陳浩然

摘 要：熱紅外光學系統(tǒng)成像的研究是當代光學科學研究領(lǐng)域的重中之重，精密的光學系統(tǒng)是紅外光束成像質(zhì)量的重要保證。鏡體熱變形是影響光學天線系統(tǒng)傳輸質(zhì)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(huán)境下的變形情況，同時分析了在熱環(huán)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(tǒng)與反射式卡塞格倫天線的熱紅外光學系統(tǒng)在熱環(huán)境下的焦移變化，得出了卡塞格倫光學天線系統(tǒng)的無熱化性能。這些研究為熱紅外光學系統(tǒng)的精確設(shè)計奠定了理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：熱紅外光學系統(tǒng) 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(shù)和光器件的不斷發(fā)展，光纖通信和星間光通信的發(fā)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(tǒng)成像的研究逐漸成為熱點，影響熱紅外光學系統(tǒng)成像質(zhì)量的因素很多，該文主要針對光學系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)影響因素進行分析。當環(huán)境溫度改變時，由于鏡面產(chǎn)生熱變形，接收天線系統(tǒng)的接收光斑會發(fā)生偏轉(zhuǎn)和擴展[3][4]。對于空地激光通信鏈路來講，鏡面產(chǎn)生熱變形，會影響空地激光通信鏈路的性能[5]。該文從熱環(huán)境下光學天線系統(tǒng)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(tǒng)的無熱化性能。這些研究將會在光通信領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

1 熱環(huán)境下卡塞格倫天線系統(tǒng)的無熱化

1.1 熱環(huán)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(huán)境溫度發(fā)生改變時，鏡體在、、方向出現(xiàn)膨脹（溫度升高時）或收縮（溫度降低時）的現(xiàn)象。根據(jù)熱彈性力學理論，物體由于溫度的改變而產(chǎn)生的形變，主要由三部分組成：物體材料溫度升高而產(chǎn)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(guān)的形變；熱應(yīng)力而產(chǎn)生形變。

根據(jù)熱結(jié)構(gòu)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)焦點的移動。光學系統(tǒng)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(tǒng)的無熱化性能分析

無熱化性能是指環(huán)境溫度改變時，光學系統(tǒng)的焦移量很小的性能。無熱化技術(shù)是解決熱環(huán)境下，光學系統(tǒng)焦移變化引起的系統(tǒng)成像質(zhì)量問題的最優(yōu)化方法，使用反射光學系統(tǒng)（卡塞格倫天線系統(tǒng)）可以達到理想的效果。當環(huán)境溫度發(fā)生變化時，卡塞格倫天線的鏡體都會發(fā)生形變，然而由于結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)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(xiàn)卡塞格倫天線的熱紅外光學系統(tǒng)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(tǒng)：光軸以上是全透射式熱紅外光學系統(tǒng)，而光軸以下的系統(tǒng)以卡塞格倫天線為主要元件的反射式熱紅外光學系統(tǒng)，圖中給出了各系統(tǒng)元件的熱敏感度。兩系統(tǒng)的入瞳直徑均為75 mm，工作于±3 ℃中心波長的LWIR波段。在環(huán)境溫度為時，光軸上方的透射式系統(tǒng)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(nèi)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(chǎn)生小的焦移。由50 ℃熱浸沒造成的總系統(tǒng)焦移和大光焦度元件的離焦大致相同，向內(nèi)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(tǒng)，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(chǎn)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(chǎn)生熱焦移，整個卡塞格倫天線的熱紅外光學系統(tǒng)的焦移為0.03584mm，小于四分之一波長的瑞利判據(jù)，真正實現(xiàn)了熱紅外光學系統(tǒng)的無熱化性能。因此，在實際工作中，為了提高光學系統(tǒng)的工作效率，應(yīng)該選擇由卡塞格倫光學天線系統(tǒng)組成的熱紅外系統(tǒng)。

2 結(jié)論

該文分析了采用反射式共焦拋物面結(jié)構(gòu)的卡塞格倫天線系統(tǒng)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(huán)境下光學天線系統(tǒng)鏡體的熱變形，分析光學系統(tǒng)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(huán)境下，透射式熱紅外光學天線系統(tǒng)和反射式卡塞格倫天線的熱紅外光學天線系統(tǒng)的焦移變化，得出卡塞格倫天線熱紅外光學系統(tǒng)的無熱化性能，為熱紅外成像選取高效率的光學系統(tǒng)奠定了理論基礎(chǔ)。

參考文獻

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[2] 鞏稼民，劉娟，方強，等.密集波分復(fù)用石英光纖通信系統(tǒng)中受激Raman散射的穩(wěn)態(tài)分析模型[J].物理學報，2000， 49（7）：1287-1291.

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