反射式熱紅外光學系統無熱化性能分析

陳浩然

摘 要：熱紅外光學系統成像的研究是當代光學科學研究領域的重中之重，精密的光學系統是紅外光束成像質量的重要保證。鏡體熱變形是影響光學天線系統傳輸質量的重要因素，該文利用ANSYS有限元分析軟件仿真了鏡體在熱環境下的變形情況，同時分析了在熱環境下，鏡體熱變形以及鏡體材料折射率變化引起的鏡體焦移變化，并對比分析了透射式熱紅外光學系統與反射式卡塞格倫天線的熱紅外光學系統在熱環境下的焦移變化，得出了卡塞格倫光學天線系統的無熱化性能。這些研究為熱紅外光學系統的精確設計奠定了理論基礎。

關鍵詞：熱紅外光學系統 卡塞格倫天線 焦移 無熱化性能

中圖分類號：TN216 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）12（c）-0087-02

隨著通信技術和光器件的不斷發展，光纖通信和星間光通信的發展越來越快，并在信息的快速傳遞中起著重要的作用[1][2]。熱紅外光學系統成像的研究逐漸成為熱點，影響熱紅外光學系統成像質量的因素很多，該文主要針對光學系統的結構影響因素進行分析。當環境溫度改變時，由于鏡面產生熱變形，接收天線系統的接收光斑會發生偏轉和擴展[3][4]。對于空地激光通信鏈路來講，鏡面產生熱變形，會影響空地激光通信鏈路的性能[5]。該文從熱環境下光學天線系統的焦移變化的角度，分析了卡塞格倫天線的熱紅外光學系統的無熱化性能。這些研究將會在光通信領域有著廣泛的應用前景。

1 熱環境下卡塞格倫天線系統的無熱化

1.1 熱環境下的鏡體熱變形及鏡體的焦移變化

鏡體的熱變形是指環境溫度發生改變時，鏡體在、、方向出現膨脹（溫度升高時）或收縮（溫度降低時）的現象。根據熱彈性力學理論，物體由于溫度的改變而產生的形變，主要由三部分組成：物體材料溫度升高而產生的自由熱膨脹；邊界固定后不能自由膨脹而引起的和材料的泊松比有關的形變；熱應力而產生形變。

根據熱結構分析的有限元方法，采用有限元分析軟件ANSYS對光學天線系統的鏡體（材料為鍺）進行熱變形有限元仿真分析。如圖1、2、3、4所示，圖1表示鏡體的有限元模型，圖2表示時鏡體在方向的位移，圖3表示時鏡體在方向的位移，圖4表示時鏡體在方向的位移。可以看出，溫度變化時鏡體軸向的形變最大，最大形變量為，所以鏡體的形變對天線系統的遠距離傳輸性能影響很大。

焦移是指溫度改變引起光學系統焦點的移動。光學系統的焦移由鏡體熱變形引起的焦移和鏡體折射率變化引起的焦移兩部分組成。鏡體熱變形引起的鏡體焦移為：

其中，表示熱變形前鏡體的焦距，表示熱變形后鏡體的焦距。

1.2 卡塞格倫天線的熱紅外光學系統的無熱化性能分析

無熱化性能是指環境溫度改變時，光學系統的焦移量很小的性能。無熱化技術是解決熱環境下，光學系統焦移變化引起的系統成像質量問題的最優化方法，使用反射光學系統（卡塞格倫天線系統）可以達到理想的效果。當環境溫度發生變化時，卡塞格倫天線的鏡體都會發生形變，然而由于結構設計的優勢，熱變形引起的主鏡和次鏡的總焦移變化幾乎為零。由于主鏡和次鏡采用反射式的鏡體，所以不存在由鏡體材料折射率變化引起的焦移，整個卡塞格倫天線的的熱影響為零，可以實現卡塞格倫天線的熱紅外光學系統的無熱化性能。

下面針對具體的實例進行對比分析。如圖5所示，兩個很相似的系統：光軸以上是全透射式熱紅外光學系統，而光軸以下的系統以卡塞格倫天線為主要元件的反射式熱紅外光學系統，圖中給出了各系統元件的熱敏感度。兩系統的入瞳直徑均為75 mm，工作于±3 ℃中心波長的LWIR波段。在環境溫度為時，光軸上方的透射式系統中，前面的彎曲頭罩具有很小的光焦度（光焦度略負），其作用是使像向外焦移7.6 μm。第一個大元件向內焦移1.7 mm，下一個負元件使像向外焦移0.27 mm，最后兩個元件只產生小的焦移。由50 ℃熱浸沒造成的總系統焦移和大光焦度元件的離焦大致相同，向內焦移1.71 mm，和單獨的第一個元件相同。對于光軸下方的光學系統，前面的彎曲頭罩向外焦移7.6 μm，卡塞格倫天線的兩鏡體的總焦移基本為0，最后兩個元件只產生小的焦移。

從上面的研究可以得出：卡塞格倫天線的兩個反射鏡根本不會產生熱焦移，整個卡塞格倫天線的熱紅外光學系統的焦移為0.03584mm，小于四分之一波長的瑞利判據，真正實現了熱紅外光學系統的無熱化性能。因此，在實際工作中，為了提高光學系統的工作效率，應該選擇由卡塞格倫光學天線系統組成的熱紅外系統。

2 結論

該文分析了采用反射式共焦拋物面結構的卡塞格倫天線系統具有非常好的傳輸性能，同時利用ANSYS有限元分析軟件仿真熱環境下光學天線系統鏡體的熱變形，分析光學系統鏡體熱變形以及鏡體折射率變化引起的鏡體焦移變化。并對比分析在熱環境下，透射式熱紅外光學天線系統和反射式卡塞格倫天線的熱紅外光學天線系統的焦移變化，得出卡塞格倫天線熱紅外光學系統的無熱化性能，為熱紅外成像選取高效率的光學系統奠定了理論基礎。

參考文獻

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