大相對孔徑非制冷紅外光學(xué)系統(tǒng)無熱化設(shè)計

林琳等

摘要： 針對當(dāng)前軍工紅外成像儀器小型化及寬溫度適應(yīng)性的需要，采用光學(xué)被動式無熱化方法對8～12 μm波段設(shè)計了一款鏡頭。該鏡頭F數(shù)為1、焦距為40 mm、視場為16.8°、溫度適應(yīng)范圍為-40～65 ℃。設(shè)計結(jié)果顯示，在要求的溫度范圍內(nèi)，系統(tǒng)無需調(diào)焦，像質(zhì)接近衍射極限，達到無熱化的性能要求。

關(guān)鍵詞： 紅外光學(xué)系統(tǒng)； 無熱化； 大相對孔徑

中圖分類號： TN202 文獻標志碼： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2015.04.008

Abstract： To meet the needs of the current military infrared imaging instrument， we designed a lens for 8～12 μm wave band with uncooled optical passive method. The specific parameter，F(xiàn) is 1， focus is 40 mm， field of view is 16.8°. The design results are achieved within the scope of the -40～65 ℃， as close to the diffraction limitation. The system does not need focus. The athermalization performance is good.

Keywords： the infrared optical system； athermalization； large relative aperture

引 言

隨著紅外成像技術(shù)的發(fā)展，對于紅外成像系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境中的適應(yīng)性提出了越來越高的要求。針對特殊環(huán)境應(yīng)用的紅外成像系統(tǒng)，需要系統(tǒng)在大的溫度變化范圍內(nèi)成像穩(wěn)定，因此需要系統(tǒng)在設(shè)計時采取無熱化技術(shù)[1]。

溫度變化對紅外光學(xué)系統(tǒng)的影響主要表現(xiàn)在三個方面：第一，溫度發(fā)生變化會引起紅外材料的折射率發(fā)生變化，導(dǎo)致通過光學(xué)系統(tǒng)的光程發(fā)生改變，降低光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量；第二，溫度變化會引起紅外材料光學(xué)元件的厚度、空氣間隔以及折射面的面形發(fā)生改變，也會降低光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量；第三，溫度的變化會引起光學(xué)系統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)件材料的收縮，進而造成光學(xué)元件之間間隔的變化[2]。

在設(shè)計紅外成像系統(tǒng)的過程中，通過使用一定的設(shè)計方法來補償溫度變化對系統(tǒng)成像質(zhì)量的影響，這樣的設(shè)計方法稱為無熱化技術(shù)。目前無熱化技術(shù)主要包括機械被動式無熱化技術(shù)、機電主動式無熱化技術(shù)、光學(xué)被動式無熱化技術(shù)、光學(xué)被動式和機電式相結(jié)合技術(shù)等，其中，光學(xué)被動式無熱化技術(shù)可以適應(yīng)和實現(xiàn)目前軍工級別紅外系統(tǒng)對于小型化、輕量化和溫差大的要求，因此被廣泛采用 [3]。

本文針對當(dāng)前軍工紅外成像儀器小型化的需要，使用640×480像元的非制冷型探測器，在-40～65 ℃的溫度范圍內(nèi)利用光學(xué)被動式無熱化方法，對8～12 μm波段設(shè)計了一款F數(shù)為1、焦距為40 mm、視場為16.8°的鏡頭。

1 光學(xué)被動式無熱化設(shè)計原理

光學(xué)被動式無熱化的基本原理是利用不同材料具有不同熱效應(yīng)的特點，在光學(xué)系統(tǒng)中將具有不同熱特性的光學(xué)材料進行合理組合，以便使溫度對焦距、像面位置和像質(zhì)的影響減到最小，達到熱補償?shù)哪康腫4]。例如，將折射率溫度系數(shù)變化大的材料的焦距設(shè)為較小的正值，折射率溫度系數(shù)小的材料的焦距設(shè)為較大的負值，同時保證想要的組合光焦度，將這樣的光學(xué)材料組合使用，通過合理分配光焦度就可以減小系統(tǒng)的熱焦移，使其移動的范圍在焦深之內(nèi)，或者完全補償[5]。這種無熱化原理其實與校正色差的原理是相似的，而它們的區(qū)別僅在于熱補償?shù)氖怯蓽囟茸兓瘜?dǎo)致材料折射率變化從而使系統(tǒng)產(chǎn)生像差，而色差是由不同波長成像位置不同而產(chǎn)生的像差。

熱穩(wěn)定光學(xué)系統(tǒng)需滿足方程

光學(xué)被動式無熱化不需要移動任何組件，也不用電子元件，是一種很好的熱補償方法。這種技術(shù)可以實現(xiàn)在任何溫度下都不會離焦，可在溫度大幅度變化的環(huán)境下使用，同時能保證系統(tǒng)的可靠性。綜合考慮透鏡材料的熱常數(shù)和鏡筒材料熱膨脹系數(shù)對系統(tǒng)的影響，使得它們產(chǎn)生的像面移動保持一致，這樣既能很好達到消熱差的效果，也能使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。由于各種材料的熱膨脹系數(shù)和溫度系數(shù)不同，所以需要進行材料組合的選擇。本光學(xué)系統(tǒng)由4種材料組成：鍺、硒化鋅、硫化鋅和AMTIR-1（鍺砷硒玻璃），鏡筒材料選擇鋁，鋁的熱性能參數(shù)為213.6×10-6 ℃-1 。不同材料的性能如下：

（1） 鍺是最常用的紅外材料，它的化學(xué)性能穩(wěn)定。鍺單晶的直徑可以達到250 mm，鍺的光學(xué)特性是，用于長波時，鍺的色散較小，用在雙膠合透鏡中作為正透鏡使用。鍺在長波波段使用時，折射率大于4.0，因此可以設(shè)計成較大的曲率半徑以利于矯正像差。溫度對于鍺的折射率影響較大，所以使用鍺作為透鏡材料，在溫差變化大的環(huán)境中，就需要有溫度補償系統(tǒng)。鍺的物理性質(zhì)是很脆、易碎，在加工、鍍膜和裝調(diào)過程中需謹慎處理。

（2） 硒化鋅比硫化鋅折射率高，廣泛用于高功率二氧化碳激光器，由于材質(zhì)較軟，所以在使用時要鍍高強度的增透膜，以提高硬度和透過率。

（3） 硫化鋅在光照的條件下會變?yōu)槲ⅫS色，一般使用氣相沉積的方法加工，在紅外波段很常用。

（4） 在鍺、砷、硒按不同比例熔煉得到的材料中，有一種稱為AMTIR-1，這種材料透過率很好，溫度系數(shù)為鍺的四分之一，一般用于熱離焦方面。

常用紅外材料的光學(xué)特性見表1，表中折射率對應(yīng)的光波長為10 μm。

消熱差設(shè)計過程包括以下幾個步驟：

（1） 計算出最高預(yù)計溫度和最低溫度時空氣的折射率（即工作環(huán)境下的空氣折射率）；

（2） 把與空氣有關(guān)的折射率目錄資料中的值轉(zhuǎn)換為絕對值，即將它們乘以不用溫度下空氣的折射率；

（3） 使用廠家提供的dndt值，計算玻璃在極端溫度條件下的絕對折射率；

（4） 應(yīng)用已知的光學(xué)材料的熱膨脹系數(shù)，計算極端溫度條件下的表面半徑（不同氣壓不同溫度下）；

（5） 使用已知光學(xué)材料和機械材料的熱膨脹系數(shù)，計算出極端溫度條件下的空氣間隔和零件厚度；

（6） 評價系統(tǒng)在極端溫度條件下，調(diào)整到像質(zhì)最佳位置處的性能；

（7） 為了在極端溫度時可以調(diào)整選定的零件間隔，即將圖像恢復(fù)到正確的位置，要進行必要的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計；

（8） 在極端溫度狀態(tài)下，對補償后系統(tǒng)的性能進行評估。

以上幾個步驟有利了解系統(tǒng)性能在不同條件下的最佳效果[6]。

2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

2.1 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計指標

本系統(tǒng)采用640×480像元的面陣探測器，像元尺寸為25 μm ×25 μm，根據(jù)整機需求，使用480×480像元的內(nèi)切圓作為像面，其余像元用于電子學(xué)非均勻性校正。經(jīng)過計算，光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)如表2所示。

2.2 設(shè)計結(jié)果

對于紅外光學(xué)材料的加工，除自由曲面和衍射面外其他面型的加工技術(shù)均已經(jīng)成熟。因此在設(shè)計時，系統(tǒng)第1、3、5面采用高次非球面，通過引入高次非球面使系統(tǒng)的鏡片數(shù)量減少到5片，系統(tǒng)的總長為58.4 mm，后工作距為11.7 mm，總質(zhì)量87 g，實現(xiàn)了系統(tǒng)的小型化、輕量化要求。光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)果圖如1所示。

2.3 像質(zhì)評價

系統(tǒng)的MTF曲線如圖2～4所示，從上到下依次為12 ℃、低溫-40 ℃和高溫65 ℃的MTF曲線圖。由圖可以看出，系統(tǒng)在各個溫度下的光學(xué)傳遞函數(shù)，在20 lp/mm處值分別為0.688、0.624、0.581，接近衍射極限。根據(jù)軍工長波紅外系統(tǒng)的應(yīng)用經(jīng)驗，系統(tǒng)加工完成后的光學(xué)傳遞函數(shù)值在0.3以上均可使用，因此本系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)果滿足使用要求。系統(tǒng)的點列圖如圖5～7所示，從上到下依次為12 ℃、低溫-40 ℃和高溫65 ℃的點列圖。

由圖5～7不同溫度下的點列圖可以看出，系統(tǒng)在各個溫度下所有視場80%的能量都集中在半徑為14.3 μm的圓內(nèi)。根據(jù)所選探測器像元大小25 μm×25 μm、外接圓半徑17.7 μm，80%能量集中的范圍略大于像元尺寸的內(nèi)接圓、小于像元尺寸的外接圓。由此可見，本光學(xué)系統(tǒng)在-40～65 ℃之間滿足成像系統(tǒng)對像質(zhì)的要求，實現(xiàn)了無熱化設(shè)計。

考慮工程使用需要，需要對系統(tǒng)進行公差分析，由于系統(tǒng)在-40°～65°實現(xiàn)了無熱化，因此針對12°設(shè)計結(jié)果進行公差分析即可。公差分析考慮目前國內(nèi)的加工能力，公差設(shè)定如下：球面的光圈數(shù)設(shè)定為3，局部光圈設(shè)定為0.5，面傾角設(shè)定為50″，面偏心設(shè)定為0.01 mm，非球面的面型精度PV<0.3λ，厚度公差設(shè)定為0.02 mm，零件裝配誤差的傾角設(shè)定為1′，偏心設(shè)定為0.01 mm。按照國內(nèi)目前的裝調(diào)水平，選擇能夠裝調(diào)成功，且成品率較高情況下的結(jié)果作為評判標準，公差分析后的MTF曲線如圖8所示。

從結(jié)果分析看，各個視場在公差分析后的MTF值最小為0.492，仍大于軍工長波紅外系統(tǒng)MTF的應(yīng)用經(jīng)驗值0.3以上，因此本系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)果符合實際要求，可以應(yīng)用在軍工項目上。

3 結(jié)論

本文基于光學(xué)被動式無熱化理論，設(shè)計了非制冷型長波紅外大相對孔徑的光學(xué)系統(tǒng)。設(shè)計結(jié)果表明在，-40～65 ℃工作溫度范圍內(nèi)系統(tǒng)滿足消熱差的要求。而且光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，滿足我國當(dāng)前軍工紅外儀器小型化、輕量化的要求。

參考文獻：

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[6] MANN A .Design and analysis of a compact wide-field unobscured zoom mirror system[J].SPIE，1997，3129：97-107.

（編輯：劉鐵英）