使用机械结构实现红外光学系统无热化

封荣凯

广西奥顺仪器有限公司

使用机械结构实现红外光学系统无热化

封荣凯

广西奥顺仪器有限公司

当前，国内的机械加工装配水平可以满足系统的性能和精度要求，机械被动式方法具有推广应用的潜力。在使用机械结构中，要保证红外光学系统在较宽的温度范围内稳定工作，就必须消除温度对红外光学系统的影响，即对红外光学系统进行无热化设计。无热化设计是利用不同手段消除环境温度变化对光学系统性能的影响。基于此，文章就使用机械结构实现红外光学系统无热化进行简要的分析。

使用机械结构；红外光学系统；无热化

1.使用简单机械结构实现无热化的原理

使用简单机械结构实现红外光学系统无热化是在光学系统中外加简单机械结构，利用结构的热膨胀，抵消补偿像面的热漂移。

据国外报道，机械被动式方法常用的简单机械结构主要有三种：双/多层镜筒结构、双/多层支撑杆结构和周向驱动-凸轮结构。

双/多层镜筒结构和双/多层支撑杆结构均利用不同层结构材料的热膨胀系数差来实现热驱动。图1 为这两种结构的原理图。周向驱动-凸轮结构利用结构材料的周向膨胀驱动凸轮进而实现轴向驱动。图 2 显示了两种周向驱动- 凸轮结构的原理图。

图1 双/多层镜筒结构和双/多层支撑结构的原理图

图2 两种周向驱动- 凸轮结构

2.红外光学系统无热化设计的途径

2.1 适用于红外热成像的光学材料

首先应找到适用于红外热成像的光学材料，并综合考虑红外系统对光学材料的要求。目前国内适用于热成像的红外光学材料只有4种——锗、硅、硒化锌和Ge30As10Se60。表1列出这4种材料的光学特性和热特性，表中dn/dt是折射率温度变化系数，Xf是光学热膨胀系数。Ge30As10Se60是由锗、砷和硒以近似30：10：60的比例生产出来的玻璃质材料，是仿制美国的AMTIR-I材料。

表1 可用红外光学材料的光学特性和热特性(25℃)

该材料为国内首创，材料的技术指标达到国外同类产品水平。用一个设计实例进行研究讨论，其技术指标为：

(1)光谱范围：3～5μm，中心波长4μm；(2)焦距：f=120mm；(3)通光口径：D=95mm；(4)红外探测器：320×240，单个探测器像元面积为：20μm×20μm；(5)像质要求：0～50%视场的像质不低于衍射限的80%；50%至全视场的像质不低于衍射限的50%；(6)后工作距：≥10mm；(7)系统总长：≤100mm。根据(2)和(4)中的指标可计算出设计实例的全视场为3.8°。根据(1)～(3)中的指标可计算出设计实例的焦深范围为±12.8μm。

2.2 球面系统光学材料匹配

2.2.1 单透镜结构和双分离结构

这两种结构都不能满足光学系统消像差要求，因此常温下不能找到满足像质要求的系统。进行无热化设计首先要找到常温下像质满足要求的系统，讨论温度变化才有意义。

2.2.2 三片式结构和四片式结构

(1)三片式结构通过软件设计得到常温下可以接受的三片式系统材料组合有：硅、锗和硅；硅、锗和硒化锌，并分别简称为SGS和SGZ。(2)四片式结构通过软件设计得到常温下可以接受的四片式系统材料组合有5种：1)硅、锗、硅和硅；2)硅、硅、锗和硅；3)硅、硅、锗和锗；4)硅、硅、锗和硒化锌；5)硅、锗、硒化锌和硅，并分别简称为SGSS、SSGS、SSGG、SS-GZ和SGZS。

2.2.3 五片及以上结构

如果在四片式结构的基础上再增加透镜，则系统的结构比较复杂，装调精度不易保证，而且系统的透过率大大下降。所以研究仅限于四片以下的系统结构。

3.设计实例

光学系统参数：

波长范围 8000nm～12000nm

焦距 200mmF#4

红外探测器/元320×240像元

大小 0.03mm×0.03mm

3.1 不考虑消热差的设计

使用一块Ge透镜完成设计，为使弥散圆小于像元大小0.03mm×0.03mm，采用非球面设计。用光学设计软件对其焦距和弥散圆尺寸随温度的变化进行分析，如表2所示，它给出了当环境温度变化时，系统焦距和弥散圆尺寸的变化情况。在常温20℃时弥散圆尺寸为0.028mm，小于像元大小，满足像差要求，但在其他温度点，弥散圆尺寸超过了像素大小，不能满足设计要求，同时，随着温度的变化，焦距变化也比较明显。

表2 不考虑消热差时焦距和像差随温度的变化情况

3.2 光学被动式消热差设计

当使用Ge-ZnSe-ZnS玻璃组合时，由于焦距为200mm，将组合玻璃材料的光焦度转化为焦距，然后放大到200mm，则Ge透镜的焦距为-263.16mm；ZnSe透镜的焦距为68.49mm；ZnS透镜的焦距为-172.4mm。在优化过程中，保持总焦距不变，只改变某个单透镜的2个半径，必要时可以使用非球面设计，这样，保证了各个单透镜的焦距也不改变，因而不会影响到前面的消热差条件。由于在优化过程中假定透镜为紧密型，因而边缘光线到每个面上的高度一致，但在实际设计过程中，由于透镜厚度的存在，边缘光线的高度总存在差别，为保证整个系统的焦距为200mm，Ge透镜的焦距将变为254.4mm，ZnSe和ZnS的焦距不变，由于焦距分配的改变，热差就不可能为零，因而焦距发生一定的偏移。设计结果如图3所示。

图3 消热差设计结果

光学设计软件对其焦距和弥散圆尺寸随温度的变化进行分析，当环境温度变化时组合透镜焦距和弥散圆尺寸的变化情况。在-40℃～60℃温度范围内弥散圆尺寸基本不变，满足像差设计要求，同单个透镜设计结果相比较，其焦距随温度基本保持不变。

综上，在常用的结构件材料中选择材料制作结构件，球面系统光学材料匹配后不能消除红外热效应。可以在较大视场内获得接近衍射极限的成像质量，具有较宽的工作温度范围，而且结构简单，工作可靠。

[1]李利.双波段红外光学系统的无热化设计[D].南京航空航天大学，2012.

[2]吕天宇，杨飞，明名.基于波前编码技术红外光学系统无热化研究[J].长春理工大学学报(自然科学版)，2012，02：26-28.

[3]刘欣，刘春华，潘枝峰，罗京平.机载复杂红外光学系统无热化补偿方法研究[J].电光与控制，2012，07：68-70+93.