反射式热红外光学系统无热化性能分析

陈浩然

摘 要：热红外光学系统成像的研究是当代光学科学研究领域的重中之重，精密的光学系统是红外光束成像质量的重要保证。镜体热变形是影响光学天线系统传输质量的重要因素，该文利用ANSYS有限元分析软件仿真了镜体在热环境下的变形情况，同时分析了在热环境下，镜体热变形以及镜体材料折射率变化引起的镜体焦移变化，并对比分析了透射式热红外光学系统与反射式卡塞格伦天线的热红外光学系统在热环境下的焦移变化，得出了卡塞格伦光学天线系统的无热化性能。这些研究为热红外光学系统的精确设计奠定了理论基础。

关键词：热红外光学系统 卡塞格伦天线 焦移 无热化性能

中图分类号：TN216 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）12（c）-0087-02

随着通信技术和光器件的不断发展，光纤通信和星间光通信的发展越来越快，并在信息的快速传递中起着重要的作用[1][2]。热红外光学系统成像的研究逐渐成为热点，影响热红外光学系统成像质量的因素很多，该文主要针对光学系统的结构影响因素进行分析。当环境温度改变时，由于镜面产生热变形，接收天线系统的接收光斑会发生偏转和扩展[3][4]。对于空地激光通信链路来讲，镜面产生热变形，会影响空地激光通信链路的性能[5]。该文从热环境下光学天线系统的焦移变化的角度，分析了卡塞格伦天线的热红外光学系统的无热化性能。这些研究将会在光通信领域有着广泛的应用前景。

1 热环境下卡塞格伦天线系统的无热化

1.1 热环境下的镜体热变形及镜体的焦移变化

镜体的热变形是指环境温度发生改变时，镜体在、、方向出现膨胀（温度升高时）或收缩（温度降低时）的现象。根据热弹性力学理论，物体由于温度的改变而产生的形变，主要由三部分组成：物体材料温度升高而产生的自由热膨胀；边界固定后不能自由膨胀而引起的和材料的泊松比有关的形变；热应力而产生形变。

根据热结构分析的有限元方法，采用有限元分析软件ANSYS对光学天线系统的镜体（材料为锗）进行热变形有限元仿真分析。如图1、2、3、4所示，图1表示镜体的有限元模型，图2表示时镜体在方向的位移，图3表示时镜体在方向的位移，图4表示时镜体在方向的位移。可以看出，温度变化时镜体轴向的形变最大，最大形变量为，所以镜体的形变对天线系统的远距离传输性能影响很大。

焦移是指温度改变引起光学系统焦点的移动。光学系统的焦移由镜体热变形引起的焦移和镜体折射率变化引起的焦移两部分组成。镜体热变形引起的镜体焦移为：

其中，表示热变形前镜体的焦距，表示热变形后镜体的焦距。

1.2 卡塞格伦天线的热红外光学系统的无热化性能分析

无热化性能是指环境温度改变时，光学系统的焦移量很小的性能。无热化技术是解决热环境下，光学系统焦移变化引起的系统成像质量问题的最优化方法，使用反射光学系统（卡塞格伦天线系统）可以达到理想的效果。当环境温度发生变化时，卡塞格伦天线的镜体都会发生形变，然而由于结构设计的优势，热变形引起的主镜和次镜的总焦移变化几乎为零。由于主镜和次镜采用反射式的镜体，所以不存在由镜体材料折射率变化引起的焦移，整个卡塞格伦天线的的热影响为零，可以实现卡塞格伦天线的热红外光学系统的无热化性能。

下面针对具体的实例进行对比分析。如图5所示，两个很相似的系统：光轴以上是全透射式热红外光学系统，而光轴以下的系统以卡塞格伦天线为主要元件的反射式热红外光学系统，图中给出了各系统元件的热敏感度。两系统的入瞳直径均为75 mm，工作于±3 ℃中心波长的LWIR波段。在环境温度为时，光轴上方的透射式系统中，前面的弯曲头罩具有很小的光焦度（光焦度略负），其作用是使像向外焦移7.6 μm。第一个大元件向内焦移1.7 mm，下一个负元件使像向外焦移0.27 mm，最后两个元件只产生小的焦移。由50 ℃热浸没造成的总系统焦移和大光焦度元件的离焦大致相同，向内焦移1.71 mm，和单独的第一个元件相同。对于光轴下方的光学系统，前面的弯曲头罩向外焦移7.6 μm，卡塞格伦天线的两镜体的总焦移基本为0，最后两个元件只产生小的焦移。

从上面的研究可以得出：卡塞格伦天线的两个反射镜根本不会产生热焦移，整个卡塞格伦天线的热红外光学系统的焦移为0.03584mm，小于四分之一波长的瑞利判据，真正实现了热红外光学系统的无热化性能。因此，在实际工作中，为了提高光学系统的工作效率，应该选择由卡塞格伦光学天线系统组成的热红外系统。

2 结论

该文分析了采用反射式共焦抛物面结构的卡塞格伦天线系统具有非常好的传输性能，同时利用ANSYS有限元分析软件仿真热环境下光学天线系统镜体的热变形，分析光学系统镜体热变形以及镜体折射率变化引起的镜体焦移变化。并对比分析在热环境下，透射式热红外光学天线系统和反射式卡塞格伦天线的热红外光学天线系统的焦移变化，得出卡塞格伦天线热红外光学系统的无热化性能，为热红外成像选取高效率的光学系统奠定了理论基础。

参考文献

[1] 裴丽，宁提纲，李唐军，等.高速光通信系统中光纤光栅色散补偿研究[J].物理学报，2005，54（4）：1630-1635.

[2] 巩稼民，刘娟，方强，等.密集波分复用石英光纤通信系统中受激Raman散射的稳态分析模型[J].物理学报，2000， 49（7）：1287-1291.

[3] 闻传花，李玉权.空间激光通信中的光学系统[J].光通信技术，2003，27（7）： 24-27.

[4] 刘福安.空间光通信系统概述[J].空间电子技术，2003（3）：22-28.

[5] 张华，李晓峰，杨文淑.星载激光通信光学反射镜镜面热变形及其对光学系统影响的研究[J].红外，2008，29（4）：29.endprint