封榮凱

廣西奧順儀器有限公司

使用機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)紅外光學(xué)系統(tǒng)無熱化

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當(dāng)前，國內(nèi)的機(jī)械加工裝配水平可以滿足系統(tǒng)的性能和精度要求，機(jī)械被動(dòng)式方法具有推廣應(yīng)用的潛力。在使用機(jī)械結(jié)構(gòu)中，要保證紅外光學(xué)系統(tǒng)在較寬的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，就必須消除溫度對紅外光學(xué)系統(tǒng)的影響，即對紅外光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行無熱化設(shè)計(jì)。無熱化設(shè)計(jì)是利用不同手段消除環(huán)境溫度變化對光學(xué)系統(tǒng)性能的影響?；诖?，文章就使用機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)紅外光學(xué)系統(tǒng)無熱化進(jìn)行簡要的分析。

使用機(jī)械結(jié)構(gòu)；紅外光學(xué)系統(tǒng)；無熱化

1.使用簡單機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)無熱化的原理

使用簡單機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)紅外光學(xué)系統(tǒng)無熱化是在光學(xué)系統(tǒng)中外加簡單機(jī)械結(jié)構(gòu)，利用結(jié)構(gòu)的熱膨脹，抵消補(bǔ)償像面的熱漂移。

據(jù)國外報(bào)道，機(jī)械被動(dòng)式方法常用的簡單機(jī)械結(jié)構(gòu)主要有三種：雙/多層鏡筒結(jié)構(gòu)、雙/多層支撐桿結(jié)構(gòu)和周向驅(qū)動(dòng)-凸輪結(jié)構(gòu)。

雙/多層鏡筒結(jié)構(gòu)和雙/多層支撐桿結(jié)構(gòu)均利用不同層結(jié)構(gòu)材料的熱膨脹系數(shù)差來實(shí)現(xiàn)熱驅(qū)動(dòng)。圖1 為這兩種結(jié)構(gòu)的原理圖。周向驅(qū)動(dòng)-凸輪結(jié)構(gòu)利用結(jié)構(gòu)材料的周向膨脹驅(qū)動(dòng)凸輪進(jìn)而實(shí)現(xiàn)軸向驅(qū)動(dòng)。圖 2 顯示了兩種周向驅(qū)動(dòng)- 凸輪結(jié)構(gòu)的原理圖。

圖1 雙/多層鏡筒結(jié)構(gòu)和雙/多層支撐結(jié)構(gòu)的原理圖

圖2 兩種周向驅(qū)動(dòng)- 凸輪結(jié)構(gòu)

2.紅外光學(xué)系統(tǒng)無熱化設(shè)計(jì)的途徑

2.1 適用于紅外熱成像的光學(xué)材料

首先應(yīng)找到適用于紅外熱成像的光學(xué)材料，并綜合考慮紅外系統(tǒng)對光學(xué)材料的要求。目前國內(nèi)適用于熱成像的紅外光學(xué)材料只有4種——鍺、硅、硒化鋅和Ge30As10Se60。表1列出這4種材料的光學(xué)特性和熱特性，表中dn/dt是折射率溫度變化系數(shù)，Xf是光學(xué)熱膨脹系數(shù)。Ge30As10Se60是由鍺、砷和硒以近似30：10：60的比例生產(chǎn)出來的玻璃質(zhì)材料，是仿制美國的AMTIR-I材料。

表1 可用紅外光學(xué)材料的光學(xué)特性和熱特性(25℃)

該材料為國內(nèi)首創(chuàng)，材料的技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國外同類產(chǎn)品水平。用一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例進(jìn)行研究討論，其技術(shù)指標(biāo)為：

(1)光譜范圍：3～5μm，中心波長4μm；(2)焦距：f=120mm；(3)通光口徑：D=95mm；(4)紅外探測器：320×240，單個(gè)探測器像元面積為：20μm×20μm；(5)像質(zhì)要求：0～50%視場的像質(zhì)不低于衍射限的80%；50%至全視場的像質(zhì)不低于衍射限的50%；(6)后工作距：≥10mm；(7)系統(tǒng)總長：≤100mm。根據(jù)(2)和(4)中的指標(biāo)可計(jì)算出設(shè)計(jì)實(shí)例的全視場為3.8°。根據(jù)(1)～(3)中的指標(biāo)可計(jì)算出設(shè)計(jì)實(shí)例的焦深范圍為±12.8μm。

2.2 球面系統(tǒng)光學(xué)材料匹配

2.2.1 單透鏡結(jié)構(gòu)和雙分離結(jié)構(gòu)

這兩種結(jié)構(gòu)都不能滿足光學(xué)系統(tǒng)消像差要求，因此常溫下不能找到滿足像質(zhì)要求的系統(tǒng)。進(jìn)行無熱化設(shè)計(jì)首先要找到常溫下像質(zhì)滿足要求的系統(tǒng)，討論溫度變化才有意義。

2.2.2 三片式結(jié)構(gòu)和四片式結(jié)構(gòu)

(1)三片式結(jié)構(gòu)通過軟件設(shè)計(jì)得到常溫下可以接受的三片式系統(tǒng)材料組合有：硅、鍺和硅；硅、鍺和硒化鋅，并分別簡稱為SGS和SGZ。(2)四片式結(jié)構(gòu)通過軟件設(shè)計(jì)得到常溫下可以接受的四片式系統(tǒng)材料組合有5種：1)硅、鍺、硅和硅；2)硅、硅、鍺和硅；3)硅、硅、鍺和鍺；4)硅、硅、鍺和硒化鋅；5)硅、鍺、硒化鋅和硅，并分別簡稱為SGSS、SSGS、SSGG、SS-GZ和SGZS。

2.2.3 五片及以上結(jié)構(gòu)

如果在四片式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上再增加透鏡，則系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，裝調(diào)精度不易保證，而且系統(tǒng)的透過率大大下降。所以研究僅限于四片以下的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

3.設(shè)計(jì)實(shí)例

光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)：

波長范圍 8000nm～12000nm

焦距 200mmF#4

紅外探測器/元320×240像元

大小 0.03mm×0.03mm

3.1 不考慮消熱差的設(shè)計(jì)

使用一塊Ge透鏡完成設(shè)計(jì)，為使彌散圓小于像元大小0.03mm×0.03mm，采用非球面設(shè)計(jì)。用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件對其焦距和彌散圓尺寸隨溫度的變化進(jìn)行分析，如表2所示，它給出了當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，系統(tǒng)焦距和彌散圓尺寸的變化情況。在常溫20℃時(shí)彌散圓尺寸為0.028mm，小于像元大小，滿足像差要求，但在其他溫度點(diǎn)，彌散圓尺寸超過了像素大小，不能滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)，隨著溫度的變化，焦距變化也比較明顯。

表2 不考慮消熱差時(shí)焦距和像差隨溫度的變化情況

3.2 光學(xué)被動(dòng)式消熱差設(shè)計(jì)

當(dāng)使用Ge-ZnSe-ZnS玻璃組合時(shí)，由于焦距為200mm，將組合玻璃材料的光焦度轉(zhuǎn)化為焦距，然后放大到200mm，則Ge透鏡的焦距為-263.16mm；ZnSe透鏡的焦距為68.49mm；ZnS透鏡的焦距為-172.4mm。在優(yōu)化過程中，保持總焦距不變，只改變某個(gè)單透鏡的2個(gè)半徑，必要時(shí)可以使用非球面設(shè)計(jì)，這樣，保證了各個(gè)單透鏡的焦距也不改變，因而不會(huì)影響到前面的消熱差條件。由于在優(yōu)化過程中假定透鏡為緊密型，因而邊緣光線到每個(gè)面上的高度一致，但在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，由于透鏡厚度的存在，邊緣光線的高度總存在差別，為保證整個(gè)系統(tǒng)的焦距為200mm，Ge透鏡的焦距將變?yōu)?54.4mm，ZnSe和ZnS的焦距不變，由于焦距分配的改變，熱差就不可能為零，因而焦距發(fā)生一定的偏移。設(shè)計(jì)結(jié)果如圖3所示。

圖3 消熱差設(shè)計(jì)結(jié)果

光學(xué)設(shè)計(jì)軟件對其焦距和彌散圓尺寸隨溫度的變化進(jìn)行分析，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)組合透鏡焦距和彌散圓尺寸的變化情況。在-40℃～60℃溫度范圍內(nèi)彌散圓尺寸基本不變，滿足像差設(shè)計(jì)要求，同單個(gè)透鏡設(shè)計(jì)結(jié)果相比較，其焦距隨溫度基本保持不變。

綜上，在常用的結(jié)構(gòu)件材料中選擇材料制作結(jié)構(gòu)件，球面系統(tǒng)光學(xué)材料匹配后不能消除紅外熱效應(yīng)。可以在較大視場內(nèi)獲得接近衍射極限的成像質(zhì)量，具有較寬的工作溫度范圍，而且結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠。

[1]李利.雙波段紅外光學(xué)系統(tǒng)的無熱化設(shè)計(jì)[D].南京航空航天大學(xué)，2012.

[2]呂天宇，楊飛，明名.基于波前編碼技術(shù)紅外光學(xué)系統(tǒng)無熱化研究[J].長春理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2012，02：26-28.

[3]劉欣，劉春華，潘枝峰，羅京平.機(jī)載復(fù)雜紅外光學(xué)系統(tǒng)無熱化補(bǔ)償方法研究[J].電光與控制，2012，07：68-70+93.