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基于新型硫系玻璃的红外成像光学系统(特邀)

陈津津 周港杰 谭燕 戴世勋 林常规

陈津津, 周港杰, 谭燕, 戴世勋, 林常规. 基于新型硫系玻璃的红外成像光学系统(特邀)[J]. 红外与激光工程, 2023, 52(5): 20230102. doi: 10.3788/IRLA20230102
引用本文: 陈津津, 周港杰, 谭燕, 戴世勋, 林常规. 基于新型硫系玻璃的红外成像光学系统(特邀)[J]. 红外与激光工程, 2023, 52(5): 20230102. doi: 10.3788/IRLA20230102
Chen Jinjin, Zhou Gangjie, Tan Yan, Dai Shixun, Lin Changgui. Infrared imaging optical systems based on novel chalcogenide glasses (invited)[J]. Infrared and Laser Engineering, 2023, 52(5): 20230102. doi: 10.3788/IRLA20230102
Citation: Chen Jinjin, Zhou Gangjie, Tan Yan, Dai Shixun, Lin Changgui. Infrared imaging optical systems based on novel chalcogenide glasses (invited)[J]. Infrared and Laser Engineering, 2023, 52(5): 20230102. doi: 10.3788/IRLA20230102

基于新型硫系玻璃的红外成像光学系统(特邀)

doi: 10.3788/IRLA20230102
基金项目: 国家自然科学基金(62122039)
详细信息
    作者简介:

    陈津津,女,研究员,博士,主要从事红外光学系统设计及性能仿真方面的研究

    通讯作者: 林常规,男,研究员,博士,主要从事硫系玻璃材料及器件方面的研究
  • 中图分类号: TH744

Infrared imaging optical systems based on novel chalcogenide glasses (invited)

Funds: National Natural Science Foundation of China (62122039)
  • 摘要: 为了丰富当前可用红外材料的种类,满足新一代红外成像光学系统的轻薄化设计需求,充分利用硫系玻璃组分可调和色散参数可选两大特殊优势,开发了新型硫系玻璃材料,并且在同一系统指标要求下,分别对基于传统红外材料和基于新型硫系玻璃设计的红外光学系统进行了性能对比。基于高折射率硫系玻璃的中波双视场红外光学系统,有效实现了去锗化设计,与基于传统红外材料的红外光学系统相比较,光学系统质量减轻了35%,长度减少了15%,透过率提高了10%。基于叠层梯度折射率(gradient refractive index, GRIN)硫系玻璃的共光路、共焦面双波段红外光学系统,在非制冷型中/短波红外成像光学系统中首次实现了胶合透镜的设计,与基于传统红外材料的双波段红外光学系统相比较,光学系统质量减轻了40%,长度减少了30%,透过率提高了15%;在制冷型中/长波红外光学系统中,具有不同折射率差值Δn的GRIN硫系玻璃展现出卓越的色差校正能力,与基于传统红外材料的双波段红外光学系统相比较,光学系统质量减轻了20%,长度减少了20%,透过率提高了18%。设计结果表明,新型硫系玻璃的出现,是对现有红外材料的有益补充,为新一代红外成像光学系统提供了更为丰富的材料选择和更多的设计自由度,是实现轻薄化透射式红外光学系统的重要技术途径。
  • 图  1  高折射率NBL-TQIR-1硫系玻璃透过光谱(厚度:2.5 mm),插图为Φ50~100 mm NBL-TQIR-1硫系玻璃的样品照片

    Figure  1.  Transmission spectra of high-index chalcogenide glass NBL-TQIR-1 (sample thickness of 2.5 mm). The photo of NBL-TQIR-1 chalcogenide glass sample with the diameter of Φ50-100 mm

    图  2  (a) 传统晶体材料中波双视场红外光学系统的设计方案,焦距为60 mm,F#3;(b)基于NBL-TQIR-1轻薄型中波双视场光学系统设计方案,焦距为60 mm,F#3; (c) 传统晶体材料光学系统窄视场MTF;(d) 传统晶体材料光学系统宽视场MTF; (e) NBL-TQIR-1光学系统窄视场MTF;(f) NBL-TQIR-1光学系统宽视场MTF

    Figure  2.  (a) Design scheme of dual-field MWIR optical system of traditional crystal materials, focal length of 60 mm, F#3; (b) Design scheme of lightweight medium wave dual-field optical system based on NBL-TQIR-1, focal length of 60 mm, F#3; MTF of traditional crystal materials optical system is calculated for (c) narrow field and (d) wide field; MTF of optical NBL-TQIR-1 system is calculated for (e) narrow field and (f) wide field

    图  3  (a) 传统材料中/短波非制冷型共焦面光学系统设计,焦距为50 mm,F#1,从前到后4片透镜的组成依次为ZnSe、IG6、BaF2、IG4;(b) 基于NBL-GRIN硫系玻璃中/短波制冷型共焦面的光学系统设计,焦距为50 mm,F#1,从前到后2片透镜的组成依次为GRIN-NBL-27/NBL-12、NBL-17;(c) 传统材料中/短波光学系统的传递函数MTF;(d)透镜4第一面衍射面矢高图;(e) NBL-GRIN中/短波光学系统的传递函数MTF

    Figure  3.  (a) Design of traditional material medium/short wave uncooled confocal optical system, focal length of 50 mm, F#1, from front to rear, ZnSe, IG6, BaF2, and IG4; (b) Design of medium/short wave cooled confocal surface optical system based on NBL-GRIN chalcogenide glass, 50 mm, F#1 lens, from front to rear, the two lenses are GRIN-NBL-27/NBL-12 and NBL-17, respectively; (c) MTF of traditional material medium/short wave optical system; (d) Sag Z diagram of the first diffractive surface of lens 4; (e) MTF of medium/short wave optical system

    图  4  (a) 传统材料中/长波制冷型共焦面光学系统设计,焦距为60 mm,F#3,从前到后4片透镜的组成依次为ZnSe、Ge、BaF2、and Ge;(b)基于NBL-GRIN的新型硫系玻璃中/长波制冷型共焦面光学系统设计,焦距为60 mm, F#3,从前到后2片透镜的组成依次为NBL-GRIN、NBL-22;(c) 传统材料中波红外光学传递函数MTF;(d) 传统材料长波红外光学传递函数MTF; (e) NBL-GRIN中波红外调制传递函数MTF; (f) NBL-GRIN长波红外调制传递函数MTF

    Figure  4.  (a) Design of traditional material medium/long wave cooled confocal optical system, focal length of 60 mm, F#3, four lenses from front to rear, ZnSe, Ge, BaF2, and Ge; (b) Design of medium/long wave cooled confocal optical system based on NBL-GRIN chalcogenide glasses, focal length of 60 mm, F#3, the two lenses from front to rear are NBL-GRIN and NBL-22, respectively; MTF of traditional material is calculated for (c) MWIR and (d) LWIR wavebands; MTF based on NBL-GRIN is calculated for (e) MWIR and (f) LWIR

    表  1  常用红外材料折射率和透射波段

    Table  1.   Refractive index and transmission range of general IR material

    MaterialTransmission range/μmRefractive index @10 μm & 20 ℃
    Si1.2-103.4330
    Ge2.0-204.0030
    ZnSe0.5-152.4044
    ZnS0.4-122.1978
    BaF20.8-101.4740
    IG21-142.4982
    IG31.2-142.7847
    IG41-142.6099
    IG51-142.6046
    IG61-142.7793
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    表  2  高折射率硫系玻璃的物理特性

    Table  2.   Physical properties of high-index chalcogenide glass

    Physical properties
    Density/g·cm−35.31
    Glass transition temperature/℃178
    Young’s modulus/GPa25.53
    Elastic modulus/GPa9.80
    Poisson’s ratio0.30
    Refractive index @ 20 ℃
    Wavelength/μmn
    23.26488
    2.53.23436
    3.73.20648
    4.23.20124
    4.83.19681
    83.18531
    103.18088
    123.17620
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    表  3  Te-基系列化新型硫系玻璃物理特性

    Table  3.   Physical properties of Te-based serial new chalcogenide glasses

    Materialλ-range
    /μm
    Refractive index @ 20 ℃Tg
    /℃
    NBL-Te-21.5-142.4065110
    NBL-Te-71.5-142.4594117
    NBL-Te-121.5-142.5692121
    NBL-Te-171.5-142.5887120
    NBL-Te-221.5-142.6789123
    NBL-Te-271.5-142.8157123
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    表  4  中波双视场光学系统性能指标对比

    Table  4.   Comparison of performance indexes for medium wave dual-field optical systems

    CharacteristicsCrystal designNBL glass design
    Spectrum/μm3.7-4.8
    FPA640×512@15 μm
    F#4
    Focal/mm180/60
    Length/mm150130
    Lens count64
    Aspheres32
    Mass-optical/g7045
    MaterialsSi, GeSi,
    NBL-TQIR-1
    MTF
    (nominal)
    20%@NFOV/
    20%@WFOV
    10%@ NFOV/
    20%@ WFOV
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    表  5  共光路、共焦面中/短波红外光学系统双波段光学系统性能对比

    Table  5.   Comparison of common light path confocal surface SWIR-MWIR dual-band optical systems

    CharacteristicsCrystal designNBL-GRIN design
    Spectrum/μm1.5-5
    FPA640×512@12 μm
    F#1
    Focal/mm50
    Length/mm7550
    Lens count42
    Aspheres32
    DOE10
    Mass-optical/g245150
    MaterialsZnSe, IG6, BaF2GRIN-NBL-27/12, NBL-17
    MTF (nominal)40%50%
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    表  6  共光路共焦面中/长波红外双波段光学系统性能对比

    Table  6.   Comparison of common light path confocal surface MWIR/LWIR dual-band optical systems

    CharacteristicsCrystal designNBL-GRIN design
    Spectrum/μm3.7-4.8 & 7.7-9.5
    FPA640×512 @ 20 μm
    F#3
    Focal/mm60
    Length7055
    Lens count42
    Aspheres32
    Mass-optical/g11087
    MaterialsZnSe, Ge, BaF2GRIN-NBL-27/12, NBL-22
    MTF (nominal)45%@MWIR/
    15%@LWIR
    45%@MWIR/
    15%@LWIR
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  • [1] Bayya S S, Gibson D J, Nguyen V Q, et al. Multispectral imaging system comprising new multispectral optics: US, 9658105 [P]. 2017-05-23.
    [2] Jun Ho Lee, Hyun Kim, Yong Gyu Choi. Compositional optimization of chalcogenide glasses for use as imaging lenses in the long-wavelength infrared range [J]. Ceramist, 2020, 23(3): 286-301. doi:  10.31613/ceramist.2020.23.3.04
    [3] Fu Qiang, Zhang Xin. Athermalization of the medium-wave infrared optical system based on chalcogenide glasses [J]. Infrared and Laser Engineering, 2015, 44(5): 1467-1471. (in Chinese)
    [4] Jiang Bo, Wu Yuehao, Dai Shixun, et al. Application of chal-cogenide glasses in designing vehicle-mounted infrared imaging lens for civilian applications [J]. Infrared and Laser Enginee-ring, 2015, 44(6): 1739-1745. (in Chinese)
    [5] Yang Jiaqiang, Pen Qingqingg, Liu Lin, et al. Design of refractive/diffractive hybrid optical athermalization lens based on chalcogenide glass [J]. Laser & Infrared, 2017, 47(2): 225-229. (in Chinese)
    [6] Wu Haiqing. Athermalized design of infrared optical system with large field-of-view based on chalcogenide glass [J]. Infrared, 2021, 42(7): 1-8. (in Chinese)
    [7] Dai Shixun, Chen Huiguang, Li Maozhong, et al. Chalcogenide glasses and their infrared optical applications [J]. Infrared and Laser Engineering, 2012, 41(4): 847-852. (in Chinese)
    [8] Dai Shixun. Novel special optical glasses [R]. Light Talks, 2021.
    [9] Teichman J, Holzer J, Balko B, et al. Gradient index optics at DARPA[R]. Alexandria VA: Institute for Defense Analyses, 2013.
    [10] Gibson D, Bayya S, Nguyen V, et al. Multispectral IR optics and GRIN[C]//Advanced Optics for Imaging Applications: UV through LWIR IV. SPIE, 2019, 10998: 31-40.
  • [1] 刘晓刚, 许彦涛, 郭海涛, 闫兴涛, 孔德鹏, 沈晓明, 常燕杰, 张豪.  长波红外硫系玻璃光纤束制备与大面阵成像性能研究(特邀) . 红外与激光工程, 2023, 52(5): 20230110-1-20230110-7. doi: 10.3788/IRLA20230110
    [2] 王晨锋, 王晓伟, 陆卫国.  双色低温红外光学系统设计 . 红外与激光工程, 2023, 52(12): 20230297-1-20230297-9. doi: 10.3788/IRLA20230297
    [3] 李晓蕾, 高明.  小型化复合孔径双波段观瞄系统设计 . 红外与激光工程, 2022, 51(4): 20210549-1-20210549-12. doi: 10.3788/IRLA20210549
    [4] 孙旭, 赵建行, 周姚, 曹英浩, 周见红.  硫系玻璃Ge28Sb12Se60薄膜光学非线性增强色散特性 . 红外与激光工程, 2022, 51(7): 20210609-1-20210609-6. doi: 10.3788/IRLA20210609
    [5] 陈晓阳, 高明.  机载双波段共口径光电瞄准光学系统设计 . 红外与激光工程, 2021, 50(5): 20200322-1-20200322-10. doi: 10.3788/IRLA20200322
    [6] 唐昆, 李典雨, 舒勇, 朱勇建, 王宇, 张明军, 毛聪.  小口径非球面硫系玻璃镜片的非等温热压成型仿真与实验 . 红外与激光工程, 2019, 48(8): 814006-0814006(12). doi: 10.3788/IRLA201948.0814006
    [7] 岳宝毅, 刘钧, 郭佳, 陈阳, 李汉.  折/衍共口径红外双波段位标指示器光学系统设计 . 红外与激光工程, 2019, 48(4): 418003-0418003(9). doi: 10.3788/IRLA201948.0418003
    [8] 唐昆, 孔明慧, 李典雨, 朱勇建, 王宇.  冷却间隙对小口径双非球面硫系玻璃镜片模压成型质量的影响 . 红外与激光工程, 2018, 47(11): 1142001-1142001(11). doi: 10.3788/IRLA201847.1142001
    [9] 唐昆, 孔明慧, 朱勇建, 陈逢军, 毛聪, 张明军.  小口径双非球面硫系玻璃镜片精密模压成型实验研究 . 红外与激光工程, 2018, 47(4): 418006-0418006(9). doi: 10.3788/IRLA201847.0418006
    [10] 张倩, 张培晴, 曾江辉, 戴世勋, 王训四.  中红外Ge20As20Se15Te45硫系玻璃光纤光栅光开关 . 红外与激光工程, 2017, 46(7): 720002-0720002(7). doi: 10.3788/IRLA201746.0720002
    [11] 高明, 许黄蓉, 刘钧, 吕宏, 陈阳.  折/衍射双波段共光路齐焦光学系统设计 . 红外与激光工程, 2017, 46(5): 518003-0518003(10). doi: 10.3788/IRLA201746.0518003
    [12] 刘永华, 祖成奎, 赵华, 王琪, 王衍行, 韩滨, 赵慧峰, 金扬利.  红外热成像系统用硫系玻璃的熔制技术 . 红外与激光工程, 2015, 44(5): 1472-1476.
    [13] 郭风雷, 张明月, 肖征, 李向军, 刘建军.  连续波THz-CT 的折射问题研究 . 红外与激光工程, 2015, 44(3): 969-973.
    [14] 付强, 张新.  基于硫系玻璃的中波红外光学系统无热化设计 . 红外与激光工程, 2015, 44(5): 1467-1471.
    [15] 付跃刚, 黄蕴涵, 刘智颖.  双波段消热差红外鱼眼光学系统设计 . 红外与激光工程, 2014, 43(10): 3329-3333.
    [16] 高静, 于峰, 葛廷武, 王智勇.  用于产生中红外超连续谱的硫系玻璃色散研究 . 红外与激光工程, 2014, 43(10): 3368-3372.
    [17] 芦雅静, 宋宝安, 董伟, 徐铁峰, 戴世勋, 聂秋华, 沈祥, 林常规.  硫系玻璃在汽车夜视系统中的应用 . 红外与激光工程, 2014, 43(9): 2815-2818.
    [18] 王孟军, 赵翠玲, 韩邦杰, 耿亚光, 马萄.  基于谐衍射的共轴双波段红外光学系统设计 . 红外与激光工程, 2013, 42(10): 2732-2736.
    [19] 李培茂, 王霞, 金伟其, 李家琨, 顿雄.  双波段红外光学系统设计与像质评价 . 红外与激光工程, 2013, 42(11): 2882-2888.
    [20] 宋宝安, 王乔方, 张莹昭, 戴世勋, 徐铁锋, 聂秋华, 王训四, 沈祥, 吴礼刚, 林常规.  红外硒基硫系玻璃光学非均匀性及影响因素分析 . 红外与激光工程, 2012, 41(8): 1985-1989.
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-02-28
  • 修回日期:  2023-04-08
  • 刊出日期:  2023-05-25

基于新型硫系玻璃的红外成像光学系统(特邀)

doi: 10.3788/IRLA20230102
    作者简介:

    陈津津,女,研究员,博士,主要从事红外光学系统设计及性能仿真方面的研究

    通讯作者: 林常规,男,研究员,博士,主要从事硫系玻璃材料及器件方面的研究
基金项目:  国家自然科学基金(62122039)
  • 中图分类号: TH744

摘要: 为了丰富当前可用红外材料的种类,满足新一代红外成像光学系统的轻薄化设计需求,充分利用硫系玻璃组分可调和色散参数可选两大特殊优势,开发了新型硫系玻璃材料,并且在同一系统指标要求下,分别对基于传统红外材料和基于新型硫系玻璃设计的红外光学系统进行了性能对比。基于高折射率硫系玻璃的中波双视场红外光学系统,有效实现了去锗化设计,与基于传统红外材料的红外光学系统相比较,光学系统质量减轻了35%,长度减少了15%,透过率提高了10%。基于叠层梯度折射率(gradient refractive index, GRIN)硫系玻璃的共光路、共焦面双波段红外光学系统,在非制冷型中/短波红外成像光学系统中首次实现了胶合透镜的设计,与基于传统红外材料的双波段红外光学系统相比较,光学系统质量减轻了40%,长度减少了30%,透过率提高了15%;在制冷型中/长波红外光学系统中,具有不同折射率差值Δn的GRIN硫系玻璃展现出卓越的色差校正能力,与基于传统红外材料的双波段红外光学系统相比较,光学系统质量减轻了20%,长度减少了20%,透过率提高了18%。设计结果表明,新型硫系玻璃的出现,是对现有红外材料的有益补充,为新一代红外成像光学系统提供了更为丰富的材料选择和更多的设计自由度,是实现轻薄化透射式红外光学系统的重要技术途径。

English Abstract

    • 红外热成像技术在当前国防军事领域具有不可替代的应用价值,它是红外警戒、搜索跟踪、精确制导等现代战争全天候作战的关键。为了满足各类高性能光电武器平台的兼容需求,红外光学系统的轻量化、小型化、低成本成为新一代红外成像系统综合性能评估的重要指标参数。实现新一代轻薄化红外光学系统的制造,迫切需要发展新型可制造的红外光学材料,为红外光学系统的设计提供更为丰富的材料选择和更多的设计自由度。

      硫系玻璃与传统的红外晶体材料相比,其透射波段更宽(覆盖短波、中波和长波红外),并且折射率温度系数较低,折射率/色散参数选择丰富,化学稳定性较好,制备成本较低,近年来已经作为一种优良的红外光学透镜材料,被广泛应用于军用和民用领域的各类红外光学系统中,例如红外瞄准、体温测量、汽车夜视、安防监控等[1-8]。但硫系玻璃现有的应用主要是基于它的dn/dt系数较低这一特性,仅仅作为温度自适应红外光学系统中的消热差透镜被广泛认可,而硫系玻璃组分可调、色散参数选择较为丰富这两大核心优势并未得到进一步的充分开发和应用。与此同时,鉴于现有硫系玻璃与常用的硅单晶(Si)、锗单晶(Ge)材料相比较,其折射率较低,像差校正的效果不如上述Si、Ge两种材料,使得现有的硫系玻璃应用受限。

      早在2008年,美国DARPA战略科技局就启动了M-GRIN计划(目前仍在进行中),以开发低成本、可定制化的新型硫系玻璃应用于各种军事系统,但仅限本国军用[9-10]。此外,日本也制备了可商用的高折射率硫系玻璃,但是价格昂贵,且供货周期较长。

      文中针对新一代红外成像系统高性能、小型化、低成本的高度需求,通过研制系列化新型硫系玻璃,挖掘硫系玻璃组分可调这一优势,提高硫系玻璃折射率,进一步发挥其在红外光学系统中的像差校正能力;利用硫系玻璃丰富的色散特性,研制新型梯度折射率(gradient refractive index, GRIN)硫系玻璃,以充分发挥其在多/宽波段中的像差校正作用,满足我国新一代高性能光学系统的轻薄化设计需求。上述新型硫系玻璃的出现可以实现红外镜头的去锗化设计,大幅降低红外镜头的制造成本,具有广阔的商业前景。

    • 目前所使用的传统红外材料,根据材料形式主要分为晶体材料和玻璃材料两大类,硫系玻璃由于具有良好的红外透射率和光学均匀性,目前成为红外玻璃材料的典型代表。常用的红外材料的透射波段和折射率如表1所示。

      表 1  常用红外材料折射率和透射波段

      Table 1.  Refractive index and transmission range of general IR material

      MaterialTransmission range/μmRefractive index @10 μm & 20 ℃
      Si1.2-103.4330
      Ge2.0-204.0030
      ZnSe0.5-152.4044
      ZnS0.4-122.1978
      BaF20.8-101.4740
      IG21-142.4982
      IG31.2-142.7847
      IG41-142.6099
      IG51-142.6046
      IG61-142.7793

      在透射式红外光学系统中,透镜材料的折射率越高,光学系统的光程越短,像差校正越容易,更易实现小型化的红外系统设计,这也是Si材料和Ge材料成为红外透镜中最常选用材料的主要原因。高折射率硫系玻璃可以在兼顾像差校正和镜头轻薄化设计的同时降低制造成本,是目前最值得开发的新型红外材料之一。

    • 目前商用的硫系玻璃(IG系列)主要是由As-Se、Ge-As-Se或Ge-Sb-Se等硒基硫系玻璃组成,它们在波长10 µm处的折射率处于2.4~2.8之间。从表1中可以看出,硫系玻璃与常用的单晶Si、单晶Ge相比较,其折射率较低,不利于光学像差校正,使其应用受限。为了开发更高折射率的硫系玻璃,笔者在硫系玻璃的组分中引入具有更高极化率的重元素碲(Te),获得了折射率达到3.18(@10 μm)的新型高折射率硫系玻璃,其为实现低成本、轻薄型红外光学系统提供了全新的材料选择。

      宁波大学红外材料与器件团队(NBL)最新研发的可制造、大尺寸的新型高折射率硫系玻璃NBL-TQIR-1,其组分为Ge-Se-Te。NBL-TQIR-1玻璃的透过光谱及样品照片如图1所示,该硫系玻璃在1.5-18 μm的超宽光谱范围内透明,并且可实现大口径(Φ≤100 mm)规模化制备,具体的材料性能参数详见表2

      图  1  高折射率NBL-TQIR-1硫系玻璃透过光谱(厚度:2.5 mm),插图为Φ50~100 mm NBL-TQIR-1硫系玻璃的样品照片

      Figure 1.  Transmission spectra of high-index chalcogenide glass NBL-TQIR-1 (sample thickness of 2.5 mm). The photo of NBL-TQIR-1 chalcogenide glass sample with the diameter of Φ50-100 mm

      表 2  高折射率硫系玻璃的物理特性

      Table 2.  Physical properties of high-index chalcogenide glass

      Physical properties
      Density/g·cm−35.31
      Glass transition temperature/℃178
      Young’s modulus/GPa25.53
      Elastic modulus/GPa9.80
      Poisson’s ratio0.30
      Refractive index @ 20 ℃
      Wavelength/μmn
      23.26488
      2.53.23436
      3.73.20648
      4.23.20124
      4.83.19681
      83.18531
      103.18088
      123.17620
    • 双/多波段共焦面红外探测器的出现使新一代成像系统的性能指标不再受限于探测器的灵敏度,而是受限于与之适配的光学成像系统的像差限制。反射式光学设计提供虽然解决了双/多波段成像光学系统的色差校正问题,但这类型光学系统带来的装配困难及环境适应性限制了其在复杂的军事环境中的应用,因此该类系统仍然寄希望于透射式红外光学系统。

      现有的双/多波段透射式红外光学系统由于波段变宽,急剧提升了该类光学系统的色差校正难度,基于现有的红外材料要满足系统的性能要求,仍然需要多种材料组合才能完成像差校正,无法同时兼顾多/双波段共焦面成像与系统轻薄化的应用需求。

      NBL团队开发的Te基系列化新型硫系玻璃,如表3所示,基于该系列化玻璃具有相似的玻璃转化温度(Tg)这一前提,并充分发挥硫系玻璃色散参数可选这一核心优势,可根据双/多波段红外成像系统的色差校正需求来选择双层、三层或多层Te基硫系玻璃,在真空或者惰性气体条件下,于Tg以上某一温度(玻璃软化温度Ts附近)处,对其进行加热保温后再进行加压,获得叠层式GRIN硫系透镜。

      表3中列出了经过NBL团队研发、目前可制备的6种新型Te基硫系玻璃,根据光学系统的设计需求,采用其中任意两种或多种硫系玻璃进行组合,实现具有不同折射率差值Δn的GRIN硫系玻璃,以获得能够在双/宽波段成像系统中具有较强色差校正能力的GRIN硫系玻璃透镜。

      表 3  Te-基系列化新型硫系玻璃物理特性

      Table 3.  Physical properties of Te-based serial new chalcogenide glasses

      Materialλ-range
      /μm
      Refractive index @ 20 ℃Tg
      /℃
      NBL-Te-21.5-142.4065110
      NBL-Te-71.5-142.4594117
      NBL-Te-121.5-142.5692121
      NBL-Te-171.5-142.5887120
      NBL-Te-221.5-142.6789123
      NBL-Te-271.5-142.8157123
    • 为了评估NBL开发的新型高折射率硫系玻璃透镜的潜在效益,针对最常用的中波制冷型640×512(F#4,@15 μm)红外探测器,在同一性能指标下,分别开展了基于传统晶体材料的中波双视场红外光学系统与基于NBL-TQIR-1硫系玻璃的中波双视场红外光学系统的方案设计,两种光学方案的设计结果如图2所示,性能对比结果如表4所示。

      图  2  (a) 传统晶体材料中波双视场红外光学系统的设计方案,焦距为60 mm,F#3;(b)基于NBL-TQIR-1轻薄型中波双视场光学系统设计方案,焦距为60 mm,F#3; (c) 传统晶体材料光学系统窄视场MTF;(d) 传统晶体材料光学系统宽视场MTF; (e) NBL-TQIR-1光学系统窄视场MTF;(f) NBL-TQIR-1光学系统宽视场MTF

      Figure 2.  (a) Design scheme of dual-field MWIR optical system of traditional crystal materials, focal length of 60 mm, F#3; (b) Design scheme of lightweight medium wave dual-field optical system based on NBL-TQIR-1, focal length of 60 mm, F#3; MTF of traditional crystal materials optical system is calculated for (c) narrow field and (d) wide field; MTF of optical NBL-TQIR-1 system is calculated for (e) narrow field and (f) wide field

      表 4  中波双视场光学系统性能指标对比

      Table 4.  Comparison of performance indexes for medium wave dual-field optical systems

      CharacteristicsCrystal designNBL glass design
      Spectrum/μm3.7-4.8
      FPA640×512@15 μm
      F#4
      Focal/mm180/60
      Length/mm150130
      Lens count64
      Aspheres32
      Mass-optical/g7045
      MaterialsSi, GeSi,
      NBL-TQIR-1
      MTF
      (nominal)
      20%@NFOV/
      20%@WFOV
      10%@ NFOV/
      20%@ WFOV

      设计结果表明,在相同的性能指标下,两种光学系统的设计方案在特征频率(@33 lp/mm)处,两个视场下的光学传递函数MTF均贴近系统衍射限。由于新型高折射率硫系玻璃NBL-TQIR-1的折射率值达到了3.18(@10 μm波长处),对光学系统的像差校正起到关键作用,最终系统仅采用了2片单晶Si透镜与2片NBL-TQIR-1硫系玻璃透镜组合获得了性能优于采用传统晶体材料的光学系统的设计结果。与此同时,由于采用NBL-TQIR-1硫系玻璃替代了单晶Ge,使得新型光学系统比传统晶体材料光学系统透镜减少了2片,非球面减少1个,光学系统的质量减轻了35%,长度减少了15%,透过率提高了10%,有效实现了中波红外光学系统的轻薄化和低成本设计。

    • 为了评估NBL开发的叠层GRIN硫系透镜在双波段红外光学系统中卓越的色差校正能力,分别针对非制冷型中/短波、制冷型中/长波共焦面双色探测器进行了光学系统设计。

    • 针对非制冷型中/短波共焦面640×512(F#4,@12 μm)红外探测器,在同一性能指标下,分别开展了基于传统材料的中/短波红外光学系统与基于NBL-GRIN硫系玻璃的中/短波红外光学系统的方案设计,两种方案的设计结果如图3所示,性能对比结果如表5所示。这里需要说明的是,晶体设计中选用BaF2的原因是其相比于ZnS等具有更大的阿贝数,因此拥有更强的色差校正能力。

      采用NBL开发的Te基新型硫系玻璃,在非制冷型中/短红外成像光学系统中首次实现了胶合透镜的设计,由于叠层GRIN硫系玻璃折射率差值Δn达到了0.25,充分发挥了GRIN硫系透镜在双波段光学系统中的色差校正作用,使得基于NBL-GRIN硫系玻璃的新型双波段光学系统仅采用2片新型硫系玻璃就完成了设计,比基于传统材料的光学系统透镜减少了2片,同时非球面减少1个,并去除了衍射面。在相同的性能指标要求下,新型光学系统质量减轻了40%,系统长度减少了30%,透过率提高了15%,前者光学传递函数MTF(@特征频率42 lp/mm)比后者提高10%,有效实现了共光路、共焦面双波段光学系统的紧凑型设计。

      图  3  (a) 传统材料中/短波非制冷型共焦面光学系统设计,焦距为50 mm,F#1,从前到后4片透镜的组成依次为ZnSe、IG6、BaF2、IG4;(b) 基于NBL-GRIN硫系玻璃中/短波制冷型共焦面的光学系统设计,焦距为50 mm,F#1,从前到后2片透镜的组成依次为GRIN-NBL-27/NBL-12、NBL-17;(c) 传统材料中/短波光学系统的传递函数MTF;(d)透镜4第一面衍射面矢高图;(e) NBL-GRIN中/短波光学系统的传递函数MTF

      Figure 3.  (a) Design of traditional material medium/short wave uncooled confocal optical system, focal length of 50 mm, F#1, from front to rear, ZnSe, IG6, BaF2, and IG4; (b) Design of medium/short wave cooled confocal surface optical system based on NBL-GRIN chalcogenide glass, 50 mm, F#1 lens, from front to rear, the two lenses are GRIN-NBL-27/NBL-12 and NBL-17, respectively; (c) MTF of traditional material medium/short wave optical system; (d) Sag Z diagram of the first diffractive surface of lens 4; (e) MTF of medium/short wave optical system

      表 5  共光路、共焦面中/短波红外光学系统双波段光学系统性能对比

      Table 5.  Comparison of common light path confocal surface SWIR-MWIR dual-band optical systems

      CharacteristicsCrystal designNBL-GRIN design
      Spectrum/μm1.5-5
      FPA640×512@12 μm
      F#1
      Focal/mm50
      Length/mm7550
      Lens count42
      Aspheres32
      DOE10
      Mass-optical/g245150
      MaterialsZnSe, IG6, BaF2GRIN-NBL-27/12, NBL-17
      MTF (nominal)40%50%
    • 针对制冷型中/长波共焦面红外探测器640×512(F#4,@20 μm)红外探测器,在同一性能指标下,开展了基于传统材料的中/长波红外成像光学系统与基于NBL-GRIN硫系玻璃的中/长波红外成像光学系统的设计,两种光学方案的设计结果如图4所示,性能对比结果如表6所示。

      图  4  (a) 传统材料中/长波制冷型共焦面光学系统设计,焦距为60 mm,F#3,从前到后4片透镜的组成依次为ZnSe、Ge、BaF2、and Ge;(b)基于NBL-GRIN的新型硫系玻璃中/长波制冷型共焦面光学系统设计,焦距为60 mm, F#3,从前到后2片透镜的组成依次为NBL-GRIN、NBL-22;(c) 传统材料中波红外光学传递函数MTF;(d) 传统材料长波红外光学传递函数MTF; (e) NBL-GRIN中波红外调制传递函数MTF; (f) NBL-GRIN长波红外调制传递函数MTF

      Figure 4.  (a) Design of traditional material medium/long wave cooled confocal optical system, focal length of 60 mm, F#3, four lenses from front to rear, ZnSe, Ge, BaF2, and Ge; (b) Design of medium/long wave cooled confocal optical system based on NBL-GRIN chalcogenide glasses, focal length of 60 mm, F#3, the two lenses from front to rear are NBL-GRIN and NBL-22, respectively; MTF of traditional material is calculated for (c) MWIR and (d) LWIR wavebands; MTF based on NBL-GRIN is calculated for (e) MWIR and (f) LWIR

      该系统设计中,基于NBL开发的Te基新型硫系玻璃制备的GRIN硫系透镜,其折射率差值Δn达到了0.3,在从中波到长波的较宽波段上充分发挥了GRIN透镜的色差校正作用。设计结果表明,NBL-GRIN硫系玻璃中/长波光学系统仅采用2片透镜就获得了性能与传统材料设计的光学系统性能相当的设计结果,但是NBL-GRIN光学系统在系统总长上比传统材料光学系统减少了20%,质量减轻了25%,透过率提升了18%。由于GRIN硫系玻璃双波段光学系统的透镜减少了2片,非球面减少2个,使得新系统的加工及装配成本都大幅下降。

      表 6  共光路共焦面中/长波红外双波段光学系统性能对比

      Table 6.  Comparison of common light path confocal surface MWIR/LWIR dual-band optical systems

      CharacteristicsCrystal designNBL-GRIN design
      Spectrum/μm3.7-4.8 & 7.7-9.5
      FPA640×512 @ 20 μm
      F#3
      Focal/mm60
      Length7055
      Lens count42
      Aspheres32
      Mass-optical/g11087
      MaterialsZnSe, Ge, BaF2GRIN-NBL-27/12, NBL-22
      MTF (nominal)45%@MWIR/
      15%@LWIR
      45%@MWIR/
      15%@LWIR
    • 新型硫系玻璃的出现是对现有红外材料的有益补充,为新一代透射式红外成像系统提供了更为丰富的材料选择和更多的设计自由度。

      针对当前可用红外材料种类有限,现有硫系玻璃折射率相比晶体材料折射率较低的技术缺陷,利用硫系玻璃组分可调和色散参数可选两大特殊优势,开发了两类新型硫系玻璃材料。新型的高折射率硫系玻璃NBL-TQIR-1有效实现了中波红外成像系统的去锗化设计,在实现光学系统轻薄化设计的同时有效降低了红外光学系统的成本。新型叠层式GRIN硫系玻璃,在红外成像光学系统中首次实现了胶合透镜的设计,具有不同折射率差值Δn的GRIN硫系玻璃在宽波段成像系统中具有卓越的色差校正能力,为新一代共焦面宽波段红外成像系统的小型化设计提供了丰富的色散选择机会,是实现灵巧型双波段红外光学系统的重要技术途径。

      为了满足新一代成像系统的工程化应用,基于新型硫系玻璃材料的制备工艺、透镜加工、表面处理及相关镀膜技术都将成为新一代红外成像光学系统不可或缺的技术支持。

参考文献 (10)

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