紅外折反射式無焦系統被動消熱化設計

段媛 賀祥清（四川九洲電器集團有限責任公司，四川綿陽 621000）

紅外折反射式無焦系統被動消熱化設計

段媛 賀祥清
（四川九洲電器集團有限責任公司，四川綿陽 621000）

介紹了長波紅外被動消熱差光學系統初始結構的選擇方法，設計了一種工作于7.7-10.3μm的折反射式無焦系統，依靠光學系統自身成像原理和光學材料及機械結構材料的熱特性匹配來實現消熱化，設計結果表明，在-50～70℃溫度范圍內，成像質量接近衍射限，具有結構緊湊、體積小等優點，可滿足掃描紅外系統的使用要求。

折反射式無焦系統 消熱設計 光學設計 熱特性匹配

1　引言

紅外光學系統需要工作于惡劣的環境條件下，其中環境溫度的變化是對紅外光學設備的嚴峻考驗之一。當環境溫度變化時，光學元件的曲率、厚度和間隔將發生變化，同時元件材料的折射率也發生改變，從而引起系統焦距變化，像面發生位移。由于紅外光學材料的折射率溫度系數dn/dt比較大，因此環境溫度變化對紅外系統的影響尤為嚴重，將導致系統性能急劇下降，圖像質量惡化。因此，在紅外光學系統的設計過程中進行消熱化設計是相當必要的。

對比機械主動式和機械被動式方法，光學被動式不外加任何調焦機構，只依靠光學系統自身成像原理和光學材料及機械結構材料的熱特性匹配來實現消熱化設計，具有結構簡單、尺寸小、系統可靠性高等優點。

圖1　光學系統結構圖

2　光學系統選擇

紅外光學系統是紅外搜索跟蹤設備的重要組成部分，由于受安裝平臺的空間限制，通常要求光學系統盡可能結構緊湊。利用Ritchey-Chretien結構用作望遠物鏡，主次鏡均為雙曲面。彗差得到校正，僅殘余像散和場曲。具有結構緊湊，尺寸小，筒長短，軸上分辨率高等特點。目鏡組采用三片式結構。

圖2　20℃溫度狀態時的調制傳遞函數曲線

3　光學系統設計

3.1原理

透鏡焦距隨溫度變化表示為：

其中， αg為透鏡材料的熱膨脹系數，dndt為透鏡材料的折射率溫度系數。多數情況下，焦距隨溫度變化而減小，公式常寫成ΔΦ=-υΦΔt， ν稱為透鏡材料的熱光系數。

光學系統相對像面的焦移還要考慮鏡筒隨溫度的變化。

這里Ritchey-Chretien作為物鏡組，主、次鏡采用相同的基底材料，支撐結構件選用與其熱膨脹系數相同的材料，保證光學零件和機械零件均勻地膨脹和收縮，則主次鏡的熱離焦量為零。

目鏡組的消熱化設計時必須同時滿足光焦度、消色差和消熱差的要求，由此得出通常需要三種不同材料的組合才能實現成功的光學消熱。假設三片鏡由一片單透鏡和一組雙膠合透鏡組成，那么必須滿足以下3個方程：

圖3　-50℃溫度狀態時的調制傳遞函數曲線

圖4　+70℃溫度狀態時的調制傳遞函數曲線

表1　紅外材料的特性參數

式中： h1、h2、h3為第一近軸光線在各透鏡的高度；φ1、φ2、φ3為透鏡的光焦度； Φ為系統的總光焦度； ν1、ν2、ν3為光學材料的阿貝數； δ1、δ2、δ3為光學材料的熱光系數； αmount為外部機械結構的線膨脹系數。常用紅外材料在8-12μm的阿貝數、熱光系數于表1中給出。設計時，先通過求解方程組得到系統的初始結構，然后利用光學設計軟件對其進行優化設計，得到消熱差長波紅外光學系統的最終結構參數。

3.2指標

（1）光譜范圍：7.7-10.3μm

（2）口徑：120mm

（3）放大倍率：8×

（4）視場：2.6°×2.6°

（5）系統必須做到無熱化，在-50℃～+70℃以內不用進行溫度調焦。

3.3設計結果分析

折反式無焦系統光路圖如圖l所示。圖中紅外系統物鏡組中主次鏡和結構件均材料采用鋁7075，其熱膨脹系數為23.6×10-6。目鏡由3個透鏡組成，透鏡材料依次為硫系玻璃、硫化鋅和鍺，光焦度符號分別為+、－、－。鏡筒材料換成合金鋼。

圖2、圖3和圖4分別為系統在20℃、-50℃、+70℃溫度狀態時的調制傳遞函數曲線，從圖中可以看出，系統在不同溫度環境下所有視場的MTF都接近衍射限。

4　結語

由于溫度變化時光學系統的結構參數發生了變化，打破了原有的像差平衡，系統的最佳像面位置和像質將隨溫度變化。本文采用常用的紅外材料和結構材料進行光學被動式無熱化設計，利用光學材料熱差和色差各自相互補償的原理，實現了一種低成本、高像質的紅外光學系統的無熱化設計，該系統結構簡單、體積小、成本低、性能可靠，無需機電或特殊機械結構材料，滿足紅外系統的使用要求。

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In this paper，the way to choose original strating configurations for infrared optical passive athermalization was discussed.A compact catadioptric afocal telescope was designed.The results show that the system possesses better athermal performances in the temperature range -50～70℃.The image quality of the system almost reaches diffractive limit.In addtiton，the optical system has many advantages，such as compact structure，small volume and so on.It can be applied to scanning infrared systems.

infrared catadioptric afocal system；athermalization design；optical design