張曉朋，張國玉，2，陳占芳，宋可平，張宇

(1.長春理工大學(xué)，長春 130022；2.光電測控與光信息傳輸技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130022；3.清華大學(xué) 精密儀器與機(jī)械學(xué)系，北京 100084)

小視場紅外探頭是用來標(biāo)定地球模擬器張角大小的關(guān)鍵部件。而小視場紅外光學(xué)系統(tǒng)是其主要組成部分。在地球張角標(biāo)定中，當(dāng)采用一束細(xì)光線進(jìn)行測量時，得到的地球波是矩形波，這時測試用的探頭視場應(yīng)是一個點(diǎn)，而這在工程上是不可能實(shí)現(xiàn)的。從地球模擬器張角標(biāo)定的需要出發(fā)，希望紅外探頭的視場角越小越好，但是視場角變小，會使張角標(biāo)定設(shè)備的信噪比降低，當(dāng)采用具有一定大小視場的探頭進(jìn)行測試時，得到的地球波是一梯形波，斜邊的寬度反比于視場的大小，由此又會帶來測量誤差。為減小測量誤差，要求測試用探頭的視場應(yīng)足夠小，且探頭要有較高的信噪比，否則探頭的噪聲會影響測試精度。

1 小視場紅外探頭設(shè)計(jì)要求

由于小視場紅外光學(xué)系統(tǒng)是用于對地球模擬器進(jìn)行性能標(biāo)定，視場角的大小必將影響標(biāo)定精度，所以在設(shè)計(jì)中必須重點(diǎn)考慮。對紅外光學(xué)系統(tǒng)來說，熱敏電阻紅外探測元件必須安放在它的像面上。眾所周知，熱敏電阻元件是個能量轉(zhuǎn)換器件，從這一點(diǎn)來考慮，該元件必須設(shè)計(jì)在彌散斑最小的位置上，在視場內(nèi)光線要100%的到達(dá)熱敏電阻的敏感面，以接收目標(biāo)發(fā)出的盡可能集中的光能。

(1)設(shè)計(jì)主要技術(shù)指標(biāo)：

焦距f'=200～240mm；

熱敏電阻敏感面尺寸0.13mm×0.13mm；

(2)物鏡的外形尺寸：

鏡筒長L=250～270mm。

2 紅外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖1所示，小視場紅外光學(xué)系統(tǒng)由物鏡(彎月鏡)、浸沒透鏡和熱敏電阻紅外探測器及光闌組成[1]。

圖1 小視場紅外光學(xué)系統(tǒng)Fig.1 Infrared Optical System for Small Field

光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是保證光學(xué)設(shè)計(jì)的主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求的有效手段。為提高結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)精度，在設(shè)計(jì)中首先考慮彎月鏡和紅外探測器在鏡筒中的定位面和基準(zhǔn)面的垂直度和同軸度，選擇合理的公差配合，保證了光軸和機(jī)械軸的一致；第二，設(shè)計(jì)時加入了消雜散光光闌，有效防止視場以外的無效光線和光學(xué)系統(tǒng)鏡筒內(nèi)壁的反射光線進(jìn)入熱敏電阻紅外探測器；第三，設(shè)計(jì)了調(diào)焦墊圈，使熱敏電阻紅外探測器安裝在彎月鏡的焦平面上，提高安裝精度。

2.1 彎月鏡設(shè)計(jì)

彎月鏡是主光學(xué)系統(tǒng)，它對性能和結(jié)構(gòu)起主要作用，所以在設(shè)計(jì)中重點(diǎn)考慮紅外光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)效率，并通過光路計(jì)算進(jìn)行調(diào)整，得到最佳方案。

從減低光學(xué)零件的吸收來設(shè)計(jì)彎月鍺透鏡的中心厚度。由于鍺的吸收與波長和厚度有關(guān)，波長越長，吸收越大;厚度增加，吸收也增加，鍺透鏡的吸收率和透射率公式：

從有關(guān)光學(xué)儀器設(shè)計(jì)資料可知，正透鏡的中心厚度d與直徑D之比應(yīng)取1/15～1/10，由于透鏡曲率半徑 r1和 r2較大，透鏡邊緣也較厚，取 d/D=1/12.5，在本光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，取彎月鍺透鏡的中心厚度d=2mm。

2.2 浸沒透鏡設(shè)計(jì)

浸沒透鏡使用在會聚光路中，相對于主光學(xué)系統(tǒng)的位置及曲面半徑大小對主光學(xué)系統(tǒng)的像差和結(jié)構(gòu)都有一定的影響。設(shè)計(jì)浸沒透鏡時應(yīng)使u'達(dá)到最大，使像面中心獲得最大照度，這樣使用超半球透鏡可以顯著的縮小探測器敏感面的面積，提高探測器的信噪比和浸沒增益，這對設(shè)計(jì)小視場紅外光學(xué)系統(tǒng)尤其重要。然后以視場角2為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行光線追跡，調(diào)整參數(shù)，根據(jù)超半球浸沒透鏡的物象共軛關(guān)系來設(shè)計(jì)，確定最佳位置。

圖2 小視場紅外探頭光學(xué)系統(tǒng)光路圖Fig.2 Optical Path in Infrared Probe Optical System for Small Field

2.3 光路計(jì)算

為了在限制條件下設(shè)計(jì)出比較理想的小視場紅外探頭組合件，決定適當(dāng)增加焦距，使F數(shù)也略有增加，達(dá)到盡可能減小視場角的目的，所以在設(shè)計(jì)中采用f'=236.709mm，使F數(shù)達(dá)到0.986滿足了對超半球浸沒透鏡系統(tǒng)的要求。在設(shè)計(jì)中充分考慮了球差及彌散斑的大小；考慮光學(xué)加工工藝允許條件下減小光學(xué)零件的厚度，達(dá)到提高光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)效率。小視場紅外探頭光學(xué)系統(tǒng)的像差曲線及點(diǎn)列圖如圖3-圖5所示。

圖3 小視場紅外探頭光學(xué)系統(tǒng)場曲和畸變像差曲線Fig.3 Field distortion and aberration curve in infrared probe optical system for small field

圖4 小視場紅外探頭光學(xué)系統(tǒng)軸外點(diǎn)像差曲線Fig.4 Off-axis aberration curve in infrared probe optical system for small field

圖5 小視場紅外探頭光學(xué)系統(tǒng)點(diǎn)列圖Fig.5 Spot diagram in Infrared probe optical system for small field

從以上像差曲線及點(diǎn)列圖可以得出，該設(shè)計(jì)彌散斑較小，光能分布均勻，設(shè)計(jì)的小視場紅外探頭光學(xué)系統(tǒng)像差小、像質(zhì)好，設(shè)計(jì)指標(biāo)達(dá)到要求。

3 結(jié)論

根據(jù)以上分析及系統(tǒng)測試結(jié)果可知，本文采用超半球浸沒透鏡的設(shè)計(jì)方法研制出視場較小、符合實(shí)際工程應(yīng)用的小視場紅外探頭，并設(shè)計(jì)出了比較理想的小視場光學(xué)系統(tǒng)，滿足了張角標(biāo)定要求。

[1]黃心耕.小視場紅外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].航天控制，2004，22(5)：85-92.

[2]張國玉，張帆，徐熙平，等.小型準(zhǔn)直式紅外地球模擬器研究[J].儀器儀表學(xué)報，2007，28：545-549.