双视场红外光学系统被动无热化设计

王 铮，王 政

(中国空空导弹研究院，河南洛阳471003)

1 引言

光学仪器(尤其是军用光学仪器)经常工作在温度变化范围比较大的环境中，光学材料、机械材料的热膨胀系数以及光学材料折射率随温度的变化都将严重地影响光学系统的性能［1］。

为了保证红外系统在给定温度范围内正常工作，消除温度对成像质量的影响，必须对红外光学系统进行消热差设计［2］。红外成像系统无热化设计主要有机械被动式、机械主动式和光学被动式3种方法［3］。机械式无热化设计采用轴向移动的透镜组或外加控制系统和调焦机构进行热补偿，导致系统机构复杂、精度差，可靠性低。光学被动式无热化设计通过匹配光学材料的温度折射系统、线膨胀系统等，实现光学系统的无调焦设计，具有结构简单、光轴稳定、系统可靠性高和稳定性好等优点，其综合效率最高［4－6］。

2 光学被动无热化原理

光学被动式无热化设计是利用光学材料和结构材料的热效应之间的差异，通过不同材料之间的合理组合和分配光焦度，使光学系统在工作环境温度范围内的温度焦移相互补偿或抵消，保证光学系统成像位置的稳定，从而保持良好的成像质量。光学被动式无热化系统应满足以下三个方程:

光焦度分配要求:

消轴向色差要求:

消热差要求:

式中，hi为第一近轴光线在各透镜组的高度;Фi为各个透镜组的光焦度;Ф为系统的总光焦度;ωi为每个光学元的色散因子;Хi为光热膨胀系数;ah为机械结构的线膨胀系数;L为机械结构件的长度。

由于红外材料的折射率温度系数非常大，折射元件的光热膨胀系数一般为负值。而衍射元件的光膨胀系数只与材料的膨胀系数有关，始终为正值，可补偿折射元件因温度产生的离焦。因此折衍射混合光学系统通过选择光学和结构材料组合，合理分配焦距，使材料的色散因子和光膨胀系数同时满足以上要求，易于在较宽温度范围内实现良好的像质。

3 设计实例

为了兼顾作用距离和捕获跟踪概率，机载红外光学系统普遍采用多档变倍形式，其中以两档或三档变倍形式为普遍［7－8］。本设计通过切换光学系统的相关透镜组来改变光学系统的焦距值，实现两档变倍;通过使用具有不同温度折射率系统的正负透镜组合，实现了红外光学系统被动无热化设计。

3．1 光学系统指标

在双视场红外学系统的设计中，采用的是法国Sofradir公司生产的中波320×256凝视焦平面阵列探测器，探测器像元尺寸为30μm×30μm。光学系统设计指标如表1所示。

表1 光学系统设计参数Tab．1 Design parameters of the optical systen

3．2 视场切换方式

红外视场变倍光学系统的实现方式分径向切换式、轴向切换式和旋转切换式。

旋转切换式变倍机构绕垂直于系统光轴的回转轴旋转，使得变倍镜组切入或切出光学系统，从而实现视场切换。轴向切换方式变倍运动机构通过轴向移动透镜组改变系统焦距实现视场切换。径向切换式变倍机构是将变倍镜组沿着垂直系统光轴的方向平移，切入或切出光学系统，实现视场切换。径向切换式变倍机构易于校正像差，有利于提高透过率，易于实现双视场光学被动无热化设计，在双视场或三视场变倍光学系统中经常使用［9］。本设计采用径向切换式变倍机构，实现两档视场切换。

3．3 设计结果

对纯折射式红外系统实现光学被动式热补偿时，通过改变曲率半径和使用不同光学材料来矫正热差和色差，至少需要选择3种或3种以上材料。但红外波段可使用的材料非常有限，设计时光学系统透镜材料选用的性能稳定的中波红外材料Ge、Si和ZnSe完成光学设计，根据材料和光焦度合理配合，使红外材料的色散因子和热膨胀系统同时满足系统消热差和消色差的条件，即可实现高度消热差。

表2 常用红外材料的性能参数表Tble 2 Performance parameters of common infrared materials

为了满足100%的孔径效率，探测器杜瓦中的冷光阑应作为光学系统的孔径光阑与出瞳进行处理。由于系统的焦距较长以及系统窄视场的孔径较大，光学系统采用二次成像的结构形式，以提高系统的孔径效率。设计时，先通过求解式(1)～(3)得到系统的初始结构，然后利用CODE V软件对其进行优化设计，最终得到光学系统的结构如图1所示。

图1 光学系统示意图Fig．1 Schematic drawing of optical system

正透镜采用硅材料，其较高的折射率和较低的色散有利于像差校正;负透镜采用锗材料，其折射率和色散高于硅，在系统中可消除色差，并平衡轴上像差，同时其较大的折射率温度系统也可降低下透镜造成的热离影响;硒化锌因较小的折射率温度系统和较低的色散，主要起校正系统色差和平衡残余热差的作用。确定图1中，视场切换镜组采用Si、Ge、ZnSe、Si四块透镜搭配，固定镜组采用 Si、Ge、Si三块透镜搭配。

镜筒材料选用铝合金，线膨胀系数 23．6×10－6/℃。连接固定镜组和探测器的结构件采用热膨胀系数小的铟钢，线膨胀系统1．6×10－6/℃。

3．4 光学设计指标

3．4．1 传递函数

传递函数是光学系统像质评价的重要评价手段。本设计中窄视场和宽视场在不同温度下的传递函数曲线及数值分别如图2、图3所示。从图中数据可以看出，窄、宽视场的传递函数值在全温度范围内均大于0．67(17 lp/mm)，能够保证光学系统在全温度范围内成像质量优良。

图2 光学系统MTF曲线(窄视场)Fig．2 The MTF curves of optiead system(Narrow field of view)

图3 光学系统MTF曲线(宽视场)Fig．3 The MTF curves of optiead system(Wide field of view)

3．4．2 能量分布

窄视场和宽视场的能量分布曲线如图4和图5所示。从图中可以看出，在全温度范围内，窄视场、宽视场集中在探测器的一个面元内的能量优于70%，较好地满足了系统的需求。

图4 能量图(窄视场)Fig．4 The energy drawing(Narrow field of view)

图5 能量图(宽视场)Fig．5 The energy drawing(Wide field of view)

4 结语

本文采用径向切入出镜组实现两档变倍形式，并利用衍射光学元件实现了红外光学系统被动无热化设计，在全温度范围(－40℃ ～+60℃)内获得了优良的像质，满足了系统的性能指标要求。

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