雙視場紅外光學系統(tǒng)被動無熱化設計

王 錚，王 政

(中國空空導彈研究院，河南洛陽471003)

1 引言

光學儀器(尤其是軍用光學儀器)經(jīng)常工作在溫度變化范圍比較大的環(huán)境中，光學材料、機械材料的熱膨脹系數(shù)以及光學材料折射率隨溫度的變化都將嚴重地影響光學系統(tǒng)的性能［1］。

為了保證紅外系統(tǒng)在給定溫度范圍內正常工作，消除溫度對成像質量的影響，必須對紅外光學系統(tǒng)進行消熱差設計［2］。紅外成像系統(tǒng)無熱化設計主要有機械被動式、機械主動式和光學被動式3種方法［3］。機械式無熱化設計采用軸向移動的透鏡組或外加控制系統(tǒng)和調焦機構進行熱補償，導致系統(tǒng)機構復雜、精度差，可靠性低。光學被動式無熱化設計通過匹配光學材料的溫度折射系統(tǒng)、線膨脹系統(tǒng)等，實現(xiàn)光學系統(tǒng)的無調焦設計，具有結構簡單、光軸穩(wěn)定、系統(tǒng)可靠性高和穩(wěn)定性好等優(yōu)點，其綜合效率最高［4－6］。

2 光學被動無熱化原理

光學被動式無熱化設計是利用光學材料和結構材料的熱效應之間的差異，通過不同材料之間的合理組合和分配光焦度，使光學系統(tǒng)在工作環(huán)境溫度范圍內的溫度焦移相互補償或抵消，保證光學系統(tǒng)成像位置的穩(wěn)定，從而保持良好的成像質量。光學被動式無熱化系統(tǒng)應滿足以下三個方程:

光焦度分配要求:

消軸向色差要求:

消熱差要求:

式中，hi為第一近軸光線在各透鏡組的高度;Фi為各個透鏡組的光焦度;Ф為系統(tǒng)的總光焦度;ωi為每個光學元的色散因子;Хi為光熱膨脹系數(shù);ah為機械結構的線膨脹系數(shù);L為機械結構件的長度。

由于紅外材料的折射率溫度系數(shù)非常大，折射元件的光熱膨脹系數(shù)一般為負值。而衍射元件的光膨脹系數(shù)只與材料的膨脹系數(shù)有關，始終為正值，可補償折射元件因溫度產(chǎn)生的離焦。因此折衍射混合光學系統(tǒng)通過選擇光學和結構材料組合，合理分配焦距，使材料的色散因子和光膨脹系數(shù)同時滿足以上要求，易于在較寬溫度范圍內實現(xiàn)良好的像質。

3 設計實例

為了兼顧作用距離和捕獲跟蹤概率，機載紅外光學系統(tǒng)普遍采用多檔變倍形式，其中以兩檔或三檔變倍形式為普遍［7－8］。本設計通過切換光學系統(tǒng)的相關透鏡組來改變光學系統(tǒng)的焦距值，實現(xiàn)兩檔變倍;通過使用具有不同溫度折射率系統(tǒng)的正負透鏡組合，實現(xiàn)了紅外光學系統(tǒng)被動無熱化設計。

3．1 光學系統(tǒng)指標

在雙視場紅外學系統(tǒng)的設計中，采用的是法國Sofradir公司生產(chǎn)的中波320×256凝視焦平面陣列探測器，探測器像元尺寸為30μm×30μm。光學系統(tǒng)設計指標如表1所示。

表1 光學系統(tǒng)設計參數(shù)Tab．1 Design parameters of the optical systen

3．2 視場切換方式

紅外視場變倍光學系統(tǒng)的實現(xiàn)方式分徑向切換式、軸向切換式和旋轉切換式。

旋轉切換式變倍機構繞垂直于系統(tǒng)光軸的回轉軸旋轉，使得變倍鏡組切入或切出光學系統(tǒng)，從而實現(xiàn)視場切換。軸向切換方式變倍運動機構通過軸向移動透鏡組改變系統(tǒng)焦距實現(xiàn)視場切換。徑向切換式變倍機構是將變倍鏡組沿著垂直系統(tǒng)光軸的方向平移，切入或切出光學系統(tǒng)，實現(xiàn)視場切換。徑向切換式變倍機構易于校正像差，有利于提高透過率，易于實現(xiàn)雙視場光學被動無熱化設計，在雙視場或三視場變倍光學系統(tǒng)中經(jīng)常使用［9］。本設計采用徑向切換式變倍機構，實現(xiàn)兩檔視場切換。

3．3 設計結果

對純折射式紅外系統(tǒng)實現(xiàn)光學被動式熱補償時，通過改變曲率半徑和使用不同光學材料來矯正熱差和色差，至少需要選擇3種或3種以上材料。但紅外波段可使用的材料非常有限，設計時光學系統(tǒng)透鏡材料選用的性能穩(wěn)定的中波紅外材料Ge、Si和ZnSe完成光學設計，根據(jù)材料和光焦度合理配合，使紅外材料的色散因子和熱膨脹系統(tǒng)同時滿足系統(tǒng)消熱差和消色差的條件，即可實現(xiàn)高度消熱差。

表2 常用紅外材料的性能參數(shù)表Tble 2 Performance parameters of common infrared materials

為了滿足100%的孔徑效率，探測器杜瓦中的冷光闌應作為光學系統(tǒng)的孔徑光闌與出瞳進行處理。由于系統(tǒng)的焦距較長以及系統(tǒng)窄視場的孔徑較大，光學系統(tǒng)采用二次成像的結構形式，以提高系統(tǒng)的孔徑效率。設計時，先通過求解式(1)～(3)得到系統(tǒng)的初始結構，然后利用CODE V軟件對其進行優(yōu)化設計，最終得到光學系統(tǒng)的結構如圖1所示。

圖1 光學系統(tǒng)示意圖Fig．1 Schematic drawing of optical system

正透鏡采用硅材料，其較高的折射率和較低的色散有利于像差校正;負透鏡采用鍺材料，其折射率和色散高于硅，在系統(tǒng)中可消除色差，并平衡軸上像差，同時其較大的折射率溫度系統(tǒng)也可降低下透鏡造成的熱離影響;硒化鋅因較小的折射率溫度系統(tǒng)和較低的色散，主要起校正系統(tǒng)色差和平衡殘余熱差的作用。確定圖1中，視場切換鏡組采用Si、Ge、ZnSe、Si四塊透鏡搭配，固定鏡組采用 Si、Ge、Si三塊透鏡搭配。

鏡筒材料選用鋁合金，線膨脹系數(shù) 23．6×10－6/℃。連接固定鏡組和探測器的結構件采用熱膨脹系數(shù)小的銦鋼，線膨脹系統(tǒng)1．6×10－6/℃。

3．4 光學設計指標

3．4．1 傳遞函數(shù)

傳遞函數(shù)是光學系統(tǒng)像質評價的重要評價手段。本設計中窄視場和寬視場在不同溫度下的傳遞函數(shù)曲線及數(shù)值分別如圖2、圖3所示。從圖中數(shù)據(jù)可以看出，窄、寬視場的傳遞函數(shù)值在全溫度范圍內均大于0．67(17 lp/mm)，能夠保證光學系統(tǒng)在全溫度范圍內成像質量優(yōu)良。

圖2 光學系統(tǒng)MTF曲線(窄視場)Fig．2 The MTF curves of optiead system(Narrow field of view)

圖3 光學系統(tǒng)MTF曲線(寬視場)Fig．3 The MTF curves of optiead system(Wide field of view)

3．4．2 能量分布

窄視場和寬視場的能量分布曲線如圖4和圖5所示。從圖中可以看出，在全溫度范圍內，窄視場、寬視場集中在探測器的一個面元內的能量優(yōu)于70%，較好地滿足了系統(tǒng)的需求。

圖4 能量圖(窄視場)Fig．4 The energy drawing(Narrow field of view)

圖5 能量圖(寬視場)Fig．5 The energy drawing(Wide field of view)

4 結語

本文采用徑向切入出鏡組實現(xiàn)兩檔變倍形式，并利用衍射光學元件實現(xiàn)了紅外光學系統(tǒng)被動無熱化設計，在全溫度范圍(－40℃ ～+60℃)內獲得了優(yōu)良的像質，滿足了系統(tǒng)的性能指標要求。

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