双波段透射式红外无热化光学系统设计

黄辰旭

（中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所，河南 洛阳 471000）

0 引言

目前，常采取长波波段对空迎头进行探测，而飞机发动机等高温目标的主要辐射波长为3～5µm，且在湿度较大的环境中，长波透过率低，无法满足高湿热环境中的使用要求。中波波段适合在空尾后、高湿度环境中进行探测，且分辨率高，但中波红外光谱的辐射度较低。可采用基于中波红外和长波红外组合的双波段探测系统来实现信息互补，从而增加探测的信息量，并提高探测的准确性。

传统的红外双波段系统多采用折衍射混合设计或中波、长波分光路设计，存在系统体积大、难以重量化、成本高等问题，无法满足新一代机载红外搜索跟踪系统具有长焦距、高分辨率、体积紧凑、成像良好的设计要求［1-7］。

双波段无热化光学系统设计有以下3 个难点。①宽波段系统设计。由于光学材料有限，材料的搭配较为困难，且宽波度、大色散导致色差难以校正，而大像高导致像面噪声的均匀性难以保证。②双波段公差设计。复杂的双色耦合公差要同时校正，且双色耦合调整量要保持一致，同时受到严格的空间尺寸限制。③双波段无热化设计。机载温度范围一般为-55～70 ℃［8］，要想在125 ℃宽温度范围内使性能得到保证，就要确保红外材料折射率温度系数（dn∕dt）的敏感性较高。

1 双波段无热化方案分析

温度变化时，光学零件的曲率、厚度、间隔及光学材料的折射率都将会发生变化。这些因素的变化都将导致系统焦距发生改变，同时封装光学系统结构的材料尺寸也会随着温度的变化而发生变化。当两种变化不一致时，会导致系统的焦距进一步发生改变。由于红外材料折射率温度系数（dn∕dt）的敏感性较高，环境温度变化会对红外系统产生严重的影响。为了确保光学系统在-55～70 ℃范围保持成像清晰，在对红外成像系统进行设计时，可加入主动或被动补偿结构，用来补偿温度变化对系统性能产生的影响。

由于红外光学材料的折射率对温度变化很敏感，当系统所处的环境温度发生变化时，会导致光学系统的焦面与探测器靶面不重合，从而造成图像质量下降，严重时甚至不能成像。为提高机载红外系统的环境适应性，采用无热化设计来消除或降低温度对成像质量的影响。热效应是影响红外光学系统性能的重要因素，因此，研究如何在相当大的温度范围内具有稳定可靠的成像质量，对提高红外光电系统的作战效能具有重要意义。

目前，光学系统无热化方法可大致分为3 种。①机械被动式。利用对温度敏感的机械材料或记忆合金，使一个或一组透镜产生轴向位移，用来补偿因温度变化而引起的像面位移。该方法不能校正因热效应导致的像差失衡，即使能补偿最佳像面的位置移动，也很难维持原来的成像质量。这种方法额外增加机械补偿部件，使得系统的体积变大、质量增加［9］。②电子主动式。利用温度传感器测出温度的变化量，然后计算出因温度变化而引起的像面位移，借助电机驱动透镜来产生轴向位移，从而实现补偿效果。该方法使用大量温度传感器，能处理系统温度的梯度变化，并能准确求解出温度与像面位移的关系，但不能维持原有的像差平衡，还会用到电源、电子线路、驱动电机等设备，导致系统的可靠性下降，且这些部件还会占用一定的空间。③光学被动式。利用光学材料的热特性差异，通过不同特性材料的合理组合来消除温度产生的影响，从而获得无热效果。该方法具有结构相对简单、尺寸小、质量轻、无须供电、系统可靠性好等优点，其综合效率最高。

作为机载航电设备，光电系统的可靠性是衡量其性能的重要指标之一。光学被动式无热化技术只需选择恰当的光学和结构材料组合，合理分配焦距，使光学元件产生的离焦与机械结构产生的离焦相互补偿，从而使整个系统的热离焦量在允许范围内，最终实现无热化。

目前，国内的红外光电系统多采用电子主动式补偿热离焦，会使用大量温度传感器，导致可靠性降低、体积变大、质量变重，不符合机载设备小型化、轻量化的发展要求。光学被动式无热化技术是利用光学材料热特性间的差异，通过不同特性材料的合理组合来消除温度产生的影响，从而获得无热效果的。将该技术应用于机载光电系统中，能大大提高人机功效和捕获目标的能力，从而提高战机的生存能力。因此，对红外光学系统光学被动无热化技术的理论和方法进行研究，主要对红外光学系统光学被动无热化设计和双波段红外光学系统的无热化设计进行研究，从而为红外系统的研制提供支撑。

2 光学布局方案分析

由于该系统的焦距为320 mm，且采用制冷型探测器，系统的孔径光阑位于探测器内部靠近像面，采取二次成像构型，尺寸为300 mm（L）×260 mm（W）×200 mm（H）。由于系统空间小，对卡式光学系统、透射式光学被动无热化、透射式机械被动无热化这3种方案进行研究。

2.1 卡式光学系统

卡式光学系统布局如图1 所示。系统的主镜和次镜均采用非球面，后端透镜采用红外IG4 玻璃、单晶锗、硫化锌、硒化锌等材料进行无热化设计，次镜到像面的距离为180 mm。该方案具有体积小、装调简单等优点，但卡式次镜会遮拦20%的能量，使总体透过率降低，从而导致系统公差较差。

图1 卡式光学系统布局

2.2 透射式光学被动无热化

透射式光学被动无热化系统是通过光学材料与结构件的匹配来实现无热化设计的，系统布局如图2 所示。该系统共有8 片透镜、2 片折转镜，系统主镜组的材料为硫化锌和单晶锗，且系统空间尺寸可满足系统要求，但系统的光学镜片数量较多，透过率较低。

图2 透射式光学被动无热化系统布局

2.3 透射式机械被动无热化

为实现光学系统在-40～60 ℃保持成像清晰的要求，对光学系统进行无热化设计。无热化包括3 个方面。①合理选择透镜的光学材料。合理分配各个透镜光焦度的大小，利用CODEV 软件进行优化，在平衡像差的同时，消除由环境温度变化引起的热离焦。②合理选择结构材料。光学系统的优化是在特定膨胀系数的结构件下进行的，可对材料线膨胀系数进行匹配。③系统装调的合理性。

上述3 种方案的对比见表1。通过对比分析可知，本研究选用透射式布局来实现双波段系统无热化设计。

表1 3种方案对比

3 双波段无热化光学系统设计

3.1 设计参数

中长波双波段无热化光学系统的设计参数见表2。

表2 光学系统设计参数

3.2 设计方案

3.2.1 红外光学系统设计方案。使用CODEV光学设计软件来完成红外系统的设计。系统采用的是二次成像系统透射式共光路结构，焦距为320 mm、F数为2。红外光学系统布局如图3所示，红外系统结构模型如图4所示。该系统共有6片透镜，其中，硒化锌1 片、硫化锌2 片、锗1 片、硫系玻璃IG4 2片。共有5个非球面分布在3片锗透镜上，其余为球面。6片透镜构成的镜头总长为480 mm。该系统的尺寸要求为300 mm（L）×260 mm（W）×200 mm（H）。

图3 红外光学系统布局

图4 红外系统结构模型

3.2.2 红外光学系统无热化设计。双波段红外光学系统为折射透镜系统，温度的变化会导致系统透镜的折射率和透镜间隔等发生变化，最终导致焦面位置发生变化。根据总体设计要求，镜头要在较宽温度范围内（-55～70 ℃）能正常工作。因此，采用被动补偿法进行消热补偿，通过调整镜筒结构使各片镜片间的空气间隔发生变化，从而降低透镜折射率变化对焦面的影响。

镜筒和补偿层结构示意如图5 所示。镜筒结构和补偿层活动环材料为6061 铝合金（膨胀系数约2.2×10-51∕℃）、中间温度补偿层的材料为尼龙6（膨胀系数约为8.0×10-51∕℃），进行反向消热驱动，通过与光学系统配合来共同实现消热差。温度为-55 ℃时，调焦量为0.246 8 mm；温度为70 ℃时，调焦量为0.164 5 mm，计算得到尼龙与铝镜筒的重叠部分长度为91.3 mm。

图5 镜筒和补偿层结构示意

为确保补偿时透镜不发生偏心和倾斜，并保证其具有足够的力学抗振动能力，补偿层活动环两端均套在相应的孔内，进行直线滑动导向。

3.3 仿真分析

当温度为20 ℃、-55 ℃和70 ℃时，红外两个波段光学系统在21 lp∕mm 处的调制传递函数（MTF）见表3，中长波双波段光学传递函数如图6所示。

表3 中长波在各温度下传递函数

图6 中长波双波段光学传递函数

中长波双段光学传递函数在20 ℃时的所有视场均大于0.45、-55～+70 ℃内的所有视场均大于0.4。

长、中波光学系统20 ℃、-55 ℃及70 ℃下的能量汇聚度如图7所示。

图7 长、中波光学系统20 ℃、-55 ℃及70 ℃下能量汇聚度

由图7可知，常温RMS弥散斑直径在24µm内，Φ24µm内的能量汇聚度在63%以上。高低温最大RMS 弥散斑直径满足一个像元尺寸要求，Φ24 µm内能量汇聚度在58%以上。

4 结语

红外双波段共光路光学被动无热化设计对材料的要求比单一波段的要更为严格，两个波段的通透红外材料只有锗、硫化锌、硒化锌、硫系玻璃。在不同波段下，材料的折射率、色散系数存在较大差异，要使两个波段的焦点在焦平面上重合，且在不同温度下都要保持焦点聚焦在探测器焦平面上，设计难度较大。

在单一波段光学被动无热化设计的基础上，通过深入分析双波段无热化的设计理论和设计方法，为双波段无热化设计奠定基础。本研究提出一种结合镜筒结构件热膨胀系数存在的差异与合理设置光学参数，来共同实现消热差的思路，为实现双波段红外光学系统的小型化、轻量化提供技术参考，可广泛应用于机载光电探测设备中，从而发挥识别伪装、消除干扰等优势。