无热化星敏感器光学系统设计

刘健,郝云彩,常军,王涌天

(1.北京理工大学 光电学院, 北京 100081； 2.北京控制工程研究所 空间智能控制技术国家重点实验室, 北京 100190)

由于温度变化导致光学系统焦平面移动,成像质量恶化,星敏感器应用的特殊空间环境温差尤其明显,因此需在设计阶段提前考虑温度变化对光学质量带来的影响,并对其进行无热化处理,从而使星敏感器光学系统能承受大范围温度变化,保持光学性能的稳定. 目前国内无热化主要针对红外光学系统进行,由于适用于红外波段的光学材料相对较少,因此在系统消热的过程中材料的选取相对简单. 相比之下,星敏感器光学系统主要工作于可见光波段,可用光学材料非常多. 除此之外,星敏感器系统对于能量均匀性和系统抗离焦情况有着更为严格的要求,因此,其材料的选取、系统优化和消热的过程更为复杂.

无热化技术主要分机械被动式、电子主动式、光学被动式[1]. 机械被动消热通过高膨胀率材料的热胀冷缩，使透镜产生轴向位移从而实现无热化补偿,可靠性高、构成简单,但体积大,极为笨重；电子主动消热由处理器计算出温度变化对应的像移,然后推动透镜移动进行补偿,消热效果极好,但系统复杂、可靠性差[2]；光学被动消热通过匹配光学材料的dn/dt、膨胀系数和机械材料的膨胀系数,使各因素影响产生的温度焦移相互补偿,实现在工作温度范围内成像质量的稳定. 可见,与其他两种补偿方式相比,光学补偿方式具有结构简单、重量轻、无需供电、可靠性好的特点[3],符合现代光学仪器小型化、轻型化的要求. 因此,在星敏感器光学系统无热化设计的过程中,选用光学被动式无热化技术.

1 消热方法

(1)

(2)

由式(1)(2)可以看出两种热差均由光学热差系数和机械热差系数组成,所以无热化过程就是使光学热差和机械热差相互补偿的过程,而光学热差又可以通过选择不同T值的透镜组合加以改变,使之与机械热差相匹配. 因此,无热化的关键在于选取合适的光学材料和结构材料组合.

进行无热化设计时必须满足光焦度、校正色差和消热差的要求,即系统需满足如下无热化方程：

(3)

式中：hi为第一近轴光线在各镜组的高度；Φi，νi分别为各镜组的光焦度及阿贝常数；αh为镜筒支架的线膨胀系数. 通过求解无热化方程组,选定材料确定光焦度分配后[4],在保持光焦度基本不变条件下经过像差校正实现系统无热化.

2 材料选取

通过求解消热差方程组可以获得多种结构形式和材料组合,在该情况下,需要对使用的光学材料进行合适的选择，光学材料的选择原则如下.

① 耐潮级别<2级. 耐潮级别>2级的光学材料,其CaO含量高,化学性质不稳定,因此不予以采用.

② 正负透镜阿贝数相差大. 根据像差理论,对色差的校正应采取不同色散值的玻璃组合形式,所采用光学材料阿贝数相差悬殊[5],则优化过程中的色差比较容易校正.

③ 应用玻璃消热图进行辅助选择. 对三片以下透镜组进行材料选择时,可以应用玻璃消热图,获取尽可能大的材料三角形[6],实现透镜光焦度最小.

3 系统无热化设计

3.1 系统指标

无热化系统设计指标的工作温度：-10℃～30℃；相对孔径：1∶2；视场：10°；光谱范围：0.5～0.8μm；中心设计波长：0.65μm；光斑要求：接近圆；能量为高斯分布.

3.2 系统设计和无热化分析

按照光学系统设计指标,结合以上理论,通过求解方程组(3),在得出系统相应初始结构和材料选择的基础上,再利用CODE V进行优化设计,系统由匹兹凡结构复杂化得到,光阑配置于第一面,共使用9个透镜实现光焦度均匀分配,基本消除色差和畸变,整套星敏感器光学系统在-10℃～30℃温度范围内成像质量稳定且具有优良性能. 在材料选择方面,光学透镜1，3，7采用镧系玻璃,透镜2，4，9采用氢化玻璃,其余透镜选择钡系光学材料,机械材料选择铟钢,图1为系统设计结构图.

图1 设计结构图

评价光学系统无热化程度首先应考虑系统像面在温度变化时的移动量,以下给出在各参考温度下系统后截距. 由表1可以看出,在不同温度下,像面发生漂移,最大值为0.2μm. 这也说明该系统经消热以后,在使用温度范围内,基本保证了实际成像面位置不改变.

表1 不同温度下系统后截距

星敏感器光学系统要求像斑能量为高斯分布,像斑形状基本为圆,也就是要求像斑能量要高度集中. 鉴于所使用的CCD像元尺寸为15 μm,考虑到亚像元算法的计算要求光斑的80%能量集中于两个像素内,即30 μm的范围内. 消热以后的光学系统应当在各温度下满足系统对光斑尺寸和能量集中度的要求,图2给出在-10 ℃，20 ℃，30 ℃时径向能量集中度曲线,图中横坐标为光斑直径D,纵坐标为光斑环围能量比η. 表2给出不同温度、不同视场下,对应于80%能量处的光斑直径D.

图2 各温度下径向能量集中度曲线

表2各温度下不同视场80%能量对应的半斑直径集中度

Tab.2Energydiameterfordifferenttemperatures

θ/℃D/mm(0°，0°)(0°，1.5°)(0°，2.5°)(0°，3.5°)(0°，5.0°)-100.028070.029960.028510.027740.02648200.020760.021180.022530.023380.02330300.023690.022950.024070.024460.02649

分析以上数据,该消热系统在各参考温度下,各视场光斑都比较均匀,可以满足成像均匀性的要求. 评价系统无热化程度的另一个重要指标就是在各温度下系统传递函数fMTF相对于参考温度的变化情况. 没有消热的星敏感器光学系统在温度变化时,其传递函数下降极快,经无热化处理以后,各温度下传递函数应与参考温度基本一致. 图3给出系统的fMTF曲线作为参考,横坐标为空间频率ν,纵坐标为fMTF值,在各图中分别给出对应于轴上视场、0.5视场、0.7视场和全视场处的传递函数曲线,实、虚线分别对应于子午方向和弧矢方向. 可以看到在各温度下,各视场在40 lp/mm处fMTF值均高于0.3,传递函数曲线基本一致. 波长为800，725，650，575，500 nm时权重分别为1，3，5，2，1. 综合分析以上结果,认为该系统在工作温度范围内实现良好消热.

图3 各温度下系统fMTF曲线

4 结 论

作者依据消热差理论给出了光学系统无热化过程中材料的选取原则,通过消热差方程组求解可以获得多种初始结构和材料组合,在此基础上依据材料选取原则进行取舍,使光学材料的光热膨胀系数和结构材料的热膨胀系数相补偿,可以在一定温度范围内获得良好的无热化光学系统.

参考文献：

[1]Roberts M. Athermalization of infrared optics: a review[J]. SPIE, 1989, 1049：72-81．

[2]吴晓靖,孟军和.红外光学系统无热化设计的途径[J].红外与激光工程,2003,32(6):572-576．

Wu Xiaojing, Meng Junhe. Approach of athermalizing infrared optical systems[J]. Infrared and Laser Engineering， 2003,32(6):572-576. (in Chinese)

[3]Hu Yuxi, Zhou Shaoxiang, Xiang Libin. Design of athermal optical system[J]. Acta Optica Sinica, 2000,20(10):1386-1391.

[4]温彦博,白剑,侯西云.红外无热化混合光学系统设计[J].光学仪器,2002,27(5):82-86.

Wen Yanbo, Bai Jian, Hou Xiyun. Design of infrared hybrid athermal optical system[J]. Optical Instruments, 2002,27(5):82-86. (in Chinese)

[5]袁旭沧.光学设计[M].北京：国防工业出版社,1988．

Yuan Xucang. Optical design[M]. Beijing: National Defence Industry Press,1988. (in Chinese)

[6]Tamagawa Y, Tajime T. Dual-band optical system with a projective athermal chart: design[J]. Appl Opt, 1997,36(1):297-301．