红外折反射式无焦系统被动消热化设计

段媛 贺祥清（四川九洲电器集团有限责任公司，四川绵阳 621000）

红外折反射式无焦系统被动消热化设计

段媛 贺祥清
（四川九洲电器集团有限责任公司，四川绵阳 621000）

介绍了长波红外被动消热差光学系统初始结构的选择方法，设计了一种工作于7.7-10.3μm的折反射式无焦系统，依靠光学系统自身成像原理和光学材料及机械结构材料的热特性匹配来实现消热化，设计结果表明，在-50～70℃温度范围内，成像质量接近衍射限，具有结构紧凑、体积小等优点，可满足扫描红外系统的使用要求。

折反射式无焦系统 消热设计 光学设计 热特性匹配

1　引言

红外光学系统需要工作于恶劣的环境条件下，其中环境温度的变化是对红外光学设备的严峻考验之一。当环境温度变化时，光学元件的曲率、厚度和间隔将发生变化，同时元件材料的折射率也发生改变，从而引起系统焦距变化，像面发生位移。由于红外光学材料的折射率温度系数dn/dt比较大，因此环境温度变化对红外系统的影响尤为严重，将导致系统性能急剧下降，图像质量恶化。因此，在红外光学系统的设计过程中进行消热化设计是相当必要的。

对比机械主动式和机械被动式方法，光学被动式不外加任何调焦机构，只依靠光学系统自身成像原理和光学材料及机械结构材料的热特性匹配来实现消热化设计，具有结构简单、尺寸小、系统可靠性高等优点。

图1　光学系统结构图

2　光学系统选择

红外光学系统是红外搜索跟踪设备的重要组成部分，由于受安装平台的空间限制，通常要求光学系统尽可能结构紧凑。利用Ritchey-Chretien结构用作望远物镜，主次镜均为双曲面。彗差得到校正，仅残余像散和场曲。具有结构紧凑，尺寸小，筒长短，轴上分辨率高等特点。目镜组采用三片式结构。

图2　20℃温度状态时的调制传递函数曲线

3　光学系统设计

3.1原理

透镜焦距随温度变化表示为：

其中， αg为透镜材料的热膨胀系数，dndt为透镜材料的折射率温度系数。多数情况下，焦距随温度变化而减小，公式常写成ΔΦ=-υΦΔt， ν称为透镜材料的热光系数。

光学系统相对像面的焦移还要考虑镜筒随温度的变化。

这里Ritchey-Chretien作为物镜组，主、次镜采用相同的基底材料，支撑结构件选用与其热膨胀系数相同的材料，保证光学零件和机械零件均匀地膨胀和收缩，则主次镜的热离焦量为零。

目镜组的消热化设计时必须同时满足光焦度、消色差和消热差的要求，由此得出通常需要三种不同材料的组合才能实现成功的光学消热。假设三片镜由一片单透镜和一组双胶合透镜组成，那么必须满足以下3个方程：

图3　-50℃温度状态时的调制传递函数曲线

图4　+70℃温度状态时的调制传递函数曲线

表1　红外材料的特性参数

式中： h1、h2、h3为第一近轴光线在各透镜的高度；φ1、φ2、φ3为透镜的光焦度； Φ为系统的总光焦度； ν1、ν2、ν3为光学材料的阿贝数； δ1、δ2、δ3为光学材料的热光系数； αmount为外部机械结构的线膨胀系数。常用红外材料在8-12μm的阿贝数、热光系数于表1中给出。设计时，先通过求解方程组得到系统的初始结构，然后利用光学设计软件对其进行优化设计，得到消热差长波红外光学系统的最终结构参数。

3.2指标

（1）光谱范围：7.7-10.3μm

（2）口径：120mm

（3）放大倍率：8×

（4）视场：2.6°×2.6°

（5）系统必须做到无热化，在-50℃～+70℃以内不用进行温度调焦。

3.3设计结果分析

折反式无焦系统光路图如图l所示。图中红外系统物镜组中主次镜和结构件均材料采用铝7075，其热膨胀系数为23.6×10-6。目镜由3个透镜组成，透镜材料依次为硫系玻璃、硫化锌和锗，光焦度符号分别为+、－、－。镜筒材料换成合金钢。

图2、图3和图4分别为系统在20℃、-50℃、+70℃温度状态时的调制传递函数曲线，从图中可以看出，系统在不同温度环境下所有视场的MTF都接近衍射限。

4　结语

由于温度变化时光学系统的结构参数发生了变化，打破了原有的像差平衡，系统的最佳像面位置和像质将随温度变化。本文采用常用的红外材料和结构材料进行光学被动式无热化设计，利用光学材料热差和色差各自相互补偿的原理，实现了一种低成本、高像质的红外光学系统的无热化设计，该系统结构简单、体积小、成本低、性能可靠，无需机电或特殊机械结构材料，满足红外系统的使用要求。

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［3］Yoder.P.R.光机系统设计.周海宪，程云芳译.北京：机械工业出版社，2008.

［4］刘瑞奇，陈星明，赵家琪.红外成像光学系统无热化设计［J］.光学与光电技术，2009，7（5）：93-96.

In this paper，the way to choose original strating configurations for infrared optical passive athermalization was discussed.A compact catadioptric afocal telescope was designed.The results show that the system possesses better athermal performances in the temperature range -50～70℃.The image quality of the system almost reaches diffractive limit.In addtiton，the optical system has many advantages，such as compact structure，small volume and so on.It can be applied to scanning infrared systems.

infrared catadioptric afocal system；athermalization design；optical design