王 錚，王 政

(中國空空導(dǎo)彈研究院，河南洛陽471003)

1 引言

光學(xué)儀器(尤其是軍用光學(xué)儀器)經(jīng)常工作在溫度變化范圍比較大的環(huán)境中，光學(xué)材料、機械材料的熱膨脹系數(shù)以及光學(xué)材料折射率隨溫度的變化都將嚴(yán)重地影響光學(xué)系統(tǒng)的性能［1］。

為了保證紅外系統(tǒng)在給定溫度范圍內(nèi)正常工作，消除溫度對成像質(zhì)量的影響，必須對紅外光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行消熱差設(shè)計［2］。紅外成像系統(tǒng)無熱化設(shè)計主要有機械被動式、機械主動式和光學(xué)被動式3種方法［3］。機械式無熱化設(shè)計采用軸向移動的透鏡組或外加控制系統(tǒng)和調(diào)焦機構(gòu)進(jìn)行熱補償，導(dǎo)致系統(tǒng)機構(gòu)復(fù)雜、精度差，可靠性低。光學(xué)被動式無熱化設(shè)計通過匹配光學(xué)材料的溫度折射系統(tǒng)、線膨脹系統(tǒng)等，實現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)的無調(diào)焦設(shè)計，具有結(jié)構(gòu)簡單、光軸穩(wěn)定、系統(tǒng)可靠性高和穩(wěn)定性好等優(yōu)點，其綜合效率最高［4－6］。

2 光學(xué)被動無熱化原理

光學(xué)被動式無熱化設(shè)計是利用光學(xué)材料和結(jié)構(gòu)材料的熱效應(yīng)之間的差異，通過不同材料之間的合理組合和分配光焦度，使光學(xué)系統(tǒng)在工作環(huán)境溫度范圍內(nèi)的溫度焦移相互補償或抵消，保證光學(xué)系統(tǒng)成像位置的穩(wěn)定，從而保持良好的成像質(zhì)量。光學(xué)被動式無熱化系統(tǒng)應(yīng)滿足以下三個方程:

光焦度分配要求:

消軸向色差要求:

消熱差要求:

式中，hi為第一近軸光線在各透鏡組的高度;Фi為各個透鏡組的光焦度;Ф為系統(tǒng)的總光焦度;ωi為每個光學(xué)元的色散因子;Хi為光熱膨脹系數(shù);ah為機械結(jié)構(gòu)的線膨脹系數(shù);L為機械結(jié)構(gòu)件的長度。

由于紅外材料的折射率溫度系數(shù)非常大，折射元件的光熱膨脹系數(shù)一般為負(fù)值。而衍射元件的光膨脹系數(shù)只與材料的膨脹系數(shù)有關(guān)，始終為正值，可補償折射元件因溫度產(chǎn)生的離焦。因此折衍射混合光學(xué)系統(tǒng)通過選擇光學(xué)和結(jié)構(gòu)材料組合，合理分配焦距，使材料的色散因子和光膨脹系數(shù)同時滿足以上要求，易于在較寬溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)良好的像質(zhì)。

3 設(shè)計實例

為了兼顧作用距離和捕獲跟蹤概率，機載紅外光學(xué)系統(tǒng)普遍采用多檔變倍形式，其中以兩檔或三檔變倍形式為普遍［7－8］。本設(shè)計通過切換光學(xué)系統(tǒng)的相關(guān)透鏡組來改變光學(xué)系統(tǒng)的焦距值，實現(xiàn)兩檔變倍;通過使用具有不同溫度折射率系統(tǒng)的正負(fù)透鏡組合，實現(xiàn)了紅外光學(xué)系統(tǒng)被動無熱化設(shè)計。

3．1 光學(xué)系統(tǒng)指標(biāo)

在雙視場紅外學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計中，采用的是法國Sofradir公司生產(chǎn)的中波320×256凝視焦平面陣列探測器，探測器像元尺寸為30μm×30μm。光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)如表1所示。

表1 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)Tab．1 Design parameters of the optical systen

3．2 視場切換方式

紅外視場變倍光學(xué)系統(tǒng)的實現(xiàn)方式分徑向切換式、軸向切換式和旋轉(zhuǎn)切換式。

旋轉(zhuǎn)切換式變倍機構(gòu)繞垂直于系統(tǒng)光軸的回轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，使得變倍鏡組切入或切出光學(xué)系統(tǒng)，從而實現(xiàn)視場切換。軸向切換方式變倍運動機構(gòu)通過軸向移動透鏡組改變系統(tǒng)焦距實現(xiàn)視場切換。徑向切換式變倍機構(gòu)是將變倍鏡組沿著垂直系統(tǒng)光軸的方向平移，切入或切出光學(xué)系統(tǒng)，實現(xiàn)視場切換。徑向切換式變倍機構(gòu)易于校正像差，有利于提高透過率，易于實現(xiàn)雙視場光學(xué)被動無熱化設(shè)計，在雙視場或三視場變倍光學(xué)系統(tǒng)中經(jīng)常使用［9］。本設(shè)計采用徑向切換式變倍機構(gòu)，實現(xiàn)兩檔視場切換。

3．3 設(shè)計結(jié)果

對純折射式紅外系統(tǒng)實現(xiàn)光學(xué)被動式熱補償時，通過改變曲率半徑和使用不同光學(xué)材料來矯正熱差和色差，至少需要選擇3種或3種以上材料。但紅外波段可使用的材料非常有限，設(shè)計時光學(xué)系統(tǒng)透鏡材料選用的性能穩(wěn)定的中波紅外材料Ge、Si和ZnSe完成光學(xué)設(shè)計，根據(jù)材料和光焦度合理配合，使紅外材料的色散因子和熱膨脹系統(tǒng)同時滿足系統(tǒng)消熱差和消色差的條件，即可實現(xiàn)高度消熱差。

表2 常用紅外材料的性能參數(shù)表Tble 2 Performance parameters of common infrared materials

為了滿足100%的孔徑效率，探測器杜瓦中的冷光闌應(yīng)作為光學(xué)系統(tǒng)的孔徑光闌與出瞳進(jìn)行處理。由于系統(tǒng)的焦距較長以及系統(tǒng)窄視場的孔徑較大，光學(xué)系統(tǒng)采用二次成像的結(jié)構(gòu)形式，以提高系統(tǒng)的孔徑效率。設(shè)計時，先通過求解式(1)～(3)得到系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)，然后利用CODE V軟件對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，最終得到光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 光學(xué)系統(tǒng)示意圖Fig．1 Schematic drawing of optical system

正透鏡采用硅材料，其較高的折射率和較低的色散有利于像差校正;負(fù)透鏡采用鍺材料，其折射率和色散高于硅，在系統(tǒng)中可消除色差，并平衡軸上像差，同時其較大的折射率溫度系統(tǒng)也可降低下透鏡造成的熱離影響;硒化鋅因較小的折射率溫度系統(tǒng)和較低的色散，主要起校正系統(tǒng)色差和平衡殘余熱差的作用。確定圖1中，視場切換鏡組采用Si、Ge、ZnSe、Si四塊透鏡搭配，固定鏡組采用 Si、Ge、Si三塊透鏡搭配。

鏡筒材料選用鋁合金，線膨脹系數(shù) 23．6×10－6/℃。連接固定鏡組和探測器的結(jié)構(gòu)件采用熱膨脹系數(shù)小的銦鋼，線膨脹系統(tǒng)1．6×10－6/℃。

3．4 光學(xué)設(shè)計指標(biāo)

3．4．1 傳遞函數(shù)

傳遞函數(shù)是光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)評價的重要評價手段。本設(shè)計中窄視場和寬視場在不同溫度下的傳遞函數(shù)曲線及數(shù)值分別如圖2、圖3所示。從圖中數(shù)據(jù)可以看出，窄、寬視場的傳遞函數(shù)值在全溫度范圍內(nèi)均大于0．67(17 lp/mm)，能夠保證光學(xué)系統(tǒng)在全溫度范圍內(nèi)成像質(zhì)量優(yōu)良。

圖2 光學(xué)系統(tǒng)MTF曲線(窄視場)Fig．2 The MTF curves of optiead system(Narrow field of view)

圖3 光學(xué)系統(tǒng)MTF曲線(寬視場)Fig．3 The MTF curves of optiead system(Wide field of view)

3．4．2 能量分布

窄視場和寬視場的能量分布曲線如圖4和圖5所示。從圖中可以看出，在全溫度范圍內(nèi)，窄視場、寬視場集中在探測器的一個面元內(nèi)的能量優(yōu)于70%，較好地滿足了系統(tǒng)的需求。

圖4 能量圖(窄視場)Fig．4 The energy drawing(Narrow field of view)

圖5 能量圖(寬視場)Fig．5 The energy drawing(Wide field of view)

4 結(jié)語

本文采用徑向切入出鏡組實現(xiàn)兩檔變倍形式，并利用衍射光學(xué)元件實現(xiàn)了紅外光學(xué)系統(tǒng)被動無熱化設(shè)計，在全溫度范圍(－40℃ ～+60℃)內(nèi)獲得了優(yōu)良的像質(zhì)，滿足了系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求。

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