大相对孔径紧凑型非制冷光学系统消热设计

安晓强,王 茜,宋 波

(西南技术物理研究所,四川 成都 610041)

·红外技术及应用·

大相对孔径紧凑型非制冷光学系统消热设计

安晓强,王 茜,宋 波

(西南技术物理研究所,四川 成都 610041)

对常用光学被动消热技术措施进行了归纳总结。针对长波非制冷光学系统大相对孔径、高透过率、小型化和良好环境适应性等特点,基于640×512大面阵非制冷探测器的应用,利用CODE V光学设计软件,设计了一个焦距f=70 mm,视场角为10.44°×8.36°,F数为0.85,总长为85 mm的三片式光学系统。在-50～70 ℃温度范围内,所有视场的MTF值在25 lp/mm处均大于0.61,光学畸变小于0.5%,光学系统成像质量良好。公差分析结果表明光学零件加工和光机装配工艺成熟稳定,光学系统设计具有良好的工程可研制性。

大相对孔径；长波非制冷；被动消热；光学设计

1 引 言

近年来,随着非制冷红外探测器技术的快速发展和探测器性能的不断提升[1],使得非制冷红外被动探测和成像成为可能,并逐渐在民用及其他领域取得越来越广泛的应用。虽然非制冷探测器性能不断提升,但是其探测灵敏度仍与制冷红外探测器相比存在一定的差距,为了进一步改善和提高非制冷红外成像系统的性能,对非制冷红外光学系统的设计提出了更高的要求,具体而言,要求光学系统具有较大的相对孔径(小F数),结构简单紧凑,具有较高的光谱透射率,同时要有良好的环境适应性,以满足不同环境的使用要求。在此应用背景下,本文以大相对孔径紧凑型红外光学系统为研究对象,首先归纳总结了光学被动消热设计的基本技术措施。结合非制冷红外光学系统的应用特点,通过具体的设计实例详细阐述了光学被动消热设计的基本思想和具体方法,设计结果表明：光学系统具有良好的光学性能、环境适应性和工程可研制性。

2 光学被动消热技术措施

消热设计的目标是减小环境温度变化的影响,保证光学系统在全工作温度范围内具有良好的成像质量。可采取以下技术措施[2-6]来实现光学被动消热设计。

1)光学材料组合设计

光学材料组合设计是解决光学系统被动消热设计的主要途径,直接决定消热设计能否实现。光学材料光热特性用热差系数来表征。热差系数定义为单位温度变化时,对指定光学材料,单位焦距透镜的焦距变化量。热差系数可按公式(1)计算：

(1)

式中，km为光学材料热差系数,单位为每摄氏度分之一(1/℃)；Δf′ 为焦距变化量,单位为毫米(mm)；f′为焦距,单位为毫米(mm)；ΔT为工作温度变化量,单位为摄氏度(℃)；αm为光学材料线膨胀系数,单位为每摄氏度分之一(1/℃)；dn/dt为光学材料折射率温度系数,单位为每摄氏度分之一(1/℃)；n为光学材料折射率,量纲一。

由公式(1)可知,常用红外光学材料的热差系数一般为负值,表现为负光热特性,极少数红外光学材料的热差系数为正值,表现为正光热特性。原则上选择光热特性相反的材料最易实现消热设计,但是,由于少数正光热特性的材料机械和理化性能较差,光学冷加工和镀膜性能很不稳定,一般很少使用。因此,光学材料组合设计的最佳方法是热差系数较大的材料和热差系数较小的材料进行组合设计。

2)正负透镜组合设计

由于常用红外光学材料一般都表现为负光热特性,随着环境温度升高,对正透镜而言,焦距变化量为负值,对负透镜而言,焦距变化量为正值。因此,通过正负透镜组合和光焦度合理分配可以更有效地实现消热设计。

3)折/衍射面组合设计

衍射光学元件的光热特性只与材料的膨胀系数有关,与材料的折射率温度系数无关,其热差系数等于材料膨胀系数的两倍[7-8]。与传统折射光学元件相比,衍射光学元件表现为正光热特性,因此,通过折/衍射面组合应用有利于光学系统的消热设计。在红外光学材料中,锗材料具有最大的热差系数,对热差(热离焦和热色散)的贡献最大,在光学被动消热设计中,衍射面应用在锗材料上,一方面可减小和补偿其热差,另一方面锗材料上的衍射面加工工艺也比较成熟。

4)结构材料选择

常用的结构材料主要有铝合金、钛合金、不锈钢和镁铝合金。一般而言,光学系统结构材料应优先选择加工性能好、性价比高的铝合金,除非消热设计需要,才选择钛合金和不锈钢。

3 设计实例及分析

3.1 光学系统设计参数

本设计实例选用目前靶面尺寸最大、分辨率最高的非制冷氧化钒器件作为光学系统的成像接收器,探测器靶面尺寸为12.8 mm×10.24 mm,对角线尺寸为16.39 mm。具体光学系统的设计输入参数如下：

1)焦距：70 mm；

2)F数：0.85；

3)视场：10.44°×8.36°；

4)中心波长：10 μm；

5)消色差范围：8～12 μm；

6)畸变：<0.5%；

7)焦长比：0.824；

8)探测器像元数：640×512；

9)像元大小：20 μm；

10)消热差温度范围：-50～70℃；

11)特征频率：25 lp/mm。

3.2 设计思路

3.2.1 总体设计

光学系统采用透射式结构形式,由三片透镜组成,最大口径φ82.65 mm,后工作距离10.92 mm,总长度为85 mm,焦长比为0.824。孔径光阑位于第一透镜的第二面,光学系统F数为0.85。由于相对孔径和视场较大,长度较短,使得光学系统存在较大的单色孔径像差,为此在设计过程中通过使用非球面来解决,非球面用在三片透镜的前表面。图1为光学系统的二维平面图。

图1 光学系统二维平面图

3.2.2 光学被动消热设计

在本设计实例中,光学被动消热设计要保证光学系统在-50～70 ℃的温度范围内具有良好的成像质量。根据第二部分的分析,采取以下具体技术措施来实现本光学系统的被动消热设计。

1)光学材料选择

在本设计中,光学材料选择硫系玻璃(IG6)、锗(Ge)和硒化锌(ZnSe)三种材料。表1给出三种光学材料的光热特性参数。由表1可知,Ge材料的热差系数绝对值最大,IG6材料的热差系数绝对值最小,通过Ge和IG6两种材料组合设计大大减小了光学系统的热差,ZnSe材料的热差系数绝对值居中,用来补偿Ge和IG6组合设计的剩余热差。

表1 红外光学材料的光热特性参数

2)正负透镜有效组合

在本设计中,选择硫系玻璃IG6作为正透镜,Ge材料作为负透镜,ZnSe材料作为正透镜。表2给出光学系统中光学零件光焦度的具体分配。由表2知,透镜1承担光学系统主要光焦度,选择热差系数最小的IG6材料大大减小了光学系统的热差。透镜2和透镜3的组合光焦度较小,通过正、负透镜组合设计来补偿透镜1的剩余热差。

表2 光学零件光焦度的具体分配

3)衍射面应用

在本设计中,透镜2的前表面使用了衍射面,进一步减小和补偿透镜2的热差。

4)结构材料

在本设计中,结构材料选用机械加工性能和性价比好的铝合金,膨胀系数为23.6×10-6℃-1。

3.3 设计结果及分析

在光学设计软件CODE V上对光学系统的设计结果进行了仿真分析,图2～图4分别给出常温、低温和高温环境下光学系统的MTF曲线。由图2、图3和图4可知,在特征频率25 lp/mm处,常温20 ℃时,全视场MTF值大于0.638；低温-50 ℃时,全视场MTF值大于0.615；高温70 ℃时,全视场MTF值大于0.616。与常温相比,高低温下MTF值稍有下降,下降量为0.023。MTF仿真分析结果表明：在-50～70 ℃的温度范围内光学具有良好的成像质量,光学被动消热设计取得很好的效果。

图2 20 ℃时的MTF曲线

图3 -50 ℃时的MTF曲线

图4 70 ℃时的MTF曲线

图5给出光学系统的畸变曲线,由图5可以看出光学系统的畸变很小,根据仿真分析结果,边缘视场的最大畸变为0.46%。

图5 畸变曲线

不同视场、不同环境温度对公差有不同的要求。在CODE V软件上对全温度范围的公差进行了分析,其中,对称公差是通过像面位置的调整进行补偿。公差分析结果表明：对光学零件的冷加工公差而言,半径公差、面形公差(光圈和局部光圈)较为宽松,最严格的厚度公差为0.02 mm,最严格的偏心误差为0.005 mm,目前的光学加工水平和精度完全可以达到。就光学零件的冷加工工艺而言,Ge和ZnSe材料上非球面的加工工艺很成熟,口径小于φ100 mm硫系玻璃上非球面的加工工艺也比较成熟,同时Ge材料上衍射面的加工工艺也很成熟。对光机装配公差而言,最严格的空气间隔误差为0.02 mm,倾斜误差为1′,同轴度误差为0.01 mm。目前常用的光机装配方法有两种：定心配车法和光学定中心软装配法,这两种光机装配方法都可满足本光学系统的光机装配误差要求。综上分析,光学系统加工和装配工艺成熟、稳定,具有良好的工程可研制性。

4 结 论

结合非制冷红外光学系统特点,以大相对孔径紧凑型长波非制冷光学系统被动消热设计为研究目标,归纳总结了光学被动消热设计的四种基本技术措施。通过一个设计实例,从光学材料选择、正负透镜组合设计、衍射面应用和结构材料选择等方面进行光学被动消热设计综合考虑,成功实现了-50～70 ℃宽温度范围内具有良好成像质量和工程研制性能成熟稳定的光学系统。本文的研究成果可为类似光学系统的设计提供一定的帮助和参考价值。

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Athermal design of compact uncooled optical system with large relative aperture

AN Xiao-qiang,WANG Qian,SONG Bo

(Southern West Institute of Technical Physics,Chengdu 610041,China)

The common technical measures of optical passive athermalization are summarized.Aiming at the characteristics of uncooled long wavelength optical system,including large relative aperture,high transmission,small dimension and good environmental adaptability etc.,an optical system including three lens is designed and optimized by CODE V based on uncooled detector of 640×512 large focal plane,and the performance parameters of optical system include focal length of 70 mm,field of view of 10.44°×8.36°,Fnumber of 0.85 and total length of 85 mm.In the range of -50～70 ℃,the modulation transform function(MTF) of all fields of view is greater than 0.61 at 25 lp/mm,and the distortion is less than 0.5%.The results of tolerance analysis show that optical elements processing and optical mechanical assembly are mature and stable,and optical system design has good engineering performance.

large relative aperture;uncooled long wavelength;passive athermalization;optical design

安晓强(1971-)，男，研究员，研究方向为光电成像系统总体技术，光学系统设计及性能评估。E-mail：2695704914@qq.com

2014-09-24;

2014-11-19

1001-5078(2015)07-0795-05

TN216

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.07.013