折衍混合系統(tǒng)在無熱化設計中的應用

林 青，王 坤，林 燦，魏 敏，劉 倩

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折衍混合系統(tǒng)在無熱化設計中的應用

林 青，王 坤，林 燦，魏 敏，劉 倩

（中國北方車輛研究所，北京 100081）

介紹了幾種常見的無熱化設計方法，并對衍射元件在無熱化設計中的應用進行了重點分析。針對衍射元件在光學被動式消熱差系統(tǒng)中的應用，設計了一種長波紅外折衍混合消熱差系統(tǒng)。設計的光學系統(tǒng)在－40℃～＋70℃范圍內(nèi)，實現(xiàn)了消熱差和消色差，像質較好，而且結構簡單、緊湊，實用性強。

紅外光學系統(tǒng)；無熱化；被動補償；衍射元件；折衍混合光學系統(tǒng)

0 引言

近年來，隨著科學技術的迅猛發(fā)展，紅外光學系統(tǒng)被越來越多的應用在各個領域，尤其是在軍事領域的應用更加廣泛。

通常設計的光學系統(tǒng)只考慮在常溫下的使用，并未對其他溫度時的光學性能做出分析。而現(xiàn)代惡劣的戰(zhàn)爭環(huán)境往往要求光學系統(tǒng)能夠在一個很寬的溫度范圍內(nèi)有穩(wěn)定的光學性能，典型的溫度變化范圍為－40℃～＋70℃。環(huán)境溫度的改變對可見光光學系統(tǒng)的影響很小，但是對紅外光學系統(tǒng)的影響卻十分嚴重。因為紅外光學系統(tǒng)所使用的光學材料有很高的熱膨脹系數(shù)，對溫度的改變非常敏感。隨著環(huán)境溫度的改變，紅外光學材料的折射率，光學元件的曲率半徑、厚度，機械元件結構等等都會發(fā)生很大的變化，將直接導致紅外光學系統(tǒng)的焦距改變、像面偏移、成像質量惡化等問題。因此，設計者在設計紅外光學系統(tǒng)時必須考慮到溫度變化對于系統(tǒng)像質的影響，對系統(tǒng)進行無熱化設計[1-2]。

目前常用的紅外光學系統(tǒng)的無熱化技術主要分為3大類[3-4]：機械被動式補償；機電主動式補償；光學被動式補償。其中，光學被動式補償系統(tǒng)因其具有結構簡單、可靠性高、光軸穩(wěn)定、無需供電等優(yōu)點，得到了越來越廣泛的應用。

在光學被動式補償設計中，傳統(tǒng)的折射系統(tǒng)實現(xiàn)無熱化設計非常困難。隨著衍射元件加工工藝的日益成熟，衍射光學元件獨特的溫度特性被廣泛應用到紅外光學系統(tǒng)的無熱化設計中。下面對衍射元件在無熱化設計中的應用進行分析。

1 折/衍混合紅外系統(tǒng)的熱特性分析

光學元件的光熱膨脹系數(shù)即單位溫度變化所引起的光焦度的相對變化，它是決定光學元件溫度特性的一個重要參數(shù)，具體表示為[4-5]：

式中：x為光學元件的光熱膨脹系數(shù)；￠為光學元件的焦距；d￠為光學元件焦距的改變值；為溫度；為光學元件的光焦度；d為光學元件光焦度的改變值。

折射元件的光熱膨脹系數(shù)為：

衍射元件的光熱膨脹系數(shù)為：

由公式(2)和(3)可以看出，折射元件的光熱膨脹系數(shù)主要由以下2方面因素決定：透鏡材料的熱膨脹系數(shù)、折射率溫度變化系數(shù)。而衍射元件的光熱膨脹系數(shù)只是由基底材料的熱膨脹系數(shù)決定，與材料的折射率無關，而且折射元件和衍射元件的光熱膨脹系數(shù)符號相反，這一特性非常有利于紅外系統(tǒng)熱差的校正，減小了紅外系統(tǒng)無熱化設計的難度。

此外，衍射光學元件的色散值總為負值，而折射元件的色散值總為正值，正負組合有利于實現(xiàn)系統(tǒng)的消色差。

因此，在折射光學系統(tǒng)中引入衍射面，形成含有衍射元件的折/衍混合光學系統(tǒng)（HOS），利用衍射光學元件負的色散系數(shù)和正的溫度特性，可以有效地突破傳統(tǒng)光學設計的局限性，設計出具有較好溫度穩(wěn)定性的高質量的紅外折/衍混合光學系統(tǒng)。

在折衍混合光學系統(tǒng)的消熱差設計中經(jīng)常用到歸一化熱差系數(shù)和歸一化色差系數(shù)。對幾種常用的長波紅外材料的折衍、值進行歸納總結列于表1中[6]。

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)做出其相應的折衍-圖，如圖1所示，同一種光學材料構成的折射元件和衍射元件可以當成兩種不同的材料來使用。

圖1 長波紅外材料的折衍T-C圖

2 系統(tǒng)設計

下面根據(jù)折衍混合系統(tǒng)的消熱差原理設計一款用于長波紅外（LWIR）的光學被動式消熱差物鏡。系統(tǒng)的技術指標見表2。

對于光學被動式消熱差系統(tǒng)，在設計時必須同時滿足光焦度、校正色差和消熱差的要求，即必須滿足以下3個公式[7]：

表1 長波紅外材料的折衍T、C值

表2 LWIR消熱差物鏡技術指標

式中：Db代表不同波長系統(tǒng)后焦距的變化值；m為機械結構的熱膨脹系數(shù)。

由上述公式可知，要使得光學系統(tǒng)消熱差，就必須要使得光學系統(tǒng)產(chǎn)生的離焦量同外部機械結構產(chǎn)生的離焦量相互補償，從而使得整個系統(tǒng)不產(chǎn)生離焦，實現(xiàn)清晰成像。

由-圖可以看出，Ge、Ge衍射面、硫系玻璃構成的三角形面積較大，有利于紅外系統(tǒng)的消熱差。所以本系統(tǒng)選用Ge、GaSIR2材料的折衍組合，實現(xiàn)紅外系統(tǒng)無熱化設計。

通過計算初始結構，再利用ZEMAX軟件進行優(yōu)化，得到光學系統(tǒng)的結構如圖2所示。整個系統(tǒng)的尺寸為44mm(D)×100mm(L)。

圖2 光學系統(tǒng)結構圖

整個系統(tǒng)由3片單透鏡組成，分別為Ge、GaSIR2、Ge，光闌位于第一面上。其中GaSIR2透鏡的第一面為二次曲面，二次曲面系數(shù)為－0.28。第一片Ge透鏡的第二面為衍射面，衍射面采用的徑向對稱的位相分布，衍射面設計的最小半徑間隔為0.79mm。其相位圖如圖3所示，從相位圖可知，每毫米的最大加工周期為1.3，現(xiàn)在的加工工藝完全可以實現(xiàn)。

圖3 衍射面相位圖

折衍混合消熱差物鏡在常溫下的性能評價函數(shù)如圖4所示。圖4(a)為在特征頻率29.5lp/mm時的MTF值，整個視場的MTF＞0.5。圖4(b)為系統(tǒng)的點列圖。點列圖中各視場的RMS均小于17mm。系統(tǒng)像質滿足技術指標和應用要求。

按照光學系統(tǒng)像差的瑞利判據(jù)，熱差引起的系統(tǒng)最大波像差應該小于1/4波長，即系統(tǒng)允許的最大殘余熱差Dr應與系統(tǒng)焦深相同：

Dr≤±2F2(7)

式中：為入射波長；為系統(tǒng)的F數(shù)。

分析折衍混合消熱差物鏡在各溫度下的后截距，具體數(shù)據(jù)如表3所示。數(shù)據(jù)證明，該系統(tǒng)在－40℃～＋70℃范圍內(nèi)引起的最大離焦量為2mm，小于系統(tǒng)的焦深±20mm，即已完全實現(xiàn)了消熱差，可以實現(xiàn)寬溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定、清晰的成像。

表3 紅外系統(tǒng)熱分析數(shù)據(jù)

3 結論

本文設計的折衍混合消熱差系統(tǒng)在－40℃～＋70℃范圍內(nèi)實現(xiàn)了消熱差，可以在極寒、極熱的嚴酷工作環(huán)境中使用。而且整個系統(tǒng)所使用的透鏡數(shù)量僅為3片，透鏡材料為2種。與折射式光學被動式消熱差系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)所使用的透鏡數(shù)量少，材料種類少，整個系統(tǒng)重量輕、結構簡單、成像質量好。隨著對紅外系統(tǒng)使用要求的不斷提高和衍射元件加工工藝的不斷進步，折衍混合系統(tǒng)在紅外無熱化系統(tǒng)中的應用將會越來越廣泛。

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Hybrid Refractive/Diffractive Optics￠Application in the Athermalization

LIN Qing，WANG Kun，LIN Can，WEI Min，LIU Qian

（，100081，）

This paper introduces several athermalization design methods, and the application of diffractive elements in athermalization is the focus of the analysis. For the application of diffractive elements in the optical passive athermalization, the paper designs an athermalized infrared system in long-wave with refractive and diffractive elements. The optical system realizes athermalization and achromatism, which can work stably at the temperature range from－40℃ to＋70℃. The image quality of the system is better, and the structure is simple, compact and practical.

infrared optical system，athermalization，passive optical athermalization，diffractive element，hybrid refractive/diffractive optics

TN216

A

1001-8891(2015)06-0502-04

2014-12-17；

2015-3-12.

林青（1987-），女，碩士研究生，工程師，主要研究方向為紅外光學技術研究。

國家自然科學基金項目資助課題，編號：61305018；國家自然科學基金項目資助課題，編號：70971052。