黃辰旭

（中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司洛陽(yáng)電光設(shè)備研究所，河南 洛陽(yáng) 471000）

0 引言

目前，常采取長(zhǎng)波波段對(duì)空迎頭進(jìn)行探測(cè)，而飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)等高溫目標(biāo)的主要輻射波長(zhǎng)為3～5μm，且在濕度較大的環(huán)境中，長(zhǎng)波透過(guò)率低，無(wú)法滿(mǎn)足高濕熱環(huán)境中的使用要求。中波波段適合在空尾后、高濕度環(huán)境中進(jìn)行探測(cè)，且分辨率高，但中波紅外光譜的輻射度較低?？刹捎没谥胁t外和長(zhǎng)波紅外組合的雙波段探測(cè)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)信息互補(bǔ)，從而增加探測(cè)的信息量，并提高探測(cè)的準(zhǔn)確性。

傳統(tǒng)的紅外雙波段系統(tǒng)多采用折衍射混合設(shè)計(jì)或中波、長(zhǎng)波分光路設(shè)計(jì)，存在系統(tǒng)體積大、難以重量化、成本高等問(wèn)題，無(wú)法滿(mǎn)足新一代機(jī)載紅外搜索跟蹤系統(tǒng)具有長(zhǎng)焦距、高分辨率、體積緊湊、成像良好的設(shè)計(jì)要求［1-7］。

雙波段無(wú)熱化光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有以下3 個(gè)難點(diǎn)。①寬波段系統(tǒng)設(shè)計(jì)。由于光學(xué)材料有限，材料的搭配較為困難，且寬波度、大色散導(dǎo)致色差難以校正，而大像高導(dǎo)致像面噪聲的均勻性難以保證。②雙波段公差設(shè)計(jì)。復(fù)雜的雙色耦合公差要同時(shí)校正，且雙色耦合調(diào)整量要保持一致，同時(shí)受到嚴(yán)格的空間尺寸限制。③雙波段無(wú)熱化設(shè)計(jì)。機(jī)載溫度范圍一般為-55～70 ℃［8］，要想在125 ℃寬溫度范圍內(nèi)使性能得到保證，就要確保紅外材料折射率溫度系數(shù)（dn∕dt）的敏感性較高。

1 雙波段無(wú)熱化方案分析

溫度變化時(shí)，光學(xué)零件的曲率、厚度、間隔及光學(xué)材料的折射率都將會(huì)發(fā)生變化。這些因素的變化都將導(dǎo)致系統(tǒng)焦距發(fā)生改變，同時(shí)封裝光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的材料尺寸也會(huì)隨著溫度的變化而發(fā)生變化。當(dāng)兩種變化不一致時(shí)，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的焦距進(jìn)一步發(fā)生改變。由于紅外材料折射率溫度系數(shù)（dn∕dt）的敏感性較高，環(huán)境溫度變化會(huì)對(duì)紅外系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。為了確保光學(xué)系統(tǒng)在-55～70 ℃范圍保持成像清晰，在對(duì)紅外成像系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可加入主動(dòng)或被動(dòng)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，用來(lái)補(bǔ)償溫度變化對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生的影響。

由于紅外光學(xué)材料的折射率對(duì)溫度變化很敏感，當(dāng)系統(tǒng)所處的環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，會(huì)導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)的焦面與探測(cè)器靶面不重合，從而造成圖像質(zhì)量下降，嚴(yán)重時(shí)甚至不能成像。為提高機(jī)載紅外系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性，采用無(wú)熱化設(shè)計(jì)來(lái)消除或降低溫度對(duì)成像質(zhì)量的影響。熱效應(yīng)是影響紅外光學(xué)系統(tǒng)性能的重要因素，因此，研究如何在相當(dāng)大的溫度范圍內(nèi)具有穩(wěn)定可靠的成像質(zhì)量，對(duì)提高紅外光電系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能具有重要意義。

目前，光學(xué)系統(tǒng)無(wú)熱化方法可大致分為3 種。①機(jī)械被動(dòng)式。利用對(duì)溫度敏感的機(jī)械材料或記憶合金，使一個(gè)或一組透鏡產(chǎn)生軸向位移，用來(lái)補(bǔ)償因溫度變化而引起的像面位移。該方法不能校正因熱效應(yīng)導(dǎo)致的像差失衡，即使能補(bǔ)償最佳像面的位置移動(dòng)，也很難維持原來(lái)的成像質(zhì)量。這種方法額外增加機(jī)械補(bǔ)償部件，使得系統(tǒng)的體積變大、質(zhì)量增加［9］。②電子主動(dòng)式。利用溫度傳感器測(cè)出溫度的變化量，然后計(jì)算出因溫度變化而引起的像面位移，借助電機(jī)驅(qū)動(dòng)透鏡來(lái)產(chǎn)生軸向位移，從而實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償效果。該方法使用大量溫度傳感器，能處理系統(tǒng)溫度的梯度變化，并能準(zhǔn)確求解出溫度與像面位移的關(guān)系，但不能維持原有的像差平衡，還會(huì)用到電源、電子線(xiàn)路、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等設(shè)備，導(dǎo)致系統(tǒng)的可靠性下降，且這些部件還會(huì)占用一定的空間。③光學(xué)被動(dòng)式。利用光學(xué)材料的熱特性差異，通過(guò)不同特性材料的合理組合來(lái)消除溫度產(chǎn)生的影響，從而獲得無(wú)熱效果。該方法具有結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、尺寸小、質(zhì)量輕、無(wú)須供電、系統(tǒng)可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，其綜合效率最高。

作為機(jī)載航電設(shè)備，光電系統(tǒng)的可靠性是衡量其性能的重要指標(biāo)之一。光學(xué)被動(dòng)式無(wú)熱化技術(shù)只需選擇恰當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)和結(jié)構(gòu)材料組合，合理分配焦距，使光學(xué)元件產(chǎn)生的離焦與機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的離焦相互補(bǔ)償，從而使整個(gè)系統(tǒng)的熱離焦量在允許范圍內(nèi)，最終實(shí)現(xiàn)無(wú)熱化。

目前，國(guó)內(nèi)的紅外光電系統(tǒng)多采用電子主動(dòng)式補(bǔ)償熱離焦，會(huì)使用大量溫度傳感器，導(dǎo)致可靠性降低、體積變大、質(zhì)量變重，不符合機(jī)載設(shè)備小型化、輕量化的發(fā)展要求。光學(xué)被動(dòng)式無(wú)熱化技術(shù)是利用光學(xué)材料熱特性間的差異，通過(guò)不同特性材料的合理組合來(lái)消除溫度產(chǎn)生的影響，從而獲得無(wú)熱效果的。將該技術(shù)應(yīng)用于機(jī)載光電系統(tǒng)中，能大大提高人機(jī)功效和捕獲目標(biāo)的能力，從而提高戰(zhàn)機(jī)的生存能力。因此，對(duì)紅外光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)被動(dòng)無(wú)熱化技術(shù)的理論和方法進(jìn)行研究，主要對(duì)紅外光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)被動(dòng)無(wú)熱化設(shè)計(jì)和雙波段紅外光學(xué)系統(tǒng)的無(wú)熱化設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，從而為紅外系統(tǒng)的研制提供支撐。

2 光學(xué)布局方案分析

由于該系統(tǒng)的焦距為320 mm，且采用制冷型探測(cè)器，系統(tǒng)的孔徑光闌位于探測(cè)器內(nèi)部靠近像面，采取二次成像構(gòu)型，尺寸為300 mm（L）×260 mm（W）×200 mm（H）。由于系統(tǒng)空間小，對(duì)卡式光學(xué)系統(tǒng)、透射式光學(xué)被動(dòng)無(wú)熱化、透射式機(jī)械被動(dòng)無(wú)熱化這3種方案進(jìn)行研究。

2.1 卡式光學(xué)系統(tǒng)

卡式光學(xué)系統(tǒng)布局如圖1 所示。系統(tǒng)的主鏡和次鏡均采用非球面，后端透鏡采用紅外IG4 玻璃、單晶鍺、硫化鋅、硒化鋅等材料進(jìn)行無(wú)熱化設(shè)計(jì)，次鏡到像面的距離為180 mm。該方案具有體積小、裝調(diào)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但卡式次鏡會(huì)遮攔20%的能量，使總體透過(guò)率降低，從而導(dǎo)致系統(tǒng)公差較差。

圖1 卡式光學(xué)系統(tǒng)布局

2.2 透射式光學(xué)被動(dòng)無(wú)熱化

透射式光學(xué)被動(dòng)無(wú)熱化系統(tǒng)是通過(guò)光學(xué)材料與結(jié)構(gòu)件的匹配來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)熱化設(shè)計(jì)的，系統(tǒng)布局如圖2 所示。該系統(tǒng)共有8 片透鏡、2 片折轉(zhuǎn)鏡，系統(tǒng)主鏡組的材料為硫化鋅和單晶鍺，且系統(tǒng)空間尺寸可滿(mǎn)足系統(tǒng)要求，但系統(tǒng)的光學(xué)鏡片數(shù)量較多，透過(guò)率較低。

圖2 透射式光學(xué)被動(dòng)無(wú)熱化系統(tǒng)布局

2.3 透射式機(jī)械被動(dòng)無(wú)熱化

為實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)在-40～60 ℃保持成像清晰的要求，對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)熱化設(shè)計(jì)。無(wú)熱化包括3 個(gè)方面。①合理選擇透鏡的光學(xué)材料。合理分配各個(gè)透鏡光焦度的大小，利用CODEV 軟件進(jìn)行優(yōu)化，在平衡像差的同時(shí)，消除由環(huán)境溫度變化引起的熱離焦。②合理選擇結(jié)構(gòu)材料。光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)化是在特定膨脹系數(shù)的結(jié)構(gòu)件下進(jìn)行的，可對(duì)材料線(xiàn)膨脹系數(shù)進(jìn)行匹配。③系統(tǒng)裝調(diào)的合理性。

上述3 種方案的對(duì)比見(jiàn)表1。通過(guò)對(duì)比分析可知，本研究選用透射式布局來(lái)實(shí)現(xiàn)雙波段系統(tǒng)無(wú)熱化設(shè)計(jì)。

表1 3種方案對(duì)比

3 雙波段無(wú)熱化光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

中長(zhǎng)波雙波段無(wú)熱化光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

3.2 設(shè)計(jì)方案

3.2.1 紅外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。使用CODEV光學(xué)設(shè)計(jì)軟件來(lái)完成紅外系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用的是二次成像系統(tǒng)透射式共光路結(jié)構(gòu)，焦距為320 mm、F數(shù)為2。紅外光學(xué)系統(tǒng)布局如圖3所示，紅外系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型如圖4所示。該系統(tǒng)共有6片透鏡，其中，硒化鋅1 片、硫化鋅2 片、鍺1 片、硫系玻璃IG4 2片。共有5個(gè)非球面分布在3片鍺透鏡上，其余為球面。6片透鏡構(gòu)成的鏡頭總長(zhǎng)為480 mm。該系統(tǒng)的尺寸要求為300 mm（L）×260 mm（W）×200 mm（H）。

圖3 紅外光學(xué)系統(tǒng)布局

圖4 紅外系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

3.2.2 紅外光學(xué)系統(tǒng)無(wú)熱化設(shè)計(jì)。雙波段紅外光學(xué)系統(tǒng)為折射透鏡系統(tǒng)，溫度的變化會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)透鏡的折射率和透鏡間隔等發(fā)生變化，最終導(dǎo)致焦面位置發(fā)生變化。根據(jù)總體設(shè)計(jì)要求，鏡頭要在較寬溫度范圍內(nèi)（-55～70 ℃）能正常工作。因此，采用被動(dòng)補(bǔ)償法進(jìn)行消熱補(bǔ)償，通過(guò)調(diào)整鏡筒結(jié)構(gòu)使各片鏡片間的空氣間隔發(fā)生變化，從而降低透鏡折射率變化對(duì)焦面的影響。

鏡筒和補(bǔ)償層結(jié)構(gòu)示意如圖5 所示。鏡筒結(jié)構(gòu)和補(bǔ)償層活動(dòng)環(huán)材料為6061 鋁合金（膨脹系數(shù)約2.2×10-51∕℃）、中間溫度補(bǔ)償層的材料為尼龍6（膨脹系數(shù)約為8.0×10-51∕℃），進(jìn)行反向消熱驅(qū)動(dòng)，通過(guò)與光學(xué)系統(tǒng)配合來(lái)共同實(shí)現(xiàn)消熱差。溫度為-55 ℃時(shí)，調(diào)焦量為0.246 8 mm；溫度為70 ℃時(shí)，調(diào)焦量為0.164 5 mm，計(jì)算得到尼龍與鋁鏡筒的重疊部分長(zhǎng)度為91.3 mm。

圖5 鏡筒和補(bǔ)償層結(jié)構(gòu)示意

為確保補(bǔ)償時(shí)透鏡不發(fā)生偏心和傾斜，并保證其具有足夠的力學(xué)抗振動(dòng)能力，補(bǔ)償層活動(dòng)環(huán)兩端均套在相應(yīng)的孔內(nèi)，進(jìn)行直線(xiàn)滑動(dòng)導(dǎo)向。

3.3 仿真分析

當(dāng)溫度為20 ℃、-55 ℃和70 ℃時(shí)，紅外兩個(gè)波段光學(xué)系統(tǒng)在21 lp∕mm 處的調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）見(jiàn)表3，中長(zhǎng)波雙波段光學(xué)傳遞函數(shù)如圖6所示。

表3 中長(zhǎng)波在各溫度下傳遞函數(shù)

圖6 中長(zhǎng)波雙波段光學(xué)傳遞函數(shù)

中長(zhǎng)波雙段光學(xué)傳遞函數(shù)在20 ℃時(shí)的所有視場(chǎng)均大于0.45、-55～+70 ℃內(nèi)的所有視場(chǎng)均大于0.4。

長(zhǎng)、中波光學(xué)系統(tǒng)20 ℃、-55 ℃及70 ℃下的能量匯聚度如圖7所示。

圖7 長(zhǎng)、中波光學(xué)系統(tǒng)20 ℃、-55 ℃及70 ℃下能量匯聚度

由圖7可知，常溫RMS彌散斑直徑在24μm內(nèi)，Φ24μm內(nèi)的能量匯聚度在63%以上。高低溫最大RMS 彌散斑直徑滿(mǎn)足一個(gè)像元尺寸要求，Φ24 μm內(nèi)能量匯聚度在58%以上。

4 結(jié)語(yǔ)

紅外雙波段共光路光學(xué)被動(dòng)無(wú)熱化設(shè)計(jì)對(duì)材料的要求比單一波段的要更為嚴(yán)格，兩個(gè)波段的通透紅外材料只有鍺、硫化鋅、硒化鋅、硫系玻璃。在不同波段下，材料的折射率、色散系數(shù)存在較大差異，要使兩個(gè)波段的焦點(diǎn)在焦平面上重合，且在不同溫度下都要保持焦點(diǎn)聚焦在探測(cè)器焦平面上，設(shè)計(jì)難度較大。

在單一波段光學(xué)被動(dòng)無(wú)熱化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過(guò)深入分析雙波段無(wú)熱化的設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)方法，為雙波段無(wú)熱化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。本研究提出一種結(jié)合鏡筒結(jié)構(gòu)件熱膨脹系數(shù)存在的差異與合理設(shè)置光學(xué)參數(shù)，來(lái)共同實(shí)現(xiàn)消熱差的思路，為實(shí)現(xiàn)雙波段紅外光學(xué)系統(tǒng)的小型化、輕量化提供技術(shù)參考，可廣泛應(yīng)用于機(jī)載光電探測(cè)設(shè)備中，從而發(fā)揮識(shí)別偽裝、消除干擾等優(yōu)勢(shì)。