雙波段透射式紅外無熱化光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

黃辰旭

（中國航空工業(yè)集團公司洛陽電光設(shè)備研究所，河南 洛陽 471000）

0 引言

目前，常采取長波波段對空迎頭進行探測，而飛機發(fā)動機等高溫目標的主要輻射波長為3～5μm，且在濕度較大的環(huán)境中，長波透過率低，無法滿足高濕熱環(huán)境中的使用要求。中波波段適合在空尾后、高濕度環(huán)境中進行探測，且分辨率高，但中波紅外光譜的輻射度較低?？刹捎没谥胁t外和長波紅外組合的雙波段探測系統(tǒng)來實現(xiàn)信息互補，從而增加探測的信息量，并提高探測的準確性。

傳統(tǒng)的紅外雙波段系統(tǒng)多采用折衍射混合設(shè)計或中波、長波分光路設(shè)計，存在系統(tǒng)體積大、難以重量化、成本高等問題，無法滿足新一代機載紅外搜索跟蹤系統(tǒng)具有長焦距、高分辨率、體積緊湊、成像良好的設(shè)計要求［1-7］。

雙波段無熱化光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計有以下3 個難點。①寬波段系統(tǒng)設(shè)計。由于光學(xué)材料有限，材料的搭配較為困難，且寬波度、大色散導(dǎo)致色差難以校正，而大像高導(dǎo)致像面噪聲的均勻性難以保證。②雙波段公差設(shè)計。復(fù)雜的雙色耦合公差要同時校正，且雙色耦合調(diào)整量要保持一致，同時受到嚴格的空間尺寸限制。③雙波段無熱化設(shè)計。機載溫度范圍一般為-55～70 ℃［8］，要想在125 ℃寬溫度范圍內(nèi)使性能得到保證，就要確保紅外材料折射率溫度系數(shù)（dn∕dt）的敏感性較高。

1 雙波段無熱化方案分析

溫度變化時，光學(xué)零件的曲率、厚度、間隔及光學(xué)材料的折射率都將會發(fā)生變化。這些因素的變化都將導(dǎo)致系統(tǒng)焦距發(fā)生改變，同時封裝光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的材料尺寸也會隨著溫度的變化而發(fā)生變化。當兩種變化不一致時，會導(dǎo)致系統(tǒng)的焦距進一步發(fā)生改變。由于紅外材料折射率溫度系數(shù)（dn∕dt）的敏感性較高，環(huán)境溫度變化會對紅外系統(tǒng)產(chǎn)生嚴重的影響。為了確保光學(xué)系統(tǒng)在-55～70 ℃范圍保持成像清晰，在對紅外成像系統(tǒng)進行設(shè)計時，可加入主動或被動補償結(jié)構(gòu)，用來補償溫度變化對系統(tǒng)性能產(chǎn)生的影響。

由于紅外光學(xué)材料的折射率對溫度變化很敏感，當系統(tǒng)所處的環(huán)境溫度發(fā)生變化時，會導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)的焦面與探測器靶面不重合，從而造成圖像質(zhì)量下降，嚴重時甚至不能成像。為提高機載紅外系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性，采用無熱化設(shè)計來消除或降低溫度對成像質(zhì)量的影響。熱效應(yīng)是影響紅外光學(xué)系統(tǒng)性能的重要因素，因此，研究如何在相當大的溫度范圍內(nèi)具有穩(wěn)定可靠的成像質(zhì)量，對提高紅外光電系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能具有重要意義。

目前，光學(xué)系統(tǒng)無熱化方法可大致分為3 種。①機械被動式。利用對溫度敏感的機械材料或記憶合金，使一個或一組透鏡產(chǎn)生軸向位移，用來補償因溫度變化而引起的像面位移。該方法不能校正因熱效應(yīng)導(dǎo)致的像差失衡，即使能補償最佳像面的位置移動，也很難維持原來的成像質(zhì)量。這種方法額外增加機械補償部件，使得系統(tǒng)的體積變大、質(zhì)量增加［9］。②電子主動式。利用溫度傳感器測出溫度的變化量，然后計算出因溫度變化而引起的像面位移，借助電機驅(qū)動透鏡來產(chǎn)生軸向位移，從而實現(xiàn)補償效果。該方法使用大量溫度傳感器，能處理系統(tǒng)溫度的梯度變化，并能準確求解出溫度與像面位移的關(guān)系，但不能維持原有的像差平衡，還會用到電源、電子線路、驅(qū)動電機等設(shè)備，導(dǎo)致系統(tǒng)的可靠性下降，且這些部件還會占用一定的空間。③光學(xué)被動式。利用光學(xué)材料的熱特性差異，通過不同特性材料的合理組合來消除溫度產(chǎn)生的影響，從而獲得無熱效果。該方法具有結(jié)構(gòu)相對簡單、尺寸小、質(zhì)量輕、無須供電、系統(tǒng)可靠性好等優(yōu)點，其綜合效率最高。

作為機載航電設(shè)備，光電系統(tǒng)的可靠性是衡量其性能的重要指標之一。光學(xué)被動式無熱化技術(shù)只需選擇恰當?shù)墓鈱W(xué)和結(jié)構(gòu)材料組合，合理分配焦距，使光學(xué)元件產(chǎn)生的離焦與機械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的離焦相互補償，從而使整個系統(tǒng)的熱離焦量在允許范圍內(nèi)，最終實現(xiàn)無熱化。

目前，國內(nèi)的紅外光電系統(tǒng)多采用電子主動式補償熱離焦，會使用大量溫度傳感器，導(dǎo)致可靠性降低、體積變大、質(zhì)量變重，不符合機載設(shè)備小型化、輕量化的發(fā)展要求。光學(xué)被動式無熱化技術(shù)是利用光學(xué)材料熱特性間的差異，通過不同特性材料的合理組合來消除溫度產(chǎn)生的影響，從而獲得無熱效果的。將該技術(shù)應(yīng)用于機載光電系統(tǒng)中，能大大提高人機功效和捕獲目標的能力，從而提高戰(zhàn)機的生存能力。因此，對紅外光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)被動無熱化技術(shù)的理論和方法進行研究，主要對紅外光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)被動無熱化設(shè)計和雙波段紅外光學(xué)系統(tǒng)的無熱化設(shè)計進行研究，從而為紅外系統(tǒng)的研制提供支撐。

2 光學(xué)布局方案分析

由于該系統(tǒng)的焦距為320 mm，且采用制冷型探測器，系統(tǒng)的孔徑光闌位于探測器內(nèi)部靠近像面，采取二次成像構(gòu)型，尺寸為300 mm（L）×260 mm（W）×200 mm（H）。由于系統(tǒng)空間小，對卡式光學(xué)系統(tǒng)、透射式光學(xué)被動無熱化、透射式機械被動無熱化這3種方案進行研究。

2.1 卡式光學(xué)系統(tǒng)

卡式光學(xué)系統(tǒng)布局如圖1 所示。系統(tǒng)的主鏡和次鏡均采用非球面，后端透鏡采用紅外IG4 玻璃、單晶鍺、硫化鋅、硒化鋅等材料進行無熱化設(shè)計，次鏡到像面的距離為180 mm。該方案具有體積小、裝調(diào)簡單等優(yōu)點，但卡式次鏡會遮攔20%的能量，使總體透過率降低，從而導(dǎo)致系統(tǒng)公差較差。

圖1 卡式光學(xué)系統(tǒng)布局

2.2 透射式光學(xué)被動無熱化

透射式光學(xué)被動無熱化系統(tǒng)是通過光學(xué)材料與結(jié)構(gòu)件的匹配來實現(xiàn)無熱化設(shè)計的，系統(tǒng)布局如圖2 所示。該系統(tǒng)共有8 片透鏡、2 片折轉(zhuǎn)鏡，系統(tǒng)主鏡組的材料為硫化鋅和單晶鍺，且系統(tǒng)空間尺寸可滿足系統(tǒng)要求，但系統(tǒng)的光學(xué)鏡片數(shù)量較多，透過率較低。

圖2 透射式光學(xué)被動無熱化系統(tǒng)布局

2.3 透射式機械被動無熱化

為實現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)在-40～60 ℃保持成像清晰的要求，對光學(xué)系統(tǒng)進行無熱化設(shè)計。無熱化包括3 個方面。①合理選擇透鏡的光學(xué)材料。合理分配各個透鏡光焦度的大小，利用CODEV 軟件進行優(yōu)化，在平衡像差的同時，消除由環(huán)境溫度變化引起的熱離焦。②合理選擇結(jié)構(gòu)材料。光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)化是在特定膨脹系數(shù)的結(jié)構(gòu)件下進行的，可對材料線膨脹系數(shù)進行匹配。③系統(tǒng)裝調(diào)的合理性。

上述3 種方案的對比見表1。通過對比分析可知，本研究選用透射式布局來實現(xiàn)雙波段系統(tǒng)無熱化設(shè)計。

表1 3種方案對比

3 雙波段無熱化光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

3.1 設(shè)計參數(shù)

中長波雙波段無熱化光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)見表2。

表2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)

3.2 設(shè)計方案

3.2.1 紅外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計方案。使用CODEV光學(xué)設(shè)計軟件來完成紅外系統(tǒng)的設(shè)計。系統(tǒng)采用的是二次成像系統(tǒng)透射式共光路結(jié)構(gòu)，焦距為320 mm、F數(shù)為2。紅外光學(xué)系統(tǒng)布局如圖3所示，紅外系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型如圖4所示。該系統(tǒng)共有6片透鏡，其中，硒化鋅1 片、硫化鋅2 片、鍺1 片、硫系玻璃IG4 2片。共有5個非球面分布在3片鍺透鏡上，其余為球面。6片透鏡構(gòu)成的鏡頭總長為480 mm。該系統(tǒng)的尺寸要求為300 mm（L）×260 mm（W）×200 mm（H）。

圖3 紅外光學(xué)系統(tǒng)布局

圖4 紅外系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

3.2.2 紅外光學(xué)系統(tǒng)無熱化設(shè)計。雙波段紅外光學(xué)系統(tǒng)為折射透鏡系統(tǒng)，溫度的變化會導(dǎo)致系統(tǒng)透鏡的折射率和透鏡間隔等發(fā)生變化，最終導(dǎo)致焦面位置發(fā)生變化。根據(jù)總體設(shè)計要求，鏡頭要在較寬溫度范圍內(nèi)（-55～70 ℃）能正常工作。因此，采用被動補償法進行消熱補償，通過調(diào)整鏡筒結(jié)構(gòu)使各片鏡片間的空氣間隔發(fā)生變化，從而降低透鏡折射率變化對焦面的影響。

鏡筒和補償層結(jié)構(gòu)示意如圖5 所示。鏡筒結(jié)構(gòu)和補償層活動環(huán)材料為6061 鋁合金（膨脹系數(shù)約2.2×10-51∕℃）、中間溫度補償層的材料為尼龍6（膨脹系數(shù)約為8.0×10-51∕℃），進行反向消熱驅(qū)動，通過與光學(xué)系統(tǒng)配合來共同實現(xiàn)消熱差。溫度為-55 ℃時，調(diào)焦量為0.246 8 mm；溫度為70 ℃時，調(diào)焦量為0.164 5 mm，計算得到尼龍與鋁鏡筒的重疊部分長度為91.3 mm。

圖5 鏡筒和補償層結(jié)構(gòu)示意

為確保補償時透鏡不發(fā)生偏心和傾斜，并保證其具有足夠的力學(xué)抗振動能力，補償層活動環(huán)兩端均套在相應(yīng)的孔內(nèi)，進行直線滑動導(dǎo)向。

3.3 仿真分析

當溫度為20 ℃、-55 ℃和70 ℃時，紅外兩個波段光學(xué)系統(tǒng)在21 lp∕mm 處的調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）見表3，中長波雙波段光學(xué)傳遞函數(shù)如圖6所示。

表3 中長波在各溫度下傳遞函數(shù)

圖6 中長波雙波段光學(xué)傳遞函數(shù)

中長波雙段光學(xué)傳遞函數(shù)在20 ℃時的所有視場均大于0.45、-55～+70 ℃內(nèi)的所有視場均大于0.4。

長、中波光學(xué)系統(tǒng)20 ℃、-55 ℃及70 ℃下的能量匯聚度如圖7所示。

圖7 長、中波光學(xué)系統(tǒng)20 ℃、-55 ℃及70 ℃下能量匯聚度

由圖7可知，常溫RMS彌散斑直徑在24μm內(nèi)，Φ24μm內(nèi)的能量匯聚度在63%以上。高低溫最大RMS 彌散斑直徑滿足一個像元尺寸要求，Φ24 μm內(nèi)能量匯聚度在58%以上。

4 結(jié)語

紅外雙波段共光路光學(xué)被動無熱化設(shè)計對材料的要求比單一波段的要更為嚴格，兩個波段的通透紅外材料只有鍺、硫化鋅、硒化鋅、硫系玻璃。在不同波段下，材料的折射率、色散系數(shù)存在較大差異，要使兩個波段的焦點在焦平面上重合，且在不同溫度下都要保持焦點聚焦在探測器焦平面上，設(shè)計難度較大。

在單一波段光學(xué)被動無熱化設(shè)計的基礎(chǔ)上，通過深入分析雙波段無熱化的設(shè)計理論和設(shè)計方法，為雙波段無熱化設(shè)計奠定基礎(chǔ)。本研究提出一種結(jié)合鏡筒結(jié)構(gòu)件熱膨脹系數(shù)存在的差異與合理設(shè)置光學(xué)參數(shù)，來共同實現(xiàn)消熱差的思路，為實現(xiàn)雙波段紅外光學(xué)系統(tǒng)的小型化、輕量化提供技術(shù)參考，可廣泛應(yīng)用于機載光電探測設(shè)備中，從而發(fā)揮識別偽裝、消除干擾等優(yōu)勢。