長(zhǎng)波紅外光學(xué)系統(tǒng)混合被動(dòng)無(wú)熱化設(shè)計(jì)

周曉斌，張 衡，文江華，吳 妍，劉召慶，張向明，金明鑫

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065）

0 引言

隨著長(zhǎng)波紅外探測(cè)器技術(shù)的成熟，無(wú)論民品還是軍品市場(chǎng)對(duì)于長(zhǎng)波紅外鏡頭的需求日益增長(zhǎng)，尤其在車(chē)載無(wú)熱化鏡頭，導(dǎo)引頭用紅外鏡頭等領(lǐng)域，而這些產(chǎn)品對(duì)鏡頭的成像質(zhì)量、環(huán)境適應(yīng)性、成本均有比較苛刻的要求。

比利時(shí)的Schuster N 分別利用機(jī)械被動(dòng)式、光學(xué)被動(dòng)式和光學(xué)機(jī)械混合被動(dòng)無(wú)熱化方式，實(shí)現(xiàn)兩片透鏡系統(tǒng)－40℃～80℃的無(wú)熱化設(shè)計(jì)，其焦距50 mm，F(xiàn)/1.3，波段8～13 μm。通過(guò)對(duì)比，他們證實(shí)利用光學(xué)機(jī)械混合被動(dòng)無(wú)熱化，可有效降低紅外鏡頭無(wú)熱化的成本[1]。

國(guó)內(nèi)對(duì)于無(wú)熱化鏡頭的研究主要集中在折衍混合消熱差和硫系玻璃的運(yùn)用上[2-4]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的關(guān)英姿等人對(duì)比了光學(xué)被動(dòng)無(wú)熱化和機(jī)械被動(dòng)無(wú)熱化的特點(diǎn)，指出無(wú)熱化方案的選取應(yīng)綜合考慮性能、尺寸、重量、成本等方面的要求[5]。華北光電技術(shù)研究所楊加強(qiáng)等人，實(shí)現(xiàn)焦距25 mm，F(xiàn)/1 的三片式無(wú)熱化鏡頭設(shè)計(jì)加工[6]。鏡筒材料選用鋁，光學(xué)系統(tǒng)采用折衍混合的光學(xué)被動(dòng)無(wú)熱化方法，包含4 個(gè)非球面和1 個(gè)衍射面，總長(zhǎng)32 mm。

所謂混合無(wú)熱化即采用兩種或兩種以上的無(wú)熱化方式，例如王學(xué)新等人研究了光學(xué)被動(dòng)式和機(jī)電式組合消熱差方法[7]?；旌蠠o(wú)熱化的主要目的是克服單一無(wú)熱化方式實(shí)現(xiàn)困難或需要較高投入的問(wèn)題，以實(shí)現(xiàn)低成本、高性能的無(wú)熱化效果。

1 設(shè)計(jì)要求及思路

某導(dǎo)引頭用長(zhǎng)波紅外無(wú)熱化鏡頭的設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示。其焦距要求較長(zhǎng)，且探測(cè)器像元尺寸較小，需要光學(xué)鏡頭提供足夠的能量，確定其F 數(shù)為1。為滿(mǎn)足彈載使用環(huán)境，要求體積重量盡可能小，且滿(mǎn)足－40℃～60℃被動(dòng)無(wú)熱化。

表1 設(shè)計(jì)指標(biāo)要求Table 1 Requirements of design parameters

被動(dòng)無(wú)熱化分為光學(xué)被動(dòng)式和機(jī)械被動(dòng)式。光學(xué)被動(dòng)式是選用不同的光學(xué)和結(jié)構(gòu)材料，通過(guò)合理分配光焦度，加入衍射元件等方式實(shí)現(xiàn)消熱差。機(jī)械被動(dòng)式通常是利用不同膨脹系數(shù)的結(jié)構(gòu)材料，在不同溫度下通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)鏡頭整體或部分透鏡軸向運(yùn)動(dòng)以補(bǔ)償熱離焦。光學(xué)被動(dòng)式需要較為復(fù)雜的光學(xué)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)難度大，限制因素多，但是其無(wú)熱化效果較好。機(jī)械被動(dòng)式成本較低，但是要利用多層鏡筒結(jié)構(gòu)，體積重量偏大，無(wú)熱化效果也難以保證[8-10]。

本文所提的混合被動(dòng)無(wú)熱化方法是利用光學(xué)被動(dòng)熱化選用合適的材料和光焦度分配，實(shí)現(xiàn)單個(gè)透鏡軸向微量移動(dòng)以補(bǔ)償熱差，再利用較少的熱補(bǔ)償材料通過(guò)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)形式驅(qū)動(dòng)透鏡按要求移動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)低成本、高性能的無(wú)熱化效果。

2 不同被動(dòng)無(wú)熱化光學(xué)設(shè)計(jì)對(duì)比

2.1 光學(xué)被動(dòng)無(wú)熱化

光學(xué)被動(dòng)無(wú)熱化設(shè)計(jì)時(shí)，承擔(dān)主要光焦度的透鏡，一般選用折射率溫度系數(shù)較小的材料，并且通過(guò)加入衍射元件以進(jìn)一步減小系統(tǒng)熱差。針對(duì)表1的指標(biāo)要求，通過(guò)多輪優(yōu)化，最終確定“硫系-鍺-硒化鋅”的光學(xué)被動(dòng)無(wú)熱化結(jié)構(gòu)，如圖1所示。該系統(tǒng)3 塊透鏡各有一個(gè)非球面，其中有一面為非球面與衍射面的結(jié)合。光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)總長(zhǎng)80 mm，總重257 g，全視場(chǎng)畸變小于等于0.7%。

圖1 光學(xué)被動(dòng)無(wú)熱化光學(xué)系統(tǒng)Fig.1 Passive optical athermalization

圖2為－40℃、20℃、60℃時(shí)，特征頻率42 lp/mm處不同視場(chǎng)調(diào)制傳遞函數(shù)MTF（modulation transfer function），可以看出不同溫度下各視場(chǎng)成像質(zhì)量滿(mǎn)足技術(shù)要求。

圖2 不同溫度下不同視場(chǎng)特征頻率處MTFFig.2 MTF versus field (parameter temperature) at 42 lp/mm

利用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行公差分析。采用CODE V默認(rèn)公差，像面移動(dòng)為補(bǔ)償器，結(jié)果顯示中心視場(chǎng)MTF@42 lp/mm 從設(shè)計(jì)值0.42 降低到0.36 的概率約為98%，其他視場(chǎng)考慮公差后MTF 均大于等于0.26（概率98%）。常規(guī)加工裝調(diào)精度即可滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。

2.2 混合被動(dòng)無(wú)熱化

混合被動(dòng)無(wú)熱化的主要目的是減小光學(xué)被動(dòng)無(wú)熱化的設(shè)計(jì)、加工難度，同時(shí)減小機(jī)械被動(dòng)無(wú)熱化的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度。為此，盡可能簡(jiǎn)化光學(xué)系統(tǒng)省去衍射面，減小加工難度；選取容易驅(qū)動(dòng)，且對(duì)鏡頭整體外形包絡(luò)影響較小的透鏡作為熱差補(bǔ)償元件。

參考光學(xué)被動(dòng)無(wú)熱化結(jié)構(gòu)形式，省去衍射面，并對(duì)光學(xué)材料進(jìn)行調(diào)整，優(yōu)化后選用“硫系-硫化鋅-鍺”的結(jié)構(gòu)形式，如圖3所示。該系統(tǒng)每塊透鏡各有一個(gè)非球面，設(shè)計(jì)總長(zhǎng)75 mm，總重248 g，全視場(chǎng)畸變小于等于1.3%。

圖3 混合被動(dòng)無(wú)熱化光學(xué)系統(tǒng)Fig.3 Passive optical and mechanical athermalization

圖4為－40℃、20℃、60℃下特征頻率42 lp/mm處不同視場(chǎng)調(diào)制傳遞函數(shù)，可以看出不同溫度下系統(tǒng)成像質(zhì)量與光學(xué)被動(dòng)無(wú)熱化相當(dāng)。

圖4 不同溫度下不同視場(chǎng)特征頻率處MTFFig.4 MTF versus field (parameter temperature) at 42 lp/mm

如圖3所示，透鏡1 和透鏡2 口徑相對(duì)較大，如果選作熱差補(bǔ)償元件，在其徑向設(shè)置機(jī)械被動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)會(huì)增大系統(tǒng)的體積、重量；而選擇透鏡3 作為熱差補(bǔ)償元件，則可以有效減小調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的體積和重量，從而有利于系統(tǒng)的小型化、輕量化。因此，選擇透鏡3 作為熱差補(bǔ)償元件。透鏡3 軸向移動(dòng)以適應(yīng)不同環(huán)境溫度。為了減小透鏡3 的位移，利用多重結(jié)構(gòu)兼顧各個(gè)溫度下的成像質(zhì)量和透鏡3 的移動(dòng)量，使其盡可能小。如表2所示，低溫時(shí)透鏡3 向透鏡2 移動(dòng)，為負(fù)值；高溫時(shí)則反方向運(yùn)動(dòng)。

表2 不同溫度下透鏡3 的相對(duì)位移Table 2 Shift of the lens 3 under different temperature

與光學(xué)被動(dòng)無(wú)熱化設(shè)計(jì)相同，采用CODE V 默認(rèn)公差，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行公差分析，結(jié)果顯示中心視場(chǎng)MTF@42 lp/mm 以98%的概率，從設(shè)計(jì)值0.46 降到0.36。反轉(zhuǎn)靈敏度分析顯示，該系統(tǒng)透鏡1 中心厚和中心偏公差比光學(xué)被動(dòng)無(wú)熱化系統(tǒng)稍嚴(yán)。但是，總體來(lái)說(shuō)兩種設(shè)計(jì)公差要求相當(dāng)，常規(guī)加工裝調(diào)精度均可滿(mǎn)足要求。

3 混合被動(dòng)無(wú)熱化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

混合被動(dòng)無(wú)熱化只需簡(jiǎn)單的多層鏡筒結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)單個(gè)透鏡移動(dòng)即可。對(duì)所設(shè)計(jì)的混合被動(dòng)無(wú)熱化光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖5所示。鏡筒、隔圈、壓圈等材料選用鋁合金，選用線(xiàn)膨脹系數(shù)較大的聚甲醛（POM,polyformaldehyde）作為熱補(bǔ)償材料。設(shè)計(jì)3層鏡筒結(jié)構(gòu)，中間層為POM，其前后兩端分別與外層、內(nèi)層鏡筒粘接。溫度變化則POM 熱脹冷縮，能夠驅(qū)動(dòng)透鏡3 按照設(shè)計(jì)所需的規(guī)律移動(dòng)。

圖5 混合被動(dòng)無(wú)熱化結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Mechanical schematic diagram of hybrid passive athermalization

為了保證不同溫差ΔT，透鏡3 的相對(duì)移動(dòng)量ΔL滿(mǎn)足光學(xué)設(shè)計(jì)要求，POM 的長(zhǎng)度Lpom必須滿(mǎn)足一定條件。如圖5所示，透鏡2 與透鏡3 的安裝基準(zhǔn)距離L0，鏡筒材料的線(xiàn)膨脹系數(shù)α，POM 的線(xiàn)膨脹系數(shù)αpom，則Lpom應(yīng)該滿(mǎn)足公式：

為驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，通過(guò)有限元仿真分析不同環(huán)境溫度下各透鏡的間隔變化。對(duì)透鏡與鏡筒，透鏡與隔圈等選擇適合的約束，施加均勻溫度場(chǎng)載荷，選取各透鏡中心節(jié)點(diǎn)，獲得不同溫度下的位移量如表3。與表2相比誤差≤0.02 mm，滿(mǎn)足不同溫度下間隔公差要求。

表3 仿真分析不同溫度下透鏡3 的位移Table 3 Shift of lens 3 under different temperature by simulation

4 兩種無(wú)熱化方案對(duì)比

對(duì)比結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成的兩種無(wú)熱化鏡頭，如表4所示?？梢园l(fā)現(xiàn)混合被動(dòng)無(wú)熱化的成像質(zhì)量、重量與光學(xué)被動(dòng)無(wú)熱化相當(dāng)，但是體積和加工難度上明顯優(yōu)于光學(xué)被動(dòng)無(wú)熱化。從而證實(shí)，混合被動(dòng)無(wú)熱化技術(shù)可實(shí)現(xiàn)低成本、高性能的無(wú)熱化效果。

表4 兩種無(wú)熱化方案對(duì)比Table 4 Comparison of different athermalization methods

5 總結(jié)

針對(duì)某焦距75 mm，F(xiàn)/1 長(zhǎng)波非制冷無(wú)熱化鏡頭的研制需求，分別利用光學(xué)被動(dòng)無(wú)熱化和混合被動(dòng)無(wú)熱化兩種方式設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。對(duì)比兩種鏡頭的體積、重量、加工難度、成像質(zhì)量等，可以看出混合被動(dòng)無(wú)熱化可以有效降低被動(dòng)無(wú)熱化鏡頭的設(shè)計(jì)難度、加工成本和體積。從而證實(shí)，混合被動(dòng)無(wú)熱化技術(shù)適用于低成本、高質(zhì)量的被動(dòng)無(wú)熱化鏡頭設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。