林 青，王 坤，林 燦，魏 敏，劉 倩

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折衍混合系統(tǒng)在無(wú)熱化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

林 青，王 坤，林 燦，魏 敏，劉 倩

（中國(guó)北方車輛研究所，北京 100081）

介紹了幾種常見的無(wú)熱化設(shè)計(jì)方法，并對(duì)衍射元件在無(wú)熱化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行了重點(diǎn)分析。針對(duì)衍射元件在光學(xué)被動(dòng)式消熱差系統(tǒng)中的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一種長(zhǎng)波紅外折衍混合消熱差系統(tǒng)。設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)在－40℃～＋70℃范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了消熱差和消色差，像質(zhì)較好，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，實(shí)用性強(qiáng)。

紅外光學(xué)系統(tǒng)；無(wú)熱化；被動(dòng)補(bǔ)償；衍射元件；折衍混合光學(xué)系統(tǒng)

0 引言

近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，紅外光學(xué)系統(tǒng)被越來(lái)越多的應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，尤其是在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用更加廣泛。

通常設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)只考慮在常溫下的使用，并未對(duì)其他溫度時(shí)的光學(xué)性能做出分析。而現(xiàn)代惡劣的戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境往往要求光學(xué)系統(tǒng)能夠在一個(gè)很寬的溫度范圍內(nèi)有穩(wěn)定的光學(xué)性能，典型的溫度變化范圍為－40℃～＋70℃。環(huán)境溫度的改變對(duì)可見光光學(xué)系統(tǒng)的影響很小，但是對(duì)紅外光學(xué)系統(tǒng)的影響卻十分嚴(yán)重。因?yàn)榧t外光學(xué)系統(tǒng)所使用的光學(xué)材料有很高的熱膨脹系數(shù)，對(duì)溫度的改變非常敏感。隨著環(huán)境溫度的改變，紅外光學(xué)材料的折射率，光學(xué)元件的曲率半徑、厚度，機(jī)械元件結(jié)構(gòu)等等都會(huì)發(fā)生很大的變化，將直接導(dǎo)致紅外光學(xué)系統(tǒng)的焦距改變、像面偏移、成像質(zhì)量惡化等問(wèn)題。因此，設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)紅外光學(xué)系統(tǒng)時(shí)必須考慮到溫度變化對(duì)于系統(tǒng)像質(zhì)的影響，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)熱化設(shè)計(jì)[1-2]。

目前常用的紅外光學(xué)系統(tǒng)的無(wú)熱化技術(shù)主要分為3大類[3-4]：機(jī)械被動(dòng)式補(bǔ)償；機(jī)電主動(dòng)式補(bǔ)償；光學(xué)被動(dòng)式補(bǔ)償。其中，光學(xué)被動(dòng)式補(bǔ)償系統(tǒng)因其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、光軸穩(wěn)定、無(wú)需供電等優(yōu)點(diǎn)，得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

在光學(xué)被動(dòng)式補(bǔ)償設(shè)計(jì)中，傳統(tǒng)的折射系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)熱化設(shè)計(jì)非常困難。隨著衍射元件加工工藝的日益成熟，衍射光學(xué)元件獨(dú)特的溫度特性被廣泛應(yīng)用到紅外光學(xué)系統(tǒng)的無(wú)熱化設(shè)計(jì)中。下面對(duì)衍射元件在無(wú)熱化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行分析。

1 折/衍混合紅外系統(tǒng)的熱特性分析

光學(xué)元件的光熱膨脹系數(shù)即單位溫度變化所引起的光焦度的相對(duì)變化，它是決定光學(xué)元件溫度特性的一個(gè)重要參數(shù)，具體表示為[4-5]：

式中：x為光學(xué)元件的光熱膨脹系數(shù)；￠為光學(xué)元件的焦距；d￠為光學(xué)元件焦距的改變值；為溫度；為光學(xué)元件的光焦度；d為光學(xué)元件光焦度的改變值。

折射元件的光熱膨脹系數(shù)為：

衍射元件的光熱膨脹系數(shù)為：

由公式(2)和(3)可以看出，折射元件的光熱膨脹系數(shù)主要由以下2方面因素決定：透鏡材料的熱膨脹系數(shù)、折射率溫度變化系數(shù)。而衍射元件的光熱膨脹系數(shù)只是由基底材料的熱膨脹系數(shù)決定，與材料的折射率無(wú)關(guān)，而且折射元件和衍射元件的光熱膨脹系數(shù)符號(hào)相反，這一特性非常有利于紅外系統(tǒng)熱差的校正，減小了紅外系統(tǒng)無(wú)熱化設(shè)計(jì)的難度。

此外，衍射光學(xué)元件的色散值總為負(fù)值，而折射元件的色散值總為正值，正負(fù)組合有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的消色差。

因此，在折射光學(xué)系統(tǒng)中引入衍射面，形成含有衍射元件的折/衍混合光學(xué)系統(tǒng)（HOS），利用衍射光學(xué)元件負(fù)的色散系數(shù)和正的溫度特性，可以有效地突破傳統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)的局限性，設(shè)計(jì)出具有較好溫度穩(wěn)定性的高質(zhì)量的紅外折/衍混合光學(xué)系統(tǒng)。

在折衍混合光學(xué)系統(tǒng)的消熱差設(shè)計(jì)中經(jīng)常用到歸一化熱差系數(shù)和歸一化色差系數(shù)。對(duì)幾種常用的長(zhǎng)波紅外材料的折衍、值進(jìn)行歸納總結(jié)列于表1中[6]。

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)做出其相應(yīng)的折衍-圖，如圖1所示，同一種光學(xué)材料構(gòu)成的折射元件和衍射元件可以當(dāng)成兩種不同的材料來(lái)使用。

圖1 長(zhǎng)波紅外材料的折衍T-C圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

下面根據(jù)折衍混合系統(tǒng)的消熱差原理設(shè)計(jì)一款用于長(zhǎng)波紅外（LWIR）的光學(xué)被動(dòng)式消熱差物鏡。系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)見表2。

對(duì)于光學(xué)被動(dòng)式消熱差系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)時(shí)必須同時(shí)滿足光焦度、校正色差和消熱差的要求，即必須滿足以下3個(gè)公式[7]：

表1 長(zhǎng)波紅外材料的折衍T、C值

表2 LWIR消熱差物鏡技術(shù)指標(biāo)

式中：Db代表不同波長(zhǎng)系統(tǒng)后焦距的變化值；m為機(jī)械結(jié)構(gòu)的熱膨脹系數(shù)。

由上述公式可知，要使得光學(xué)系統(tǒng)消熱差，就必須要使得光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生的離焦量同外部機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的離焦量相互補(bǔ)償，從而使得整個(gè)系統(tǒng)不產(chǎn)生離焦，實(shí)現(xiàn)清晰成像。

由-圖可以看出，Ge、Ge衍射面、硫系玻璃構(gòu)成的三角形面積較大，有利于紅外系統(tǒng)的消熱差。所以本系統(tǒng)選用Ge、GaSIR2材料的折衍組合，實(shí)現(xiàn)紅外系統(tǒng)無(wú)熱化設(shè)計(jì)。

通過(guò)計(jì)算初始結(jié)構(gòu)，再利用ZEMAX軟件進(jìn)行優(yōu)化，得到光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。整個(gè)系統(tǒng)的尺寸為44mm(D)×100mm(L)。

圖2 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

整個(gè)系統(tǒng)由3片單透鏡組成，分別為Ge、GaSIR2、Ge，光闌位于第一面上。其中GaSIR2透鏡的第一面為二次曲面，二次曲面系數(shù)為－0.28。第一片Ge透鏡的第二面為衍射面，衍射面采用的徑向?qū)ΨQ的位相分布，衍射面設(shè)計(jì)的最小半徑間隔為0.79mm。其相位圖如圖3所示，從相位圖可知，每毫米的最大加工周期為1.3，現(xiàn)在的加工工藝完全可以實(shí)現(xiàn)。

圖3 衍射面相位圖

折衍混合消熱差物鏡在常溫下的性能評(píng)價(jià)函數(shù)如圖4所示。圖4(a)為在特征頻率29.5lp/mm時(shí)的MTF值，整個(gè)視場(chǎng)的MTF＞0.5。圖4(b)為系統(tǒng)的點(diǎn)列圖。點(diǎn)列圖中各視場(chǎng)的RMS均小于17mm。系統(tǒng)像質(zhì)滿足技術(shù)指標(biāo)和應(yīng)用要求。

按照光學(xué)系統(tǒng)像差的瑞利判據(jù)，熱差引起的系統(tǒng)最大波像差應(yīng)該小于1/4波長(zhǎng)，即系統(tǒng)允許的最大殘余熱差Dr應(yīng)與系統(tǒng)焦深相同：

Dr≤±2F2(7)

式中：為入射波長(zhǎng)；為系統(tǒng)的F數(shù)。

分析折衍混合消熱差物鏡在各溫度下的后截距，具體數(shù)據(jù)如表3所示。數(shù)據(jù)證明，該系統(tǒng)在－40℃～＋70℃范圍內(nèi)引起的最大離焦量為2mm，小于系統(tǒng)的焦深±20mm，即已完全實(shí)現(xiàn)了消熱差，可以實(shí)現(xiàn)寬溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定、清晰的成像。

表3 紅外系統(tǒng)熱分析數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的折衍混合消熱差系統(tǒng)在－40℃～＋70℃范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了消熱差，可以在極寒、極熱的嚴(yán)酷工作環(huán)境中使用。而且整個(gè)系統(tǒng)所使用的透鏡數(shù)量?jī)H為3片，透鏡材料為2種。與折射式光學(xué)被動(dòng)式消熱差系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)所使用的透鏡數(shù)量少，材料種類少，整個(gè)系統(tǒng)重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成像質(zhì)量好。隨著對(duì)紅外系統(tǒng)使用要求的不斷提高和衍射元件加工工藝的不斷進(jìn)步，折衍混合系統(tǒng)在紅外無(wú)熱化系統(tǒng)中的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛。

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Hybrid Refractive/Diffractive Optics￠Application in the Athermalization

LIN Qing，WANG Kun，LIN Can，WEI Min，LIU Qian

（，100081，）

This paper introduces several athermalization design methods, and the application of diffractive elements in athermalization is the focus of the analysis. For the application of diffractive elements in the optical passive athermalization, the paper designs an athermalized infrared system in long-wave with refractive and diffractive elements. The optical system realizes athermalization and achromatism, which can work stably at the temperature range from－40℃ to＋70℃. The image quality of the system is better, and the structure is simple, compact and practical.

infrared optical system，athermalization，passive optical athermalization，diffractive element，hybrid refractive/diffractive optics

TN216

A

1001-8891(2015)06-0502-04

2014-12-17；

2015-3-12.

林青（1987-），女，碩士研究生，工程師，主要研究方向?yàn)榧t外光學(xué)技術(shù)研究。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助課題，編號(hào)：61305018；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助課題，編號(hào)：70971052。