利用普通紅外光學材料實現的大視場光學被動無熱化系統應用于當前新型高分辨率、大面陣紅外探測器時存在透鏡數量多，不易實現輕量化、小型化的技術問題。為此，引入了低折射率溫度系數的硫系玻璃，并設計了一種工作波段為8~12um、視場為40°X32.5°、F數為1.0且適配1280X1024探測器的光學被動無熱化成像光學系統。設計結果表明，在一55℃~70℃的工作溫度范圍內，探測器特征頻率421p/mm處的光學傳遞函數（ModulationTransferFunction，MTF）值均大于0.35，系統成像性能良好，能夠滿足實際工程應用需求。

引言

近年來，隨著紅外探測器制造工藝技術的進步，非制冷紅外探測器在提高靈敏度及幀頻的同時擴大了陣列規模、減小了像元間距，從而實現了高分辨率。這就提升了非制冷紅外系統的目標探測與識別能力，使得該系統在軍民領域的廣泛應用成為可能。

在國外，美國Raytheon公司開發了陣列規模為2048X1536、像元間距為17μm的大面陣非制冷紅外探測器；英國BAE公司開發了陣列規模為1920X1200、像元間距為12μm的大面陣非制冷紅外探測器。在國內，武漢高德紅外股份有限公司實現了陣列規模為1280X1024、像元間距為12μm的非制冷長波紅外探測器的量產；煙臺艾睿光電科技有限公司也開發了陣列規模為1280X1024、像元間距為12μm 的氧化釩非制冷紅外焦平面探測器；北方廣微科技有限公司研制的像元間距為17μm的2048X1536全畫幅非制冷紅外探測器可適用于各個軍民高端應用領域。 在工程應用中，光學鏡頭的靶面應大于探測器的靶面，否則可見光系統和紅外系統就會分別出現圖像四角發暗和圖像四角發白的現象。當前新型1280X1024紅外探測器的靶面大，導致光學系統設計難度大。因此，研究能夠適配這種高分辨率、大面陣紅外探測器的無熱化紅外光學系統具有重要意義。

由于溫度變化會造成紅外光學材料的折射率發生明顯改變，當紅外光學系統的工作環境溫度發生變化時，成像光學系統的像面會產生移動，從而造成系統成像性能下降。因此，對于工作環境溫度變化較大的紅外光學系統來說，需要進行無熱化設計，以消除或減小溫度效應對成像質量的影響，使得光學系統在一個較大的溫度范圍內保持良好的成像性能。

本文針對像元間距為12μm的1280X1024非制冷紅外探測器，設計了一種工作波段為8~12μm、視場為40°X32.5°、F數為1.0的大視場紅外光學系統。在設計中引人了折射率溫度系數較小的硫系玻璃。結果表明，在進行大視場、大面陣無熱化紅外光學系統設計時，硫系玻璃可以在減少透鏡數量的同時減少透鏡表面非球面的應用數量，從而實現小型化、輕量化設計。該系統在不同溫度條件下探測器所對應的特征頻率42lp/mm處的MTF值均大于0.35，成像性能良好，結構簡單，裝調效率高，可廣泛應用于工作溫度范圍變化較大的安防監控、夜視導航、小型機載光電系統等軍民領域。 1 設計思路不同紅外光學材料具有不同的熱特性。光學被動無熱化是通過光學系統中不同熱特性材料之間的組合來消除溫度對光學系統成像的影響，從而實現無熱化設計。此類結構具有結構簡單、可靠性強、裝配效率高的特點，適用于批量化生產。 硫系玻璃是含有硫系元素 S、Se、Te中的一種或幾種，同時還含有Ge、 Si、As、Sb等元素中的一種或幾種的非晶態材料，其紅外透過范圍為1~14μm，在近紅外至遠紅外波長區域內均具有良好的光學透過性能。其次，硫系玻璃的轉變溫度較低、化學穩定性良好，可以進行精密模壓加工。此外，由于折射率溫度系數低、色散系數小，硫系玻璃可作為消色差及消熱差無熱化設計中的紅外材料使用。

圖1.彎月形負透鏡前組光線發散示意圖

圖2.光學系統的三維光路圖

結束語

本文開展了硫系玻璃在寬溫紅外光學系統無熱化設計中的應用研究。針對目前陣列規模為1280X1024、像元間距為12μm 的新型高分辨率非制冷長波紅外探測器，設計了一種溫度范圍為﹣55℃~70℃、視場為40°X32.5°的非制冷長波紅外成像光學系統。該系統結構簡單，在不同溫度條件下成像性能良好，將在工作溫度范圍變化較大的安防監控、夜視導航、小型機載光電系統等軍民領域具有廣泛的應用前景。下一步的研究重點是利用硫系玻璃實現連續變焦光學系統的小型化、輕量化設計。

審核編輯：郭婷