜视成像系统在不同温度下各个视场 中的最大 兰弥散斑大小，由图可知，在-60～180。C温度环境下系统 善的最大弥散斑半径都小于探测器-个像元大小，满足系统成像要求。

该夜视成像系统在-6O，20，80，13O和 180℃时的波像差分别为 0.096 3，1，0.069 2，1，0.080 1，1，0.104 8，1和0.126 3，1( 为波长)，按照光学系统像差评价瑞利判据”的标准 ，即当实际波面与理想波面的最大差别不超过，1/4时，该波面可看作无缺陷的，由此可知该系统很好的// / /，Y 0∞jTl口0-I1 0∞罩- 0lIl1146 强 激 光 与 粒 子 束 第 25卷实现了温度 白适应成像设计。该系统最大离焦量为 15.6肛m，而系统的焦深为 30.4/am，最大离焦量小于焦深，该夜视成像系统在设计温度范围内焦平面位置几乎不变，系统可用，实现了温度 自适应成像。根据约翰孙准则，要发现、识别和看清目标，目标应在接收器上至少占2个像素、4个像素和 8个像素。假设目标高度 H2 rn，可算得该系统可探测到 2.67 km远处 的目标。

3 结 论为适应现代系统高分辨率、宽温度范围成像，保证机载夜视系统的可靠性，设计了-套全球面结构高分辨率超宽温度范围的中红外白适应夜视成像系统，解决了以往红外热补偿系统必须使用衍射光学元件结合非球面来实现热控设计中存在的衍射元件成本高且废品率高的不足。该系统结构简单，体积小，重量轻，在奈奎斯特频率 32 lp/mm处 ，-60～180℃宽温度范围内，光学系统的离焦量小于系统焦深 ，且系统的调制传递 函数都大于 0.45，接近系统的衍射极限，适用于像元尺寸为 15 m、像元数 680×480的大面阵中波红外探测器，满足空间红外探测系统高分辨率、宽温度范围成像 、高成像质量 、轻量化的需求。