折衍混合系统在无热化设计中的应用

林 青，王 坤，林 灿，魏 敏，刘 倩



折衍混合系统在无热化设计中的应用

林 青，王 坤，林 灿，魏 敏，刘 倩

（中国北方车辆研究所，北京 100081）

介绍了几种常见的无热化设计方法，并对衍射元件在无热化设计中的应用进行了重点分析。针对衍射元件在光学被动式消热差系统中的应用，设计了一种长波红外折衍混合消热差系统。设计的光学系统在－40℃～＋70℃范围内，实现了消热差和消色差，像质较好，而且结构简单、紧凑，实用性强。

红外光学系统；无热化；被动补偿；衍射元件；折衍混合光学系统

0 引言

近年来，随着科学技术的迅猛发展，红外光学系统被越来越多的应用在各个领域，尤其是在军事领域的应用更加广泛。

通常设计的光学系统只考虑在常温下的使用，并未对其他温度时的光学性能做出分析。而现代恶劣的战争环境往往要求光学系统能够在一个很宽的温度范围内有稳定的光学性能，典型的温度变化范围为－40℃～＋70℃。环境温度的改变对可见光光学系统的影响很小，但是对红外光学系统的影响却十分严重。因为红外光学系统所使用的光学材料有很高的热膨胀系数，对温度的改变非常敏感。随着环境温度的改变，红外光学材料的折射率，光学元件的曲率半径、厚度，机械元件结构等等都会发生很大的变化，将直接导致红外光学系统的焦距改变、像面偏移、成像质量恶化等问题。因此，设计者在设计红外光学系统时必须考虑到温度变化对于系统像质的影响，对系统进行无热化设计[1-2]。

目前常用的红外光学系统的无热化技术主要分为3大类[3-4]：机械被动式补偿；机电主动式补偿；光学被动式补偿。其中，光学被动式补偿系统因其具有结构简单、可靠性高、光轴稳定、无需供电等优点，得到了越来越广泛的应用。

在光学被动式补偿设计中，传统的折射系统实现无热化设计非常困难。随着衍射元件加工工艺的日益成熟，衍射光学元件独特的温度特性被广泛应用到红外光学系统的无热化设计中。下面对衍射元件在无热化设计中的应用进行分析。

1 折/衍混合红外系统的热特性分析

光学元件的光热膨胀系数即单位温度变化所引起的光焦度的相对变化，它是决定光学元件温度特性的一个重要参数，具体表示为[4-5]：

式中：x为光学元件的光热膨胀系数；¢为光学元件的焦距；d¢为光学元件焦距的改变值；为温度；为光学元件的光焦度；d为光学元件光焦度的改变值。

折射元件的光热膨胀系数为：

衍射元件的光热膨胀系数为：

由公式(2)和(3)可以看出，折射元件的光热膨胀系数主要由以下2方面因素决定：透镜材料的热膨胀系数、折射率温度变化系数。而衍射元件的光热膨胀系数只是由基底材料的热膨胀系数决定，与材料的折射率无关，而且折射元件和衍射元件的光热膨胀系数符号相反，这一特性非常有利于红外系统热差的校正，减小了红外系统无热化设计的难度。

此外，衍射光学元件的色散值总为负值，而折射元件的色散值总为正值，正负组合有利于实现系统的消色差。

因此，在折射光学系统中引入衍射面，形成含有衍射元件的折/衍混合光学系统（HOS），利用衍射光学元件负的色散系数和正的温度特性，可以有效地突破传统光学设计的局限性，设计出具有较好温度稳定性的高质量的红外折/衍混合光学系统。

在折衍混合光学系统的消热差设计中经常用到归一化热差系数和归一化色差系数。对几种常用的长波红外材料的折衍、值进行归纳总结列于表1中[6]。

根据表1中的数据做出其相应的折衍-图，如图1所示，同一种光学材料构成的折射元件和衍射元件可以当成两种不同的材料来使用。

图1 长波红外材料的折衍T-C图

2 系统设计

下面根据折衍混合系统的消热差原理设计一款用于长波红外（LWIR）的光学被动式消热差物镜。系统的技术指标见表2。

对于光学被动式消热差系统，在设计时必须同时满足光焦度、校正色差和消热差的要求，即必须满足以下3个公式[7]：

表1 长波红外材料的折衍T、C值

表2 LWIR消热差物镜技术指标

式中：Db代表不同波长系统后焦距的变化值；m为机械结构的热膨胀系数。

由上述公式可知，要使得光学系统消热差，就必须要使得光学系统产生的离焦量同外部机械结构产生的离焦量相互补偿，从而使得整个系统不产生离焦，实现清晰成像。

由-图可以看出，Ge、Ge衍射面、硫系玻璃构成的三角形面积较大，有利于红外系统的消热差。所以本系统选用Ge、GaSIR2材料的折衍组合，实现红外系统无热化设计。

通过计算初始结构，再利用ZEMAX软件进行优化，得到光学系统的结构如图2所示。整个系统的尺寸为44mm(D)×100mm(L)。

图2 光学系统结构图

整个系统由3片单透镜组成，分别为Ge、GaSIR2、Ge，光阑位于第一面上。其中GaSIR2透镜的第一面为二次曲面，二次曲面系数为－0.28。第一片Ge透镜的第二面为衍射面，衍射面采用的径向对称的位相分布，衍射面设计的最小半径间隔为0.79mm。其相位图如图3所示，从相位图可知，每毫米的最大加工周期为1.3，现在的加工工艺完全可以实现。

图3 衍射面相位图

折衍混合消热差物镜在常温下的性能评价函数如图4所示。图4(a)为在特征频率29.5lp/mm时的MTF值，整个视场的MTF＞0.5。图4(b)为系统的点列图。点列图中各视场的RMS均小于17mm。系统像质满足技术指标和应用要求。

按照光学系统像差的瑞利判据，热差引起的系统最大波像差应该小于1/4波长，即系统允许的最大残余热差Dr应与系统焦深相同：

Dr≤±2F2(7)

式中：为入射波长；为系统的F数。

分析折衍混合消热差物镜在各温度下的后截距，具体数据如表3所示。数据证明，该系统在－40℃～＋70℃范围内引起的最大离焦量为2mm，小于系统的焦深±20mm，即已完全实现了消热差，可以实现宽温度范围内稳定、清晰的成像。

表3 红外系统热分析数据

3 结论

本文设计的折衍混合消热差系统在－40℃～＋70℃范围内实现了消热差，可以在极寒、极热的严酷工作环境中使用。而且整个系统所使用的透镜数量仅为3片，透镜材料为2种。与折射式光学被动式消热差系统相比，该系统所使用的透镜数量少，材料种类少，整个系统重量轻、结构简单、成像质量好。随着对红外系统使用要求的不断提高和衍射元件加工工艺的不断进步，折衍混合系统在红外无热化系统中的应用将会越来越广泛。

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Hybrid Refractive/Diffractive Optics¢Application in the Athermalization

LIN Qing，WANG Kun，LIN Can，WEI Min，LIU Qian

（，100081，）

This paper introduces several athermalization design methods, and the application of diffractive elements in athermalization is the focus of the analysis. For the application of diffractive elements in the optical passive athermalization, the paper designs an athermalized infrared system in long-wave with refractive and diffractive elements. The optical system realizes athermalization and achromatism, which can work stably at the temperature range from－40℃ to＋70℃. The image quality of the system is better, and the structure is simple, compact and practical.

infrared optical system，athermalization，passive optical athermalization，diffractive element，hybrid refractive/diffractive optics

TN216

A

1001-8891(2015)06-0502-04

2014-12-17；

2015-3-12.

林青（1987-），女，硕士研究生，工程师，主要研究方向为红外光学技术研究。

国家自然科学基金项目资助课题，编号：61305018；国家自然科学基金项目资助课题，编号：70971052。