紅外折反射式無焦系統(tǒng)被動消熱化設(shè)計

段媛 賀祥清（四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川綿陽 621000）

紅外折反射式無焦系統(tǒng)被動消熱化設(shè)計

段媛 賀祥清
（四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川綿陽 621000）

介紹了長波紅外被動消熱差光學(xué)系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)的選擇方法，設(shè)計了一種工作于7.7-10.3μm的折反射式無焦系統(tǒng)，依靠光學(xué)系統(tǒng)自身成像原理和光學(xué)材料及機(jī)械結(jié)構(gòu)材料的熱特性匹配來實現(xiàn)消熱化，設(shè)計結(jié)果表明，在-50～70℃溫度范圍內(nèi)，成像質(zhì)量接近衍射限，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小等優(yōu)點，可滿足掃描紅外系統(tǒng)的使用要求。

折反射式無焦系統(tǒng) 消熱設(shè)計 光學(xué)設(shè)計 熱特性匹配

1　引言

紅外光學(xué)系統(tǒng)需要工作于惡劣的環(huán)境條件下，其中環(huán)境溫度的變化是對紅外光學(xué)設(shè)備的嚴(yán)峻考驗之一。當(dāng)環(huán)境溫度變化時，光學(xué)元件的曲率、厚度和間隔將發(fā)生變化，同時元件材料的折射率也發(fā)生改變，從而引起系統(tǒng)焦距變化，像面發(fā)生位移。由于紅外光學(xué)材料的折射率溫度系數(shù)dn/dt比較大，因此環(huán)境溫度變化對紅外系統(tǒng)的影響尤為嚴(yán)重，將導(dǎo)致系統(tǒng)性能急劇下降，圖像質(zhì)量惡化。因此，在紅外光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計過程中進(jìn)行消熱化設(shè)計是相當(dāng)必要的。

對比機(jī)械主動式和機(jī)械被動式方法，光學(xué)被動式不外加任何調(diào)焦機(jī)構(gòu)，只依靠光學(xué)系統(tǒng)自身成像原理和光學(xué)材料及機(jī)械結(jié)構(gòu)材料的熱特性匹配來實現(xiàn)消熱化設(shè)計，具有結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、系統(tǒng)可靠性高等優(yōu)點。

圖1　光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2　光學(xué)系統(tǒng)選擇

紅外光學(xué)系統(tǒng)是紅外搜索跟蹤設(shè)備的重要組成部分，由于受安裝平臺的空間限制，通常要求光學(xué)系統(tǒng)盡可能結(jié)構(gòu)緊湊。利用Ritchey-Chretien結(jié)構(gòu)用作望遠(yuǎn)物鏡，主次鏡均為雙曲面。彗差得到校正，僅殘余像散和場曲。具有結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸小，筒長短，軸上分辨率高等特點。目鏡組采用三片式結(jié)構(gòu)。

圖2　20℃溫度狀態(tài)時的調(diào)制傳遞函數(shù)曲線

3　光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

3.1原理

透鏡焦距隨溫度變化表示為：

其中， αg為透鏡材料的熱膨脹系數(shù)，dndt為透鏡材料的折射率溫度系數(shù)。多數(shù)情況下，焦距隨溫度變化而減小，公式常寫成ΔΦ=-υΦΔt， ν稱為透鏡材料的熱光系數(shù)。

光學(xué)系統(tǒng)相對像面的焦移還要考慮鏡筒隨溫度的變化。

這里Ritchey-Chretien作為物鏡組，主、次鏡采用相同的基底材料，支撐結(jié)構(gòu)件選用與其熱膨脹系數(shù)相同的材料，保證光學(xué)零件和機(jī)械零件均勻地膨脹和收縮，則主次鏡的熱離焦量為零。

目鏡組的消熱化設(shè)計時必須同時滿足光焦度、消色差和消熱差的要求，由此得出通常需要三種不同材料的組合才能實現(xiàn)成功的光學(xué)消熱。假設(shè)三片鏡由一片單透鏡和一組雙膠合透鏡組成，那么必須滿足以下3個方程：

圖3　-50℃溫度狀態(tài)時的調(diào)制傳遞函數(shù)曲線

圖4　+70℃溫度狀態(tài)時的調(diào)制傳遞函數(shù)曲線

表1　紅外材料的特性參數(shù)

式中： h1、h2、h3為第一近軸光線在各透鏡的高度；φ1、φ2、φ3為透鏡的光焦度； Φ為系統(tǒng)的總光焦度； ν1、ν2、ν3為光學(xué)材料的阿貝數(shù)； δ1、δ2、δ3為光學(xué)材料的熱光系數(shù)； αmount為外部機(jī)械結(jié)構(gòu)的線膨脹系數(shù)。常用紅外材料在8-12μm的阿貝數(shù)、熱光系數(shù)于表1中給出。設(shè)計時，先通過求解方程組得到系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)，然后利用光學(xué)設(shè)計軟件對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，得到消熱差長波紅外光學(xué)系統(tǒng)的最終結(jié)構(gòu)參數(shù)。

3.2指標(biāo)

（1）光譜范圍：7.7-10.3μm

（2）口徑：120mm

（3）放大倍率：8×

（4）視場：2.6°×2.6°

（5）系統(tǒng)必須做到無熱化，在-50℃～+70℃以內(nèi)不用進(jìn)行溫度調(diào)焦。

3.3設(shè)計結(jié)果分析

折反式無焦系統(tǒng)光路圖如圖l所示。圖中紅外系統(tǒng)物鏡組中主次鏡和結(jié)構(gòu)件均材料采用鋁7075，其熱膨脹系數(shù)為23.6×10-6。目鏡由3個透鏡組成，透鏡材料依次為硫系玻璃、硫化鋅和鍺，光焦度符號分別為+、－、－。鏡筒材料換成合金鋼。

圖2、圖3和圖4分別為系統(tǒng)在20℃、-50℃、+70℃溫度狀態(tài)時的調(diào)制傳遞函數(shù)曲線，從圖中可以看出，系統(tǒng)在不同溫度環(huán)境下所有視場的MTF都接近衍射限。

4　結(jié)語

由于溫度變化時光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生了變化，打破了原有的像差平衡，系統(tǒng)的最佳像面位置和像質(zhì)將隨溫度變化。本文采用常用的紅外材料和結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行光學(xué)被動式無熱化設(shè)計，利用光學(xué)材料熱差和色差各自相互補(bǔ)償?shù)脑?，實現(xiàn)了一種低成本、高像質(zhì)的紅外光學(xué)系統(tǒng)的無熱化設(shè)計，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低、性能可靠，無需機(jī)電或特殊機(jī)械結(jié)構(gòu)材料，滿足紅外系統(tǒng)的使用要求。

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［4］劉瑞奇，陳星明，趙家琪.紅外成像光學(xué)系統(tǒng)無熱化設(shè)計［J］.光學(xué)與光電技術(shù)，2009，7（5）：93-96.

In this paper，the way to choose original strating configurations for infrared optical passive athermalization was discussed.A compact catadioptric afocal telescope was designed.The results show that the system possesses better athermal performances in the temperature range -50～70℃.The image quality of the system almost reaches diffractive limit.In addtiton，the optical system has many advantages，such as compact structure，small volume and so on.It can be applied to scanning infrared systems.

infrared catadioptric afocal system；athermalization design；optical design