中波红外制冷型光学系统消热差设计

随着 国防建设 和空 间技术 的不断发展 ，对光电探测系统 的要求越来越 高。首 先，为使 光 电探测系统对弱信号探测时具有较强的抑制杂光能力，需要 1"00%冷阑匹配。其次，因为大部分用于国防和空间技术的光电探测系统都需要工作于恶收稿 日期 ：2012-10～24；作者简 介：刘秀军(1980E-mail：xiujunliu###126。

劣的环境条件 下，其 中环境 温度的变化是光 电探测系统的重要影响因素之-。

环境温度变化将导致光学系统结构参数的变化，进而引起系统性能下降。因红外光学材料的折射率温度 系数较可见光大 ，所 以红外光学 系统对环境温度的变化更敏感。光学设计者必须探索修 回 日期 ：2012-l1-O6 )，男 ，黑龙江绥棱人 ，硕士 ，工程师 ，主要从事红外光学系统设计及整机评 价方 面的工作 。

COm · 392 · 应用光学 2013，34(3) 刘 秀军 ，等 ：中波红外制冷型光学系统消热差设计在环境温度变化时光学系统性 能指标 的变化 ，采取措施防止性能衰减。为了消除或降低环境温度变化导致成像质量的下降，通常需要采用-定的补偿技术 ，使得光学 系统在-定 的温度范 围内保持良好 的成像质量 ，这种 消除或降低环境 温度变化对光学系统成像质量影响 的技术被称为消热差技术[1 ]。设计出具有较宽温度适应性的红外光学系统-直是光学设计工作者面对的重要课题。

1 消热差方法目前常采用的消热差方法大致有 3种3 ：第1种主动补偿式 ，它是利用温度传感器探测 出温度的变化量，然后计算出温度变化引起 的像 面位移 ，借助电机驱动透镜产生轴向位移，以达到补偿效果。这种方法采用大 量温度传感器 ，因此能处 理系统温度的梯度变化 ，准确求解 温度与像 面位 移的关系。此 方法不 能矫 正热效 应 导致 的像差 失衡 ，况且这种方法需要 电源、电子 线路、驱动 电机等电子设备，导致系统的可靠性下 降，并且 电子设备和驱动部件还 占用-定 的空间，体积 和质量较大。第 2种机械被动式 ，它是利用对温度敏感的机， 械材料或记忆合金 ，使 1个或-组透镜产生轴 向位移 ，从而补偿 由于温度变 化引起 的像 面位 移。这种方法需要计算 不同温度下最佳像面 的位置 ，根据最佳像 面的位移，通过金属 的不 同伸缩量补偿像面的位移，这种方法同样不能维持原有的像差平衡 ，即使能够补偿最佳像面位移 ，也很难维持原来的成像质量 。另外，这 种方法额外增加 了机械， 补偿部件 ，使得系统的体积变大，质量增加 。第 3种光学被动式 ，它是通 过合理选择材料 和分配光焦度使得在温度改变时系统像面相对于仪器壳体保持不变 。这种方法不需增 加机械补偿部 件、也无需移动部件 ，且在 消热差同时进行像差平衡 ，使系统在-定 的温度范围内保持稳定 的成像 质量 ，该方法设计出的光学系统结构简单、体积孝质量轻、无需供电、系统可靠性好、综合效率高，因此得到广泛关注s 。

2 光学被动式消热差基本理论温度 变化时，构成光学 系统 的结构参数如 曲率半径、镜片厚度 、镜片 间隔、材料及 系统所在介质的折射率都将发生变化♂构参数的变化会导致系统发生 3方面的改变 ：像面离焦、像差发生变化和红外材料透过率变化 。其 中透过率的变化在系统选定后 是无 法避免的 ，应在设 计之初加 以综合考 虑 ，像 差 的变 化 在 系统 的数值 孔 径 较小(NA≤0.5)时对 系统 影响不大 ，而像 面离焦是造成系统性能降低的主要原 因，为使系统在要求 的温度范 围内正常工作 ，应对像面离焦进行补偿 。

由于光学材料 的色散特性 和热 特性，首先引入热差系数 和色差系数c。设单透镜光焦度为 ，当温度改变 △T时引起的光焦度变化设 为 △ ，工作波段 △ 引起的光焦度变化为 △ ，那么 ：△ T 1 d 1 /d，z d 、)(- --7卉d - 1 I-dT-”-dT厂 凡 厂丁 - ，(1)r - 垒 -! 二 丝 (2)ha0- 1式 中： 是热膨胀系数 ； 为中心波长的折射率；、 。 分别是波长为 和 。时的折射率 。热差系数 和色差系数c与透镜材料有关 ， 和c既是透镜成像质量的指标 ，又是材料的性 能指标 ，不 同材料具有不同的 、C值。以 、c为坐标轴的笛卡尔坐标系中，每-种材料对应 -个点。如果选择得 当，可使不 同材料的热差和色差都能得到相互补偿 ，使得系统能够在消热差的同时消色差。

为了使 系统能够满 足光焦度 、消热差 以及 消色差 的要求 ，则应该满足以下 3个方程 。 J：光焦度分配要求- j5 (3)消轴向色差要求△ -(忐) (hYc， (j (4)消热差要求dfi/dT-( ) (矗 )- L (5)式中：h 为第-近轴光线在各透镜 的投射高度 ；为各透镜 的光焦度 ； 为系统总光焦度 为各透镜的色差系数； 为热差系数；a 为机械结构的线膨胀系数；L为机械结构件长度。

实际设 计 的光 学系统 不可 能实 现严 格 消热差 ，需要给定其误差容限。如果把温度造成 的像面离焦认为是-种像差 ，按照光 学系统像差 的瑞利容限，像面离焦 Afb应控制在最大波像差小于 1/4波长 ，即 △ 应小于系统的焦深 ，因此有 ：. 396 . 应用光学 2013，34(3) 刘秀军，等：中波红外制冷型光学系统消热差设计plied Optics，2009。30(1)：129-133.(in Chinese withan English abstract)[1o] FISCHER R E.红外系统的光学设计[J].云光技术，2000，32(6)：6-20。

[11]FISCHER R E.Infrared system of optical design[J].Yunguang Technology，2000，32(6)：6-2O.(inChinese with an Eng[ish abstract)李华 ，韩维强 ，沈忙作.中波 红外光 学系统被 动无 热化设计及测试EJ].红外与激光工程，2009，38(4)：687-691。

LI Hua，HAN W ei-qiang，SHEN Mang-zuo.Passiveathermal design and measurement of MW IR opticalsystemEJ.Infrared and Laser Engineering，2009，38(4)：687-691. (in Chinese with an English ab-stract)