非制冷中波红外光学系统精简无热化设计

陈炳旭，牟达，林鹤，杨旭，高佳旭

（1.长春理工大学 光电工程学院，长春 130022；2.长春理工大学 光电测控与光信息传输技术教育部重点实验室，长春 130022）

随着红外技术的发展，越来越多的红外热成像系统应用到军事、航天、航空、检测、监控等各个领域。对比制冷型热成像系统来说，非制冷型系统的使用寿命、体积、价格和功耗有很大优势，使用范围也更加广泛。但是红外材料的折射率、透镜的曲率半径与中心厚度、透镜之间空气间隔等系统的一些参数会在不同的温度下发生相应改变，导致系统的最佳像面发生偏离，成像质量和对比度下降。采用无热化原理设计光学系统可以消除温度变化的影响，可以使系统工作性能和成像质量在一个较大的温度范围内保持良好的状态[1]。

基于非制冷红外探测器，苏州大学的刘琳等设计了用于对地观测的大相对孔径中波红外光学系统。为了适应空间环境温度变化，其系统采用了结构简单、可靠性好的被动消热差光学系统以及折衍混合光学元件，以达到减轻系统体积和重量的目的。但折衍混合光学元件受其加工和检测技术的限制，并没有得到广泛应用。

本文所设计的非制冷型中波红外光学系统仅采用两种常见的红外材料硅和锗，通过正负透镜合理搭配，且全部为球面面型的光学元件，四片式的结构形式，有效降低了能量损耗和加工成本，且在-40℃～60℃温度范围内像质优良[2]。

1 光学系统无热化的工作原理及方法

机电主动补偿法、机械被动补偿法和光学被动补偿法是目前常用的三种无热化设计方法。机电主动补偿法主要通过改变系统光学透镜的轴向位移来补偿像面热漂移，由于系统中增添了机械调焦机构和温测反馈系统，导致系统整体体积繁重、结构冗杂、造价较高。机械被动补偿法是用镜筒的热膨胀代替主动补偿中的机械调焦结构，但镜筒与镜组材料热膨胀系数很难匹配，因此机械被动补偿不具有普遍适用性[3]。

光学被动补偿法利用不同光学材料的光焦度和热特性差异，匹配相应的光学透镜组，在温度变化时，使整个光学系统像面离焦量与镜筒材料引起的离焦量互相补偿。为了满足系统无热化性能，光焦度分配方程（1）、消色差方程（2）和消热差方程（3）。

其中：φi为各个透镜的光焦度；φ为系统总光焦度；vi为各个透镜的阿贝数；χi为各个透镜的热膨胀系数；aH为镜筒的热膨胀系数。

相比前两种无热化光学设计方式，光学被动补偿法不需要加入额外的机械结构，使整体光机结构相对简单、尺寸小、质量轻，工作时不需供电、系统具有良好的可靠性，所以本文选择光学被动补偿方法[4]。

2 中波红外光学系统设计

2.1 光学系统设计参数

按照系统要求，该中波红外光学系统的主要设计指标如表1所示。

表1 光学系统设计参数

2.2 设计思路

设计思路大致可分为三步：首先，保证系统结构在常温（20℃）时结构和像质良好；其次，在-40℃～60℃的温度范围内，利用zemax软件进行分析，每隔20℃设置一个温度结构作为代表；最后，利用无热化设计原理，弱化系统对温度改变的影响，平衡像差，在要求的工作温度范围使光学系统具有良好的成像质量。

2.3 材料的选择

根据前面的公式（1）、（2）和（3），选择合适的红外材料适当匹配正负透镜光焦度，以达到消色差和热差的目的。单晶锗的性能稳定，在红外中波3～5μm波段有较好的透过率，硅是一种化学惰性材料，其硬度高，导热性好，在红外中波3～5μm波段有很好的透光性能。

（1）光焦度匹配

在中红外波段，为了合理分配光焦度，负光焦度元件常采用锗，正光焦度元件常采用硅，相当于可见光系统中胶合透镜的火石玻璃和冕牌玻璃，这样就可以利用这两种材料的性能匹配来满足系统所需的光焦度。

（2）消色差

光学系统消色差的方法是通过组合阿贝数相差较大的材料，系统中所选的硅和锗在中波时的阿贝数vi分别为237.8和107.2，阿贝数相差较大，通过材料匹配能够有效校正色差。锗的折射率较高，硅的折射率略低于锗，属于高折射率低色散材料，这也对其他像差的校正也十分有利。

（3）消热差

在温度变化较大的条件下，锗的折射率随温度的变化系数dn/dt是普通玻璃的约100倍，为保证成像质量需对系统进行无热化设计。在无热化设计消热差过程，我们采用组合热差系数相差较大的材料的方法，来消除系统热差。系统中采用的硅和锗的热差系数分别为7.03×10-5和12.5×10-5，利用二者组合，再结合镜筒材料选择的是热膨胀系数较小的钛合金TC4，最终有效消除了热差对系统成像质量的影响[5]。

2.4 无热化设计结果像质分析

中波红外光学系统设计结果焦距为120mm，F数为2，视场为6°。结构紧凑、成像质量良好。在-40℃～60℃温度范围内对设计结果进行消热差分析，如下主要分析系统在201p/mm处各视场的平均MTF值的变化情况[6]。

图1、图2、图3分别为-40℃、20℃、60℃的结构和像质。

图2 20℃时的结构和像质无热化设计结果像质分析

图3 60℃时的结构和像质无热化设计结果像质分析

由图1、图2、图3可知，从-40℃～60℃的传递函数曲线均与衍射极限接近且MTF的值在20lp/mm处都大于0.7，成像质量较好。

在温度变化时，系统成像质量很差，MTF图像有明显下滑，如下图4和图5分辨是-40℃和60℃的传递函数图像。

图4 -40℃的像质消热差之前的像质图像

图5 60℃的像质消热差之前的像质图像

经光学补偿后，光学系统的离焦量在-40℃时为-4μm，60℃时为 3μm，光学系统的焦深是：±2λ(f#)2=32μm，故无热化设计后的光学系统在-40℃～60℃温度范围内，离焦量在1倍焦深范围内，满足无热化设计要求[7]。

3 结论

根据光学系统的指标，基于像差理论和光学被动式无热化设计方法，选择合适的初始结构，对其进行无热化设计和优化，将光机结构材料进行合理的搭配，在消热差同时进行像差平衡，设计出了一种仅仅由四片常用材料的透镜组成的中波红外非制冷型消热差光学系统，光学元件半径厚度合理，不仅提高了加工可行性还减少了对红外光线的吸收，系统成像质量良好、适应温度范围较宽，可以在中波红外光学无热化光学系统中广泛应用。