《Sensors》：Secondary Imaging Architecture for Fast and Ultra-Wide LWIR Optics with Low Rectilinear Distortion
Kuo-Chuan Wang and
Cheng-Huan Chen
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在低地球轨道（LEO）实现大覆盖幅宽的长波红外（LWIR，8–12 μm）热成像，需要兼具高光学通量（快光圈）与直线投影（F?tan）映射特性，以支持热分布测绘与多帧配准。传统LWIR次级成像多用于窄视场制冷型系统以满足冷光阑匹配，而在超宽视场条件下，实现F/
在低地球轨道（LEO）实现大覆盖幅宽的长波红外（LWIR，8–12 μm）热成像，需要兼具高光学通量（快光圈）与直线投影（F?tan）映射特性，以支持热分布测绘与多帧配准。传统LWIR次级成像多用于窄视场制冷型系统以满足冷光阑匹配，而在超宽视场条件下，实现F/1.2光圈、112°对角视场（FOV）及±5%直线畸变极具挑战，因为在大主光线角度下，映射约束与视场主导的轴外像差紧密耦合。低畸变目标不仅是几何指标，还能减少边缘压缩、保持边缘细节一致性，并降低数字去畸变的计算负担。本研究提出一种全折射双组次级成像架构，利用曲面中间像将前组视场主导的映射形成与后组孔径主导的像差校正解耦。采用硫系玻璃材料，系统在总光路长度186.9 mm内实现了5.7 mm有效焦距（EFL）。8–12 μm波段分析表明，在50 lp/mm奈奎斯特频率下，成像性能接近衍射极限，并在全视场保持稳定的几何保真度。?40 °C至80 °C的热分析与5000次蒙特卡洛（Monte Carlo）公差分析显示，该设计在不同温度环境与制造误差下均具备稳定成像性能与可制造性，验证了所提架构的有效性。
本研究针对低地球轨道（LEO）广域热成像任务，提出了一种面向非制冷型长波红外（LWIR，8–12 μm）探测器的超宽视场、快光圈、低直线畸变次级成像光学架构。研究人员指出，现有LWIR超宽视场镜头多采用鱼眼式等距投影结构，难以直接兼容标准几何映射流程；而部分准直线畸变设计则依赖衍射光学元件（DOE）或接受较大桶形畸变，影响高精度配准。为此，研究人员引入曲面中间像的双组全折射结构，将前组的视场主导映射控制与后组的孔径主导像差校正解耦，并使用硫系玻璃（如SCHOTT IRG系列）实现材料色散平衡。优化过程分为两个阶段：第一阶段在前组建立直线映射趋势并确保中间像稳定形成，第二阶段在后组完成快光圈下的残余像差校正与最终场曲平整。结果显示，该八片式透镜在F/1.2光圈、112°对角视场条件下，直线（F?tan）畸变控制在±5%以内，对应1280×1024像素、10 μm像元间距的非制冷微测辐射热计探测器，峰值畸变处边缘位移约40像素，边缘采样密度优于传统F?θ映射。在20 °C环境下，50 lp/mm空间频率的调制传递函数（MTF）接近衍射极限；在?40 °C至80 °C范围内，全视场15% MTF频率变化仅约1 lp/mm，50% MTF频率变化约1.3 lp/mm，结合因瓦合金36（Invar 36）镜筒与隔圈，实现了良好的热稳定性。相对照度（RI）在全视场保持在80%以上，减少了宽幅成像时的信噪比（SNR）损失。蒙特卡洛公差分析表明，在严格加工装配容限下，90%置信水平时全视场MTF仍高于0.15，证明该架构对制造误差具有较低的敏感性。第三阶像差系数分析进一步验证了前后组任务分工：前组主要贡献直线映射所需的负畸变趋势，后组集中校正球面像差（SA）与弧矢彗差（TCO），整体佩茨瓦尔和（PTZ）接近零，表明基础光焦度与材料已自然平衡场曲。该研究成果发表于《Sensors》，为LEO平台的高通量、高几何保真度LWIR热测绘载荷提供了一种可行的光学解决方案。
关键技术方法方面，研究人员采用CODE V 2025.03光学设计软件，在8–12 μm波段加权优化，结合分阶段权重策略：第一阶段优先直线映射约束，第二阶段加强MTF与波前误差权重。材料选用SCHOTT IRG系列硫系玻璃，并在L1、L3、L6、L8设置非球面面型，共八个非球面，以在有限镜片数内实现高阶像差校正。热分析模型采用Invar 36结构件抑制热致机械变形，公差预算依据高精度加工标准设定，并通过5000次蒙特卡洛模拟验证可制造性与性能稳定性。
研究结果部分，首先在光学设计章节，研究人员完成了八片式双组成像系统布局，前组三片形成曲面中间像，后组五片在快光圈下完成最终成像与场曲平整，孔径光阑置于后组L5与L6之间。其次，MTF性能测试显示，在20 °C条件下，全视场MTF在50 lp/mm接近衍射极限，满足采样要求。热稳定性评估结果表明，在?40 °C至80 °C范围内，MTF下降幅度极小，光学与结构热膨胀得到良好匹配。几何保真度分析显示，直线畸变在全视场控制在±5%以内，边缘压缩显著低于等距投影结构。二维图像仿真进一步验证了低畸变映射在边缘信息密度上的优势。相对照度分析显示，全视场照度均匀性优于80%，有助于减少宽幅成像时的信号衰减。蒙特卡洛公差分析则证实，该设计在严格加工装配误差下仍能保持足够的成像对比度。
讨论部分，研究人员基于球面基面的第三阶像差系数，量化了前后组的功能分工：前组主要负责建立直线映射所需的畸变趋势，后组集中处理快光圈带来的球差与彗差，佩茨瓦尔和接近零表明场曲已被自然平衡。非球面则在实现阶段用于残余像差的精细校正。结论部分，研究人员认为该次级成像架构通过曲面中间像实现映射与像差校正的解耦，成功在超宽视场、快光圈、低直线畸变的综合约束下达成高性能LWIR成像，适用于LEO热测绘任务，并具备良好的热稳定性和制造可行性。
