硫系玻璃在现代红外热成像系统中的应用

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硫系玻璃在现代红外热成像系统中的应用

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渊员援中国科学院光电技术研究所袁四川成都远员园圆园怨曰圆援电子科技大学光电信息学院袁四川成都远员园园缘源曰猿援中国科学院大学袁北京员园园园源怨冤摘要院介绍了硫系红外玻璃的组成成分袁分析了其独特的优势袁建立了红外热成像系统中各个参数和温度之间关系的数学模型遥基于硫系玻璃折射率温度系数小尧成本低的优点袁将硫系玻璃应用于红外热成像探测系统袁并给出了一种折射式的中波红外热成像消热差探测系统实例袁评价结果表明袁该系统在低温原源园益尧常温圆园益尧高温远园益都取得了良好的成像质量袁适用于像元数为猿圆园责蚤曾藻造伊圆缘远责蚤曾藻造袁像元尺寸为猿园滋皂伊猿园滋皂的中波红外凝视型焦平面阵列探测器遥关摇键摇词院红外探测曰应用光学曰光学设计曰硫系玻璃

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员摇引摇言

率半径摇摇随着温度的变化尧元件厚度尧元件间隔袁红外热成像探测系统的曲尧非球面系数尧光学材料折射率都会发生相应的改变袁同时红外探测器的光敏面也随温度的变化而漂移袁导致红外热成像探测系统的像面离焦袁系统无法正常工作袁因此袁热补偿和热设计是红外热成像探测系统的关键技术之一遥对于红外热成像探测系统的热设计袁目前报道的文献中大多采用基于衍射光学元件特殊的热特性咱员鄄远暂和折射光学元件构成折射袁在系统中引入衍射光学元件

辕衍射混合系统来完成热设计袁但在实际工程应用时衍射面的衍射效率不高袁产生的杂散光降低系统对比度和信噪比袁进而影响红外热成像探测系统的探测性能遥

相比可见光玻璃而言袁红外玻璃的折射率温度系数凿灶辕凿栽都较大袁因此红外热成像探测系统的热离焦更严重遥机械主动式消热差方法和机械被动式消热差方法因使用了笨重的机械设备袁导致了系统重量变重袁成本增加遥光学被动式消热差方法只须通过光学件和机械件的恰当匹配即可实现无热化探测袁该类方法具有结构简单尧重量轻尧无需调节任何器件自动消热差尧像面稳定等优点袁因此是目前最受关注的消热差方法遥而光学被动式消热差方法的核心是具有低折射率温度系数的红外玻璃袁而目前传统红外玻璃的折射率温度系数都较大袁引起的热离焦较大遥

新型低折射率温度系数红外玻璃的长足发展为红外热成像探测系统实现良好的热设计提供了新的契机遥本文分析了硫系玻璃和其他传统红外玻璃的优势袁建立了温度变化时袁红外热成像探测系统中各个参数随温度变化的数学模型遥基于硫系玻璃折射率温度系数小尧成本低的优点袁在红外热成像探测系统中袁利用硫系玻璃代替其他传统红外玻璃袁可有效减小红外热成像探测系统的热离焦量袁降低红外热成像探测系统消热差设计的难度遥

圆摇硫系玻璃

摇郧藻尧杂蚤尧摇硫系玻璃是以硫族元素为主璃咱苑鄄愿暂量较少遥粤泽尧袁与传统红外玻璃锗相比杂遭等其它金属元素袁因此硫系玻璃的成本更低袁硫系玻璃中锗含的同时混合含有一种红外玻袁更适合于低成

本尧批量化的红外热成像探测系统的生产遥

在长波红外波段袁锗是最常使用的光学玻璃袁但对于有消色差要求的长波红外系统袁在光学玻璃的选择上受到很大的限制袁硒化锌的价格太昂贵袁硫化锌在长波红外的透过率不高遥在长波红外波段袁硫系玻璃的色散特性与硒化锌接近袁因此可应用硫系玻璃和锗两种光学玻璃实现长波红外波段的消色差设计咱怨鄄员园暂温度系数为猿郾怨远伊员园原遥源的折射率温度系数为苑郾辕传统的锗玻璃的折射率

苑益伊袁员园而硫系玻璃原缘辕益袁因此粤酝栽陨砸外热成像探测系统中使用硫系玻璃引起的热离焦袁在红

量会更小袁硫系玻璃对于红外热成像探测系统的消热差设计效果更佳遥尤其对于目前广泛应用于小区监控的大视场短焦距红外镜头袁因环境温度变化范围不大袁因此在该类系统中使用硫系玻璃甚至无需进行消热差就可取得良好的成像性能遥

对于传统的红外玻璃渊如硅冤必须采用传统的生产工艺袁先粗磨袁再精磨袁然后抛光进行加工遥锗尧硫化锌尧硒化锌等红外玻璃可利用单点金刚石车床车削加工袁这些加工手段不利于低成本尧批量化的生产遥硫系玻璃具有较低的转变温度袁可采用精密模压成型制备来加工制作袁大大降低了其生产加工成本袁节约了加工时间袁对于应用于小区监控的大视场短焦距红外镜头的低成本尧批量化的生产袁降低小区业主的生活成本具有很大的应用前景遥

猿摇系统参数随温度变化分析

摇的曲率半径摇随着环境温度的变化尧元件厚度尧元件间隔袁红外热成像探测系统尧非球面系数尧光

第猿期摇摇摇摇摇白摇瑜袁等院硫系玻璃在现代红外热成像系统中的应用源缘员学材料折射率等参数都会发生相应的改变袁导致红外热成像探测系统的像面离焦超过系统焦深袁系统无法正常使用遥

以下将给出这些参数随环境温度变化的函数关系院

渊员冤砸渊栽曲率半径冤越砸渊圆园冤咱员院

垣琢早窑渊栽原圆园冤暂袁渊员冤

式中袁砸渊栽冤尧砸渊圆园冤为温度栽益尧圆园益时的曲率半径袁琢早为光学材料的线膨胀系数遥

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式中袁栽厚度遥

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式中袁灶渊栽冤为温度栽益时的玻璃折射率袁灶圆园姿为

光学材料的折射率温度系数益时光学材料在波长姿处的折射率遥

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与其同时袁热设计分析时还必须考虑红外探测器光敏面随温度变化而产生的漂移量遥

源摇技术指标

摇摇红外镜头的主要技术指标如下所示渊员冤渊圆冤工作波段院猿援苑耀源援愿滋皂曰院

渊圆冤焦距渊猿冤云数院圆援院员园怨援园曰

苑皂皂曰

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渊缘冤探测器阵列院猿圆园伊圆缘远曰

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缘摇设计分析与结果

摇有机械主动式摇目前红外热成像探测系统的热设计方法主要尧机械被动式尧光学被动式猿种遥机械主动式热设计方法和机械被动式热设计方法都需要增加机械设备驱动机械件和光学件来补偿温度变化引起的像面漂移袁因此这两种方法结构笨

重袁成本较高袁使用不方便遥

光学被动式热设计方法是通过选择合适的光学材料袁合理分配各个光学元件的光焦度袁选择合适的反射镜材料和机械镜筒尧隔圈材料袁使得整个红外探测成像系统的光学像面和红外探测器光敏面的漂移量在系统一倍焦深之内遥该方法结构简单尧重量轻尧无需增加其他机构就可自动保证像面稳定袁是目前最经常使用的热设计方法袁因此本文选用光学被动式热设计方法遥

光学系统的结构形式主要有猿种袁即折射式尧反射式尧折反射遥反射式结构没有色差袁对于宽光谱系统很有优势袁该结构视场角较小袁且加工尧检测尧装配难度较大袁不利于批量化生产遥折反射结构中主镜尧次镜的间隔公差较紧袁装配公差较严袁且为了保证优良的成像质量袁主镜多采用高次非球面袁主镜检测难度较大袁也不利于批量化生产遥折射式结构是最为常用的结构形式袁其公差宽松袁光学元件可批量化生产袁因此本文选用折射式结构遥

源缘圆摇摇摇摇中国光学摇摇摇摇摇摇第苑卷摇

光学被动式热设计方法的思路是首先根据技

术指标尧像质要求优化设计出满足要求的常温镜头袁而后将系统等效视为一个变焦系统袁根据第圆节中的数学关系袁分别建立低温尧高温和常温时光学元件的曲率半径尧厚度尧通光口径尧非球面系数尧光学玻璃折射率尧光学元件间隔的函数关系袁将常温尧低温尧高温等效看作变焦系统的短焦尧中焦尧长焦猿个位置遥

编写自定义优化程序袁对多重变焦系统进行优化袁为了减小温度变化引起光学镜片参数变化导致的像面漂移袁系统中应多用折射率温度系数小的硫系玻璃袁最终优化得到的系统结构如图员所示遥系统由圆组远片透镜组成袁采用源片硫系玻璃袁员片锗玻璃袁员片硫化锌玻璃袁镜筒采用铝合金遥前组为圆片透镜袁承担了主要光焦度袁后组为源器靶面上片透镜袁袁用于将一次像面的像放大成像在探测同时起到平衡系统剩余像差和保证不同温度时像面齐焦的作用遥因系统使用制冷型红外探测器袁因此系统光阑须和红外探测器冷光阑匹配袁为减小前组口径并满足冷屏匹配袁通过在前组和后组之间成一次像袁再经后组成像到红外探测器靶面上遥为了更好的校正像差袁后组必须选取合适的放大倍率袁后组放大倍率的选取和前组的光焦度有关遥为了平衡轴外像差袁系统在锗镜和硫化锌镜上分别采用了员个非球面袁其余都为球面遥

图员摇光学系统结构图

云蚤早援员摇杂糟澡藻皂葬贼蚤糟凿蚤葬早则葬皂燥枣燥责贼蚤糟葬造泽赠泽贼藻皂

经过计算评估袁低温尧高温时像面和红外测测器光敏面的漂移量分别为原园郾园员圆皂皂尧

园郾的漂移量的变化量为园园愿远皂皂袁高低温时像面和红外探测器光敏面园郾园圆园远皂皂遥

光学系统焦深计算公式为院

啄越圆姿渊云辕裕冤圆

袁

渊员员冤

式中袁啄为系统焦深袁姿为中心波长袁计算可得该红外探测成像系统的焦深为园郾园猿猿远皂皂袁高低温时整个红外探测成像系统的光学像面和红外探测器光敏面的漂移量在系统一倍焦深之内遥

远摇像质评价

远援员摇传递函数

图圆给出了该系统的传递函数曲线渊酝燥凿怎造葬鄄贼蚤燥灶分别为栽则葬灶泽枣藻则圆园益云怎灶糟贼蚤燥灶袁酝栽云冤袁尧原源园益尧远园益温度时的其中袁渊葬冤尧酝栽云遥渊遭冤尧渊糟冤由图

图圆摇传递函数曲线云蚤早援圆摇酝栽云糟怎则增藻泽

可知袁奈奎斯特频率员远造责辕皂皂处袁圆园益尧原源园益尧

第猿期摇摇摇摇摇白摇瑜袁等院硫系玻璃在现代红外热成像系统中的应用源缘猿远园的酝栽云益的传递函数值均接近衍射极限的影响很小遥袁温度对系统远援圆摇能量集中度

图猿给出了系统在探测器一个像元内圆园益尧原原源园源园益益尧远园尧远园益益温度时的能量集中度曲线不同温度时的愿园豫能量都集中在

袁圆园益尧探测器一个像元内袁满足使用要求遥

图猿摇能量集中度曲线云蚤早援猿摇耘灶糟蚤则糟造藻凿藻灶藻则早赠糟怎则增藻泽

远援猿摇点列图

图源给出了系统圆园益尧原源园益尧远园益时的点列图袁由图可知袁圆园益尧原源园益尧远园益时各视场的砸酝杂弥散斑直径均小于猿园滋皂袁小于探测器的一个像元袁成像质量良好遥

图源摇点列图云蚤早援源摇杂责燥贼凿蚤葬早则葬皂泽

苑摇结摇论

摇一摇袁本文介绍了硫系红外玻璃的组成成分以及和热设计是红外热成像探测系统的核心技术之

其他传统红外玻璃相比的优势之处袁建立了红外热成像探测系统中各个参数和温度之间的数学模型袁将硫系红外玻璃应用于红外热成像探测系统袁设计了一套折射式的红外消热差探测成像系统袁系统拥有员园怨郾苑皂皂焦距袁远郾源毅视场袁员园园豫冷光阑效率的性能指标袁评价结果表明袁该系统在低温

源缘源摇摇摇摇中国光学摇摇摇摇摇摇第苑卷摇

成像质量袁适用于像元数猿圆园伊圆缘远袁像元尺寸为参考文献院

原源园益尧常温圆园益尧高温远园益都取得了良好的猿园滋皂的中波红外凝视型焦平面阵列探测器遥

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白瑜渊员怨愿圆要冤袁男袁山西原平人袁博士研究生袁助理研究员袁圆园园远年于西安工业大学获得学士学位袁圆园园怨年于中国科学院西安光学精密机械研究所获得硕士学位袁主要从事红外探测技术尧空间探测技术尧光机系统设计尧光电信息处理技术等方面的研究遥耘鄄皂葬蚤造院遭葬蚤赠怎怨员圆缘愿岳员远猿援糟燥皂

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