大相對(duì)孔徑緊湊型非制冷光學(xué)系統(tǒng)消熱設(shè)計(jì)

安曉強(qiáng),王 茜,宋 波

(西南技術(shù)物理研究所,四川 成都 610041)

·紅外技術(shù)及應(yīng)用·

大相對(duì)孔徑緊湊型非制冷光學(xué)系統(tǒng)消熱設(shè)計(jì)

安曉強(qiáng),王 茜,宋 波

(西南技術(shù)物理研究所,四川 成都 610041)

對(duì)常用光學(xué)被動(dòng)消熱技術(shù)措施進(jìn)行了歸納總結(jié)。針對(duì)長(zhǎng)波非制冷光學(xué)系統(tǒng)大相對(duì)孔徑、高透過率、小型化和良好環(huán)境適應(yīng)性等特點(diǎn),基于640×512大面陣非制冷探測(cè)器的應(yīng)用,利用CODE V光學(xué)設(shè)計(jì)軟件,設(shè)計(jì)了一個(gè)焦距f=70 mm,視場(chǎng)角為10.44°×8.36°,F數(shù)為0.85,總長(zhǎng)為85 mm的三片式光學(xué)系統(tǒng)。在-50～70 ℃溫度范圍內(nèi),所有視場(chǎng)的MTF值在25 lp/mm處均大于0.61,光學(xué)畸變小于0.5%,光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量良好。公差分析結(jié)果表明光學(xué)零件加工和光機(jī)裝配工藝成熟穩(wěn)定,光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有良好的工程可研制性。

大相對(duì)孔徑；長(zhǎng)波非制冷；被動(dòng)消熱；光學(xué)設(shè)計(jì)

1 引 言

近年來,隨著非制冷紅外探測(cè)器技術(shù)的快速發(fā)展和探測(cè)器性能的不斷提升[1],使得非制冷紅外被動(dòng)探測(cè)和成像成為可能,并逐漸在民用及其他領(lǐng)域取得越來越廣泛的應(yīng)用。雖然非制冷探測(cè)器性能不斷提升,但是其探測(cè)靈敏度仍與制冷紅外探測(cè)器相比存在一定的差距,為了進(jìn)一步改善和提高非制冷紅外成像系統(tǒng)的性能,對(duì)非制冷紅外光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求,具體而言,要求光學(xué)系統(tǒng)具有較大的相對(duì)孔徑(小F數(shù)),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊,具有較高的光譜透射率,同時(shí)要有良好的環(huán)境適應(yīng)性,以滿足不同環(huán)境的使用要求。在此應(yīng)用背景下,本文以大相對(duì)孔徑緊湊型紅外光學(xué)系統(tǒng)為研究對(duì)象,首先歸納總結(jié)了光學(xué)被動(dòng)消熱設(shè)計(jì)的基本技術(shù)措施。結(jié)合非制冷紅外光學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn),通過具體的設(shè)計(jì)實(shí)例詳細(xì)闡述了光學(xué)被動(dòng)消熱設(shè)計(jì)的基本思想和具體方法,設(shè)計(jì)結(jié)果表明：光學(xué)系統(tǒng)具有良好的光學(xué)性能、環(huán)境適應(yīng)性和工程可研制性。

2 光學(xué)被動(dòng)消熱技術(shù)措施

消熱設(shè)計(jì)的目標(biāo)是減小環(huán)境溫度變化的影響,保證光學(xué)系統(tǒng)在全工作溫度范圍內(nèi)具有良好的成像質(zhì)量?？刹扇∫韵录夹g(shù)措施[2-6]來實(shí)現(xiàn)光學(xué)被動(dòng)消熱設(shè)計(jì)。

1)光學(xué)材料組合設(shè)計(jì)

光學(xué)材料組合設(shè)計(jì)是解決光學(xué)系統(tǒng)被動(dòng)消熱設(shè)計(jì)的主要途徑,直接決定消熱設(shè)計(jì)能否實(shí)現(xiàn)。光學(xué)材料光熱特性用熱差系數(shù)來表征。熱差系數(shù)定義為單位溫度變化時(shí),對(duì)指定光學(xué)材料,單位焦距透鏡的焦距變化量。熱差系數(shù)可按公式(1)計(jì)算：

(1)

式中，km為光學(xué)材料熱差系數(shù),單位為每攝氏度分之一(1/℃)；Δf′ 為焦距變化量,單位為毫米(mm)；f′為焦距,單位為毫米(mm)；ΔT為工作溫度變化量,單位為攝氏度(℃)；αm為光學(xué)材料線膨脹系數(shù),單位為每攝氏度分之一(1/℃)；dn/dt為光學(xué)材料折射率溫度系數(shù),單位為每攝氏度分之一(1/℃)；n為光學(xué)材料折射率,量綱一。

由公式(1)可知,常用紅外光學(xué)材料的熱差系數(shù)一般為負(fù)值,表現(xiàn)為負(fù)光熱特性,極少數(shù)紅外光學(xué)材料的熱差系數(shù)為正值,表現(xiàn)為正光熱特性。原則上選擇光熱特性相反的材料最易實(shí)現(xiàn)消熱設(shè)計(jì),但是,由于少數(shù)正光熱特性的材料機(jī)械和理化性能較差,光學(xué)冷加工和鍍膜性能很不穩(wěn)定,一般很少使用。因此,光學(xué)材料組合設(shè)計(jì)的最佳方法是熱差系數(shù)較大的材料和熱差系數(shù)較小的材料進(jìn)行組合設(shè)計(jì)。

2)正負(fù)透鏡組合設(shè)計(jì)

由于常用紅外光學(xué)材料一般都表現(xiàn)為負(fù)光熱特性,隨著環(huán)境溫度升高,對(duì)正透鏡而言,焦距變化量為負(fù)值,對(duì)負(fù)透鏡而言,焦距變化量為正值。因此,通過正負(fù)透鏡組合和光焦度合理分配可以更有效地實(shí)現(xiàn)消熱設(shè)計(jì)。

3)折/衍射面組合設(shè)計(jì)

衍射光學(xué)元件的光熱特性只與材料的膨脹系數(shù)有關(guān),與材料的折射率溫度系數(shù)無關(guān),其熱差系數(shù)等于材料膨脹系數(shù)的兩倍[7-8]。與傳統(tǒng)折射光學(xué)元件相比,衍射光學(xué)元件表現(xiàn)為正光熱特性,因此,通過折/衍射面組合應(yīng)用有利于光學(xué)系統(tǒng)的消熱設(shè)計(jì)。在紅外光學(xué)材料中,鍺材料具有最大的熱差系數(shù),對(duì)熱差(熱離焦和熱色散)的貢獻(xiàn)最大,在光學(xué)被動(dòng)消熱設(shè)計(jì)中,衍射面應(yīng)用在鍺材料上,一方面可減小和補(bǔ)償其熱差,另一方面鍺材料上的衍射面加工工藝也比較成熟。

4)結(jié)構(gòu)材料選擇

常用的結(jié)構(gòu)材料主要有鋁合金、鈦合金、不銹鋼和鎂鋁合金。一般而言,光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料應(yīng)優(yōu)先選擇加工性能好、性價(jià)比高的鋁合金,除非消熱設(shè)計(jì)需要,才選擇鈦合金和不銹鋼。

3 設(shè)計(jì)實(shí)例及分析

3.1 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

本設(shè)計(jì)實(shí)例選用目前靶面尺寸最大、分辨率最高的非制冷氧化釩器件作為光學(xué)系統(tǒng)的成像接收器,探測(cè)器靶面尺寸為12.8 mm×10.24 mm,對(duì)角線尺寸為16.39 mm。具體光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)如下：

1)焦距：70 mm；

2)F數(shù)：0.85；

3)視場(chǎng)：10.44°×8.36°；

4)中心波長(zhǎng)：10 μm；

5)消色差范圍：8～12 μm；

6)畸變：<0.5%；

7)焦長(zhǎng)比：0.824；

8)探測(cè)器像元數(shù)：640×512；

9)像元大小：20 μm；

10)消熱差溫度范圍：-50～70℃；

11)特征頻率：25 lp/mm。

3.2 設(shè)計(jì)思路

3.2.1 總體設(shè)計(jì)

光學(xué)系統(tǒng)采用透射式結(jié)構(gòu)形式,由三片透鏡組成,最大口徑φ82.65 mm,后工作距離10.92 mm,總長(zhǎng)度為85 mm,焦長(zhǎng)比為0.824?？讖焦怅@位于第一透鏡的第二面,光學(xué)系統(tǒng)F數(shù)為0.85。由于相對(duì)孔徑和視場(chǎng)較大,長(zhǎng)度較短,使得光學(xué)系統(tǒng)存在較大的單色孔徑像差,為此在設(shè)計(jì)過程中通過使用非球面來解決,非球面用在三片透鏡的前表面。圖1為光學(xué)系統(tǒng)的二維平面圖。

圖1 光學(xué)系統(tǒng)二維平面圖

3.2.2 光學(xué)被動(dòng)消熱設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)實(shí)例中,光學(xué)被動(dòng)消熱設(shè)計(jì)要保證光學(xué)系統(tǒng)在-50～70 ℃的溫度范圍內(nèi)具有良好的成像質(zhì)量。根據(jù)第二部分的分析,采取以下具體技術(shù)措施來實(shí)現(xiàn)本光學(xué)系統(tǒng)的被動(dòng)消熱設(shè)計(jì)。

1)光學(xué)材料選擇

在本設(shè)計(jì)中,光學(xué)材料選擇硫系玻璃(IG6)、鍺(Ge)和硒化鋅(ZnSe)三種材料。表1給出三種光學(xué)材料的光熱特性參數(shù)。由表1可知,Ge材料的熱差系數(shù)絕對(duì)值最大,IG6材料的熱差系數(shù)絕對(duì)值最小,通過Ge和IG6兩種材料組合設(shè)計(jì)大大減小了光學(xué)系統(tǒng)的熱差,ZnSe材料的熱差系數(shù)絕對(duì)值居中,用來補(bǔ)償Ge和IG6組合設(shè)計(jì)的剩余熱差。

表1 紅外光學(xué)材料的光熱特性參數(shù)

2)正負(fù)透鏡有效組合

在本設(shè)計(jì)中,選擇硫系玻璃IG6作為正透鏡,Ge材料作為負(fù)透鏡,ZnSe材料作為正透鏡。表2給出光學(xué)系統(tǒng)中光學(xué)零件光焦度的具體分配。由表2知,透鏡1承擔(dān)光學(xué)系統(tǒng)主要光焦度,選擇熱差系數(shù)最小的IG6材料大大減小了光學(xué)系統(tǒng)的熱差。透鏡2和透鏡3的組合光焦度較小,通過正、負(fù)透鏡組合設(shè)計(jì)來補(bǔ)償透鏡1的剩余熱差。

表2 光學(xué)零件光焦度的具體分配

3)衍射面應(yīng)用

在本設(shè)計(jì)中,透鏡2的前表面使用了衍射面,進(jìn)一步減小和補(bǔ)償透鏡2的熱差。

4)結(jié)構(gòu)材料

在本設(shè)計(jì)中,結(jié)構(gòu)材料選用機(jī)械加工性能和性價(jià)比好的鋁合金,膨脹系數(shù)為23.6×10-6℃-1。

3.3 設(shè)計(jì)結(jié)果及分析

在光學(xué)設(shè)計(jì)軟件CODE V上對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了仿真分析,圖2～圖4分別給出常溫、低溫和高溫環(huán)境下光學(xué)系統(tǒng)的MTF曲線。由圖2、圖3和圖4可知,在特征頻率25 lp/mm處,常溫20 ℃時(shí),全視場(chǎng)MTF值大于0.638；低溫-50 ℃時(shí),全視場(chǎng)MTF值大于0.615；高溫70 ℃時(shí),全視場(chǎng)MTF值大于0.616。與常溫相比,高低溫下MTF值稍有下降,下降量為0.023。MTF仿真分析結(jié)果表明：在-50～70 ℃的溫度范圍內(nèi)光學(xué)具有良好的成像質(zhì)量,光學(xué)被動(dòng)消熱設(shè)計(jì)取得很好的效果。

圖2 20 ℃時(shí)的MTF曲線

圖3 -50 ℃時(shí)的MTF曲線

圖4 70 ℃時(shí)的MTF曲線

圖5給出光學(xué)系統(tǒng)的畸變曲線,由圖5可以看出光學(xué)系統(tǒng)的畸變很小,根據(jù)仿真分析結(jié)果,邊緣視場(chǎng)的最大畸變?yōu)?.46%。

圖5 畸變曲線

不同視場(chǎng)、不同環(huán)境溫度對(duì)公差有不同的要求。在CODE V軟件上對(duì)全溫度范圍的公差進(jìn)行了分析,其中,對(duì)稱公差是通過像面位置的調(diào)整進(jìn)行補(bǔ)償。公差分析結(jié)果表明：對(duì)光學(xué)零件的冷加工公差而言,半徑公差、面形公差(光圈和局部光圈)較為寬松,最嚴(yán)格的厚度公差為0.02 mm,最嚴(yán)格的偏心誤差為0.005 mm,目前的光學(xué)加工水平和精度完全可以達(dá)到。就光學(xué)零件的冷加工工藝而言,Ge和ZnSe材料上非球面的加工工藝很成熟,口徑小于φ100 mm硫系玻璃上非球面的加工工藝也比較成熟,同時(shí)Ge材料上衍射面的加工工藝也很成熟。對(duì)光機(jī)裝配公差而言,最嚴(yán)格的空氣間隔誤差為0.02 mm,傾斜誤差為1′,同軸度誤差為0.01 mm。目前常用的光機(jī)裝配方法有兩種：定心配車法和光學(xué)定中心軟裝配法,這兩種光機(jī)裝配方法都可滿足本光學(xué)系統(tǒng)的光機(jī)裝配誤差要求。綜上分析,光學(xué)系統(tǒng)加工和裝配工藝成熟、穩(wěn)定,具有良好的工程可研制性。

4 結(jié) 論

結(jié)合非制冷紅外光學(xué)系統(tǒng)特點(diǎn),以大相對(duì)孔徑緊湊型長(zhǎng)波非制冷光學(xué)系統(tǒng)被動(dòng)消熱設(shè)計(jì)為研究目標(biāo),歸納總結(jié)了光學(xué)被動(dòng)消熱設(shè)計(jì)的四種基本技術(shù)措施。通過一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例,從光學(xué)材料選擇、正負(fù)透鏡組合設(shè)計(jì)、衍射面應(yīng)用和結(jié)構(gòu)材料選擇等方面進(jìn)行光學(xué)被動(dòng)消熱設(shè)計(jì)綜合考慮,成功實(shí)現(xiàn)了-50～70 ℃寬溫度范圍內(nèi)具有良好成像質(zhì)量和工程研制性能成熟穩(wěn)定的光學(xué)系統(tǒng)。本文的研究成果可為類似光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一定的幫助和參考價(jià)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

安曉強(qiáng)(1971-)，男，研究員，研究方向?yàn)楣怆姵上裣到y(tǒng)總體技術(shù)，光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及性能評(píng)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