黃辰旭

（中國航空工業(yè)集團公司洛陽電光設備研究所，河南 洛陽 471000）

0 引言

目前，常采取長波波段對空迎頭進行探測，而飛機發(fā)動機等高溫目標的主要輻射波長為3～5μm，且在濕度較大的環(huán)境中，長波透過率低，無法滿足高濕熱環(huán)境中的使用要求。中波波段適合在空尾后、高濕度環(huán)境中進行探測，且分辨率高，但中波紅外光譜的輻射度較低?？刹捎没谥胁t外和長波紅外組合的雙波段探測系統(tǒng)來實現(xiàn)信息互補，從而增加探測的信息量，并提高探測的準確性。

傳統(tǒng)的紅外雙波段系統(tǒng)多采用折衍射混合設計或中波、長波分光路設計，存在系統(tǒng)體積大、難以重量化、成本高等問題，無法滿足新一代機載紅外搜索跟蹤系統(tǒng)具有長焦距、高分辨率、體積緊湊、成像良好的設計要求［1-7］。

雙波段無熱化光學系統(tǒng)設計有以下3 個難點。①寬波段系統(tǒng)設計。由于光學材料有限，材料的搭配較為困難，且寬波度、大色散導致色差難以校正，而大像高導致像面噪聲的均勻性難以保證。②雙波段公差設計。復雜的雙色耦合公差要同時校正，且雙色耦合調整量要保持一致，同時受到嚴格的空間尺寸限制。③雙波段無熱化設計。機載溫度范圍一般為-55～70 ℃［8］，要想在125 ℃寬溫度范圍內使性能得到保證，就要確保紅外材料折射率溫度系數(shù)（dn∕dt）的敏感性較高。

1 雙波段無熱化方案分析

溫度變化時，光學零件的曲率、厚度、間隔及光學材料的折射率都將會發(fā)生變化。這些因素的變化都將導致系統(tǒng)焦距發(fā)生改變，同時封裝光學系統(tǒng)結構的材料尺寸也會隨著溫度的變化而發(fā)生變化。當兩種變化不一致時，會導致系統(tǒng)的焦距進一步發(fā)生改變。由于紅外材料折射率溫度系數(shù)（dn∕dt）的敏感性較高，環(huán)境溫度變化會對紅外系統(tǒng)產(chǎn)生嚴重的影響。為了確保光學系統(tǒng)在-55～70 ℃范圍保持成像清晰，在對紅外成像系統(tǒng)進行設計時，可加入主動或被動補償結構，用來補償溫度變化對系統(tǒng)性能產(chǎn)生的影響。

由于紅外光學材料的折射率對溫度變化很敏感，當系統(tǒng)所處的環(huán)境溫度發(fā)生變化時，會導致光學系統(tǒng)的焦面與探測器靶面不重合，從而造成圖像質量下降，嚴重時甚至不能成像。為提高機載紅外系統(tǒng)的環(huán)境適應性，采用無熱化設計來消除或降低溫度對成像質量的影響。熱效應是影響紅外光學系統(tǒng)性能的重要因素，因此，研究如何在相當大的溫度范圍內具有穩(wěn)定可靠的成像質量，對提高紅外光電系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能具有重要意義。

目前，光學系統(tǒng)無熱化方法可大致分為3 種。①機械被動式。利用對溫度敏感的機械材料或記憶合金，使一個或一組透鏡產(chǎn)生軸向位移，用來補償因溫度變化而引起的像面位移。該方法不能校正因熱效應導致的像差失衡，即使能補償最佳像面的位置移動，也很難維持原來的成像質量。這種方法額外增加機械補償部件，使得系統(tǒng)的體積變大、質量增加［9］。②電子主動式。利用溫度傳感器測出溫度的變化量，然后計算出因溫度變化而引起的像面位移，借助電機驅動透鏡來產(chǎn)生軸向位移，從而實現(xiàn)補償效果。該方法使用大量溫度傳感器，能處理系統(tǒng)溫度的梯度變化，并能準確求解出溫度與像面位移的關系，但不能維持原有的像差平衡，還會用到電源、電子線路、驅動電機等設備，導致系統(tǒng)的可靠性下降，且這些部件還會占用一定的空間。③光學被動式。利用光學材料的熱特性差異，通過不同特性材料的合理組合來消除溫度產(chǎn)生的影響，從而獲得無熱效果。該方法具有結構相對簡單、尺寸小、質量輕、無須供電、系統(tǒng)可靠性好等優(yōu)點，其綜合效率最高。

作為機載航電設備，光電系統(tǒng)的可靠性是衡量其性能的重要指標之一。光學被動式無熱化技術只需選擇恰當?shù)墓鈱W和結構材料組合，合理分配焦距，使光學元件產(chǎn)生的離焦與機械結構產(chǎn)生的離焦相互補償，從而使整個系統(tǒng)的熱離焦量在允許范圍內，最終實現(xiàn)無熱化。

目前，國內的紅外光電系統(tǒng)多采用電子主動式補償熱離焦，會使用大量溫度傳感器，導致可靠性降低、體積變大、質量變重，不符合機載設備小型化、輕量化的發(fā)展要求。光學被動式無熱化技術是利用光學材料熱特性間的差異，通過不同特性材料的合理組合來消除溫度產(chǎn)生的影響，從而獲得無熱效果的。將該技術應用于機載光電系統(tǒng)中，能大大提高人機功效和捕獲目標的能力，從而提高戰(zhàn)機的生存能力。因此，對紅外光學系統(tǒng)光學被動無熱化技術的理論和方法進行研究，主要對紅外光學系統(tǒng)光學被動無熱化設計和雙波段紅外光學系統(tǒng)的無熱化設計進行研究，從而為紅外系統(tǒng)的研制提供支撐。

2 光學布局方案分析

由于該系統(tǒng)的焦距為320 mm，且采用制冷型探測器，系統(tǒng)的孔徑光闌位于探測器內部靠近像面，采取二次成像構型，尺寸為300 mm（L）×260 mm（W）×200 mm（H）。由于系統(tǒng)空間小，對卡式光學系統(tǒng)、透射式光學被動無熱化、透射式機械被動無熱化這3種方案進行研究。

2.1 卡式光學系統(tǒng)

卡式光學系統(tǒng)布局如圖1 所示。系統(tǒng)的主鏡和次鏡均采用非球面，后端透鏡采用紅外IG4 玻璃、單晶鍺、硫化鋅、硒化鋅等材料進行無熱化設計，次鏡到像面的距離為180 mm。該方案具有體積小、裝調簡單等優(yōu)點，但卡式次鏡會遮攔20%的能量，使總體透過率降低，從而導致系統(tǒng)公差較差。

圖1 卡式光學系統(tǒng)布局

2.2 透射式光學被動無熱化

透射式光學被動無熱化系統(tǒng)是通過光學材料與結構件的匹配來實現(xiàn)無熱化設計的，系統(tǒng)布局如圖2 所示。該系統(tǒng)共有8 片透鏡、2 片折轉鏡，系統(tǒng)主鏡組的材料為硫化鋅和單晶鍺，且系統(tǒng)空間尺寸可滿足系統(tǒng)要求，但系統(tǒng)的光學鏡片數(shù)量較多，透過率較低。

圖2 透射式光學被動無熱化系統(tǒng)布局

2.3 透射式機械被動無熱化

為實現(xiàn)光學系統(tǒng)在-40～60 ℃保持成像清晰的要求，對光學系統(tǒng)進行無熱化設計。無熱化包括3 個方面。①合理選擇透鏡的光學材料。合理分配各個透鏡光焦度的大小，利用CODEV 軟件進行優(yōu)化，在平衡像差的同時，消除由環(huán)境溫度變化引起的熱離焦。②合理選擇結構材料。光學系統(tǒng)的優(yōu)化是在特定膨脹系數(shù)的結構件下進行的，可對材料線膨脹系數(shù)進行匹配。③系統(tǒng)裝調的合理性。

上述3 種方案的對比見表1。通過對比分析可知，本研究選用透射式布局來實現(xiàn)雙波段系統(tǒng)無熱化設計。

表1 3種方案對比

3 雙波段無熱化光學系統(tǒng)設計

3.1 設計參數(shù)

中長波雙波段無熱化光學系統(tǒng)的設計參數(shù)見表2。

表2 光學系統(tǒng)設計參數(shù)

3.2 設計方案

3.2.1 紅外光學系統(tǒng)設計方案。使用CODEV光學設計軟件來完成紅外系統(tǒng)的設計。系統(tǒng)采用的是二次成像系統(tǒng)透射式共光路結構，焦距為320 mm、F數(shù)為2。紅外光學系統(tǒng)布局如圖3所示，紅外系統(tǒng)結構模型如圖4所示。該系統(tǒng)共有6片透鏡，其中，硒化鋅1 片、硫化鋅2 片、鍺1 片、硫系玻璃IG4 2片。共有5個非球面分布在3片鍺透鏡上，其余為球面。6片透鏡構成的鏡頭總長為480 mm。該系統(tǒng)的尺寸要求為300 mm（L）×260 mm（W）×200 mm（H）。

圖3 紅外光學系統(tǒng)布局

圖4 紅外系統(tǒng)結構模型

3.2.2 紅外光學系統(tǒng)無熱化設計。雙波段紅外光學系統(tǒng)為折射透鏡系統(tǒng)，溫度的變化會導致系統(tǒng)透鏡的折射率和透鏡間隔等發(fā)生變化，最終導致焦面位置發(fā)生變化。根據(jù)總體設計要求，鏡頭要在較寬溫度范圍內（-55～70 ℃）能正常工作。因此，采用被動補償法進行消熱補償，通過調整鏡筒結構使各片鏡片間的空氣間隔發(fā)生變化，從而降低透鏡折射率變化對焦面的影響。

鏡筒和補償層結構示意如圖5 所示。鏡筒結構和補償層活動環(huán)材料為6061 鋁合金（膨脹系數(shù)約2.2×10-51∕℃）、中間溫度補償層的材料為尼龍6（膨脹系數(shù)約為8.0×10-51∕℃），進行反向消熱驅動，通過與光學系統(tǒng)配合來共同實現(xiàn)消熱差。溫度為-55 ℃時，調焦量為0.246 8 mm；溫度為70 ℃時，調焦量為0.164 5 mm，計算得到尼龍與鋁鏡筒的重疊部分長度為91.3 mm。

圖5 鏡筒和補償層結構示意

為確保補償時透鏡不發(fā)生偏心和傾斜，并保證其具有足夠的力學抗振動能力，補償層活動環(huán)兩端均套在相應的孔內，進行直線滑動導向。

3.3 仿真分析

當溫度為20 ℃、-55 ℃和70 ℃時，紅外兩個波段光學系統(tǒng)在21 lp∕mm 處的調制傳遞函數(shù)（MTF）見表3，中長波雙波段光學傳遞函數(shù)如圖6所示。

表3 中長波在各溫度下傳遞函數(shù)

圖6 中長波雙波段光學傳遞函數(shù)

中長波雙段光學傳遞函數(shù)在20 ℃時的所有視場均大于0.45、-55～+70 ℃內的所有視場均大于0.4。

長、中波光學系統(tǒng)20 ℃、-55 ℃及70 ℃下的能量匯聚度如圖7所示。

圖7 長、中波光學系統(tǒng)20 ℃、-55 ℃及70 ℃下能量匯聚度

由圖7可知，常溫RMS彌散斑直徑在24μm內，Φ24μm內的能量匯聚度在63%以上。高低溫最大RMS 彌散斑直徑滿足一個像元尺寸要求，Φ24 μm內能量匯聚度在58%以上。

4 結語

紅外雙波段共光路光學被動無熱化設計對材料的要求比單一波段的要更為嚴格，兩個波段的通透紅外材料只有鍺、硫化鋅、硒化鋅、硫系玻璃。在不同波段下，材料的折射率、色散系數(shù)存在較大差異，要使兩個波段的焦點在焦平面上重合，且在不同溫度下都要保持焦點聚焦在探測器焦平面上，設計難度較大。

在單一波段光學被動無熱化設計的基礎上，通過深入分析雙波段無熱化的設計理論和設計方法，為雙波段無熱化設計奠定基礎。本研究提出一種結合鏡筒結構件熱膨脹系數(shù)存在的差異與合理設置光學參數(shù)，來共同實現(xiàn)消熱差的思路，為實現(xiàn)雙波段紅外光學系統(tǒng)的小型化、輕量化提供技術參考，可廣泛應用于機載光電探測設備中，從而發(fā)揮識別偽裝、消除干擾等優(yōu)勢。