使用機械結構實現(xiàn)紅外光學系統(tǒng)無熱化

封榮凱

廣西奧順儀器有限公司

使用機械結構實現(xiàn)紅外光學系統(tǒng)無熱化

封榮凱

廣西奧順儀器有限公司

當前，國內的機械加工裝配水平可以滿足系統(tǒng)的性能和精度要求，機械被動式方法具有推廣應用的潛力。在使用機械結構中，要保證紅外光學系統(tǒng)在較寬的溫度范圍內穩(wěn)定工作，就必須消除溫度對紅外光學系統(tǒng)的影響，即對紅外光學系統(tǒng)進行無熱化設計。無熱化設計是利用不同手段消除環(huán)境溫度變化對光學系統(tǒng)性能的影響。基于此，文章就使用機械結構實現(xiàn)紅外光學系統(tǒng)無熱化進行簡要的分析。

使用機械結構；紅外光學系統(tǒng)；無熱化

1.使用簡單機械結構實現(xiàn)無熱化的原理

使用簡單機械結構實現(xiàn)紅外光學系統(tǒng)無熱化是在光學系統(tǒng)中外加簡單機械結構，利用結構的熱膨脹，抵消補償像面的熱漂移。

據(jù)國外報道，機械被動式方法常用的簡單機械結構主要有三種：雙/多層鏡筒結構、雙/多層支撐桿結構和周向驅動-凸輪結構。

雙/多層鏡筒結構和雙/多層支撐桿結構均利用不同層結構材料的熱膨脹系數(shù)差來實現(xiàn)熱驅動。圖1 為這兩種結構的原理圖。周向驅動-凸輪結構利用結構材料的周向膨脹驅動凸輪進而實現(xiàn)軸向驅動。圖 2 顯示了兩種周向驅動- 凸輪結構的原理圖。

圖1 雙/多層鏡筒結構和雙/多層支撐結構的原理圖

圖2 兩種周向驅動- 凸輪結構

2.紅外光學系統(tǒng)無熱化設計的途徑

2.1 適用于紅外熱成像的光學材料

首先應找到適用于紅外熱成像的光學材料，并綜合考慮紅外系統(tǒng)對光學材料的要求。目前國內適用于熱成像的紅外光學材料只有4種——鍺、硅、硒化鋅和Ge30As10Se60。表1列出這4種材料的光學特性和熱特性，表中dn/dt是折射率溫度變化系數(shù)，Xf是光學熱膨脹系數(shù)。Ge30As10Se60是由鍺、砷和硒以近似30：10：60的比例生產(chǎn)出來的玻璃質材料，是仿制美國的AMTIR-I材料。

表1 可用紅外光學材料的光學特性和熱特性(25℃)

該材料為國內首創(chuàng)，材料的技術指標達到國外同類產(chǎn)品水平。用一個設計實例進行研究討論，其技術指標為：

(1)光譜范圍：3～5μm，中心波長4μm；(2)焦距：f=120mm；(3)通光口徑：D=95mm；(4)紅外探測器：320×240，單個探測器像元面積為：20μm×20μm；(5)像質要求：0～50%視場的像質不低于衍射限的80%；50%至全視場的像質不低于衍射限的50%；(6)后工作距：≥10mm；(7)系統(tǒng)總長：≤100mm。根據(jù)(2)和(4)中的指標可計算出設計實例的全視場為3.8°。根據(jù)(1)～(3)中的指標可計算出設計實例的焦深范圍為±12.8μm。

2.2 球面系統(tǒng)光學材料匹配

2.2.1 單透鏡結構和雙分離結構

這兩種結構都不能滿足光學系統(tǒng)消像差要求，因此常溫下不能找到滿足像質要求的系統(tǒng)。進行無熱化設計首先要找到常溫下像質滿足要求的系統(tǒng)，討論溫度變化才有意義。

2.2.2 三片式結構和四片式結構

(1)三片式結構通過軟件設計得到常溫下可以接受的三片式系統(tǒng)材料組合有：硅、鍺和硅；硅、鍺和硒化鋅，并分別簡稱為SGS和SGZ。(2)四片式結構通過軟件設計得到常溫下可以接受的四片式系統(tǒng)材料組合有5種：1)硅、鍺、硅和硅；2)硅、硅、鍺和硅；3)硅、硅、鍺和鍺；4)硅、硅、鍺和硒化鋅；5)硅、鍺、硒化鋅和硅，并分別簡稱為SGSS、SSGS、SSGG、SS-GZ和SGZS。

2.2.3 五片及以上結構

如果在四片式結構的基礎上再增加透鏡，則系統(tǒng)的結構比較復雜，裝調精度不易保證，而且系統(tǒng)的透過率大大下降。所以研究僅限于四片以下的系統(tǒng)結構。

3.設計實例

光學系統(tǒng)參數(shù)：

波長范圍 8000nm～12000nm

焦距 200mmF#4

紅外探測器/元320×240像元

大小 0.03mm×0.03mm

3.1 不考慮消熱差的設計

使用一塊Ge透鏡完成設計，為使彌散圓小于像元大小0.03mm×0.03mm，采用非球面設計。用光學設計軟件對其焦距和彌散圓尺寸隨溫度的變化進行分析，如表2所示，它給出了當環(huán)境溫度變化時，系統(tǒng)焦距和彌散圓尺寸的變化情況。在常溫20℃時彌散圓尺寸為0.028mm，小于像元大小，滿足像差要求，但在其他溫度點，彌散圓尺寸超過了像素大小，不能滿足設計要求，同時，隨著溫度的變化，焦距變化也比較明顯。

表2 不考慮消熱差時焦距和像差隨溫度的變化情況

3.2 光學被動式消熱差設計

當使用Ge-ZnSe-ZnS玻璃組合時，由于焦距為200mm，將組合玻璃材料的光焦度轉化為焦距，然后放大到200mm，則Ge透鏡的焦距為-263.16mm；ZnSe透鏡的焦距為68.49mm；ZnS透鏡的焦距為-172.4mm。在優(yōu)化過程中，保持總焦距不變，只改變某個單透鏡的2個半徑，必要時可以使用非球面設計，這樣，保證了各個單透鏡的焦距也不改變，因而不會影響到前面的消熱差條件。由于在優(yōu)化過程中假定透鏡為緊密型，因而邊緣光線到每個面上的高度一致，但在實際設計過程中，由于透鏡厚度的存在，邊緣光線的高度總存在差別，為保證整個系統(tǒng)的焦距為200mm，Ge透鏡的焦距將變?yōu)?54.4mm，ZnSe和ZnS的焦距不變，由于焦距分配的改變，熱差就不可能為零，因而焦距發(fā)生一定的偏移。設計結果如圖3所示。

圖3 消熱差設計結果

光學設計軟件對其焦距和彌散圓尺寸隨溫度的變化進行分析，當環(huán)境溫度變化時組合透鏡焦距和彌散圓尺寸的變化情況。在-40℃～60℃溫度范圍內彌散圓尺寸基本不變，滿足像差設計要求，同單個透鏡設計結果相比較，其焦距隨溫度基本保持不變。

綜上，在常用的結構件材料中選擇材料制作結構件，球面系統(tǒng)光學材料匹配后不能消除紅外熱效應。可以在較大視場內獲得接近衍射極限的成像質量，具有較寬的工作溫度范圍，而且結構簡單，工作可靠。

[1]李利.雙波段紅外光學系統(tǒng)的無熱化設計[D].南京航空航天大學，2012.

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[3]劉欣，劉春華，潘枝峰，羅京平.機載復雜紅外光學系統(tǒng)無熱化補償方法研究[J].電光與控制，2012，07：68-70+93.