非制冷中波紅外光學系統精簡無熱化設計

陳炳旭，牟達，林鶴，楊旭，高佳旭

（1.長春理工大學 光電工程學院，長春 130022；2.長春理工大學 光電測控與光信息傳輸技術教育部重點實驗室，長春 130022）

隨著紅外技術的發展，越來越多的紅外熱成像系統應用到軍事、航天、航空、檢測、監控等各個領域。對比制冷型熱成像系統來說，非制冷型系統的使用壽命、體積、價格和功耗有很大優勢，使用范圍也更加廣泛。但是紅外材料的折射率、透鏡的曲率半徑與中心厚度、透鏡之間空氣間隔等系統的一些參數會在不同的溫度下發生相應改變，導致系統的最佳像面發生偏離，成像質量和對比度下降。采用無熱化原理設計光學系統可以消除溫度變化的影響，可以使系統工作性能和成像質量在一個較大的溫度范圍內保持良好的狀態[1]。

基于非制冷紅外探測器，蘇州大學的劉琳等設計了用于對地觀測的大相對孔徑中波紅外光學系統。為了適應空間環境溫度變化，其系統采用了結構簡單、可靠性好的被動消熱差光學系統以及折衍混合光學元件，以達到減輕系統體積和重量的目的。但折衍混合光學元件受其加工和檢測技術的限制，并沒有得到廣泛應用。

本文所設計的非制冷型中波紅外光學系統僅采用兩種常見的紅外材料硅和鍺，通過正負透鏡合理搭配，且全部為球面面型的光學元件，四片式的結構形式，有效降低了能量損耗和加工成本，且在-40℃～60℃溫度范圍內像質優良[2]。

1 光學系統無熱化的工作原理及方法

機電主動補償法、機械被動補償法和光學被動補償法是目前常用的三種無熱化設計方法。機電主動補償法主要通過改變系統光學透鏡的軸向位移來補償像面熱漂移，由于系統中增添了機械調焦機構和溫測反饋系統，導致系統整體體積繁重、結構冗雜、造價較高。機械被動補償法是用鏡筒的熱膨脹代替主動補償中的機械調焦結構，但鏡筒與鏡組材料熱膨脹系數很難匹配，因此機械被動補償不具有普遍適用性[3]。

光學被動補償法利用不同光學材料的光焦度和熱特性差異，匹配相應的光學透鏡組，在溫度變化時，使整個光學系統像面離焦量與鏡筒材料引起的離焦量互相補償。為了滿足系統無熱化性能，光焦度分配方程（1）、消色差方程（2）和消熱差方程（3）。

其中：φi為各個透鏡的光焦度；φ為系統總光焦度；vi為各個透鏡的阿貝數；χi為各個透鏡的熱膨脹系數；aH為鏡筒的熱膨脹系數。

相比前兩種無熱化光學設計方式，光學被動補償法不需要加入額外的機械結構，使整體光機結構相對簡單、尺寸小、質量輕，工作時不需供電、系統具有良好的可靠性，所以本文選擇光學被動補償方法[4]。

2 中波紅外光學系統設計

2.1 光學系統設計參數

按照系統要求，該中波紅外光學系統的主要設計指標如表1所示。

表1 光學系統設計參數

2.2 設計思路

設計思路大致可分為三步：首先，保證系統結構在常溫（20℃）時結構和像質良好；其次，在-40℃～60℃的溫度范圍內，利用zemax軟件進行分析，每隔20℃設置一個溫度結構作為代表；最后，利用無熱化設計原理，弱化系統對溫度改變的影響，平衡像差，在要求的工作溫度范圍使光學系統具有良好的成像質量。

2.3 材料的選擇

根據前面的公式（1）、（2）和（3），選擇合適的紅外材料適當匹配正負透鏡光焦度，以達到消色差和熱差的目的。單晶鍺的性能穩定，在紅外中波3～5μm波段有較好的透過率，硅是一種化學惰性材料，其硬度高，導熱性好，在紅外中波3～5μm波段有很好的透光性能。

（1）光焦度匹配

在中紅外波段，為了合理分配光焦度，負光焦度元件常采用鍺，正光焦度元件常采用硅，相當于可見光系統中膠合透鏡的火石玻璃和冕牌玻璃，這樣就可以利用這兩種材料的性能匹配來滿足系統所需的光焦度。

（2）消色差

光學系統消色差的方法是通過組合阿貝數相差較大的材料，系統中所選的硅和鍺在中波時的阿貝數vi分別為237.8和107.2，阿貝數相差較大，通過材料匹配能夠有效校正色差。鍺的折射率較高，硅的折射率略低于鍺，屬于高折射率低色散材料，這也對其他像差的校正也十分有利。

（3）消熱差

在溫度變化較大的條件下，鍺的折射率隨溫度的變化系數dn/dt是普通玻璃的約100倍，為保證成像質量需對系統進行無熱化設計。在無熱化設計消熱差過程，我們采用組合熱差系數相差較大的材料的方法，來消除系統熱差。系統中采用的硅和鍺的熱差系數分別為7.03×10-5和12.5×10-5，利用二者組合，再結合鏡筒材料選擇的是熱膨脹系數較小的鈦合金TC4，最終有效消除了熱差對系統成像質量的影響[5]。

2.4 無熱化設計結果像質分析

中波紅外光學系統設計結果焦距為120mm，F數為2，視場為6°。結構緊湊、成像質量良好。在-40℃～60℃溫度范圍內對設計結果進行消熱差分析，如下主要分析系統在201p/mm處各視場的平均MTF值的變化情況[6]。

圖1、圖2、圖3分別為-40℃、20℃、60℃的結構和像質。

圖2 20℃時的結構和像質無熱化設計結果像質分析

圖3 60℃時的結構和像質無熱化設計結果像質分析

由圖1、圖2、圖3可知，從-40℃～60℃的傳遞函數曲線均與衍射極限接近且MTF的值在20lp/mm處都大于0.7，成像質量較好。

在溫度變化時，系統成像質量很差，MTF圖像有明顯下滑，如下圖4和圖5分辨是-40℃和60℃的傳遞函數圖像。

圖4 -40℃的像質消熱差之前的像質圖像

圖5 60℃的像質消熱差之前的像質圖像

經光學補償后，光學系統的離焦量在-40℃時為-4μm，60℃時為 3μm，光學系統的焦深是：±2λ(f#)2=32μm，故無熱化設計后的光學系統在-40℃～60℃溫度范圍內，離焦量在1倍焦深范圍內，滿足無熱化設計要求[7]。

3 結論

根據光學系統的指標，基于像差理論和光學被動式無熱化設計方法，選擇合適的初始結構，對其進行無熱化設計和優化，將光機結構材料進行合理的搭配，在消熱差同時進行像差平衡，設計出了一種僅僅由四片常用材料的透鏡組成的中波紅外非制冷型消熱差光學系統，光學元件半徑厚度合理，不僅提高了加工可行性還減少了對紅外光線的吸收，系統成像質量良好、適應溫度范圍較寬，可以在中波紅外光學無熱化光學系統中廣泛應用。