長波紅外光學(xué)系統(tǒng)混合被動無熱化設(shè)計

周曉斌，張 衡，文江華，吳 妍，劉召慶，張向明，金明鑫

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065）

0 引言

隨著長波紅外探測器技術(shù)的成熟，無論民品還是軍品市場對于長波紅外鏡頭的需求日益增長，尤其在車載無熱化鏡頭，導(dǎo)引頭用紅外鏡頭等領(lǐng)域，而這些產(chǎn)品對鏡頭的成像質(zhì)量、環(huán)境適應(yīng)性、成本均有比較苛刻的要求。

比利時的Schuster N 分別利用機械被動式、光學(xué)被動式和光學(xué)機械混合被動無熱化方式，實現(xiàn)兩片透鏡系統(tǒng)－40℃～80℃的無熱化設(shè)計，其焦距50 mm，F(xiàn)/1.3，波段8～13 μm。通過對比，他們證實利用光學(xué)機械混合被動無熱化，可有效降低紅外鏡頭無熱化的成本[1]。

國內(nèi)對于無熱化鏡頭的研究主要集中在折衍混合消熱差和硫系玻璃的運用上[2-4]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的關(guān)英姿等人對比了光學(xué)被動無熱化和機械被動無熱化的特點，指出無熱化方案的選取應(yīng)綜合考慮性能、尺寸、重量、成本等方面的要求[5]。華北光電技術(shù)研究所楊加強等人，實現(xiàn)焦距25 mm，F(xiàn)/1 的三片式無熱化鏡頭設(shè)計加工[6]。鏡筒材料選用鋁，光學(xué)系統(tǒng)采用折衍混合的光學(xué)被動無熱化方法，包含4 個非球面和1 個衍射面，總長32 mm。

所謂混合無熱化即采用兩種或兩種以上的無熱化方式，例如王學(xué)新等人研究了光學(xué)被動式和機電式組合消熱差方法[7]。混合無熱化的主要目的是克服單一無熱化方式實現(xiàn)困難或需要較高投入的問題，以實現(xiàn)低成本、高性能的無熱化效果。

1 設(shè)計要求及思路

某導(dǎo)引頭用長波紅外無熱化鏡頭的設(shè)計指標(biāo)如表1所示。其焦距要求較長，且探測器像元尺寸較小，需要光學(xué)鏡頭提供足夠的能量，確定其F 數(shù)為1。為滿足彈載使用環(huán)境，要求體積重量盡可能小，且滿足－40℃～60℃被動無熱化。

表1 設(shè)計指標(biāo)要求Table 1 Requirements of design parameters

被動無熱化分為光學(xué)被動式和機械被動式。光學(xué)被動式是選用不同的光學(xué)和結(jié)構(gòu)材料，通過合理分配光焦度，加入衍射元件等方式實現(xiàn)消熱差。機械被動式通常是利用不同膨脹系數(shù)的結(jié)構(gòu)材料，在不同溫度下通過結(jié)構(gòu)設(shè)計驅(qū)動鏡頭整體或部分透鏡軸向運動以補償熱離焦。光學(xué)被動式需要較為復(fù)雜的光學(xué)結(jié)構(gòu)，設(shè)計難度大，限制因素多，但是其無熱化效果較好。機械被動式成本較低，但是要利用多層鏡筒結(jié)構(gòu)，體積重量偏大，無熱化效果也難以保證[8-10]。

本文所提的混合被動無熱化方法是利用光學(xué)被動熱化選用合適的材料和光焦度分配，實現(xiàn)單個透鏡軸向微量移動以補償熱差，再利用較少的熱補償材料通過簡單的結(jié)構(gòu)形式驅(qū)動透鏡按要求移動，以實現(xiàn)低成本、高性能的無熱化效果。

2 不同被動無熱化光學(xué)設(shè)計對比

2.1 光學(xué)被動無熱化

光學(xué)被動無熱化設(shè)計時，承擔(dān)主要光焦度的透鏡，一般選用折射率溫度系數(shù)較小的材料，并且通過加入衍射元件以進一步減小系統(tǒng)熱差。針對表1的指標(biāo)要求，通過多輪優(yōu)化，最終確定“硫系-鍺-硒化鋅”的光學(xué)被動無熱化結(jié)構(gòu)，如圖1所示。該系統(tǒng)3 塊透鏡各有一個非球面，其中有一面為非球面與衍射面的結(jié)合。光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計總長80 mm，總重257 g，全視場畸變小于等于0.7%。

圖1 光學(xué)被動無熱化光學(xué)系統(tǒng)Fig.1 Passive optical athermalization

圖2為－40℃、20℃、60℃時，特征頻率42 lp/mm處不同視場調(diào)制傳遞函數(shù)MTF（modulation transfer function），可以看出不同溫度下各視場成像質(zhì)量滿足技術(shù)要求。

圖2 不同溫度下不同視場特征頻率處MTFFig.2 MTF versus field (parameter temperature) at 42 lp/mm

利用光學(xué)設(shè)計軟件進行公差分析。采用CODE V默認公差，像面移動為補償器，結(jié)果顯示中心視場MTF@42 lp/mm 從設(shè)計值0.42 降低到0.36 的概率約為98%，其他視場考慮公差后MTF 均大于等于0.26（概率98%）。常規(guī)加工裝調(diào)精度即可滿足系統(tǒng)要求。

2.2 混合被動無熱化

混合被動無熱化的主要目的是減小光學(xué)被動無熱化的設(shè)計、加工難度，同時減小機械被動無熱化的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度。為此，盡可能簡化光學(xué)系統(tǒng)省去衍射面，減小加工難度；選取容易驅(qū)動，且對鏡頭整體外形包絡(luò)影響較小的透鏡作為熱差補償元件。

參考光學(xué)被動無熱化結(jié)構(gòu)形式，省去衍射面，并對光學(xué)材料進行調(diào)整，優(yōu)化后選用“硫系-硫化鋅-鍺”的結(jié)構(gòu)形式，如圖3所示。該系統(tǒng)每塊透鏡各有一個非球面，設(shè)計總長75 mm，總重248 g，全視場畸變小于等于1.3%。

圖3 混合被動無熱化光學(xué)系統(tǒng)Fig.3 Passive optical and mechanical athermalization

圖4為－40℃、20℃、60℃下特征頻率42 lp/mm處不同視場調(diào)制傳遞函數(shù)，可以看出不同溫度下系統(tǒng)成像質(zhì)量與光學(xué)被動無熱化相當(dāng)。

圖4 不同溫度下不同視場特征頻率處MTFFig.4 MTF versus field (parameter temperature) at 42 lp/mm

如圖3所示，透鏡1 和透鏡2 口徑相對較大，如果選作熱差補償元件，在其徑向設(shè)置機械被動調(diào)節(jié)機構(gòu)會增大系統(tǒng)的體積、重量；而選擇透鏡3 作為熱差補償元件，則可以有效減小調(diào)節(jié)機構(gòu)的體積和重量，從而有利于系統(tǒng)的小型化、輕量化。因此，選擇透鏡3 作為熱差補償元件。透鏡3 軸向移動以適應(yīng)不同環(huán)境溫度。為了減小透鏡3 的位移，利用多重結(jié)構(gòu)兼顧各個溫度下的成像質(zhì)量和透鏡3 的移動量，使其盡可能小。如表2所示，低溫時透鏡3 向透鏡2 移動，為負值；高溫時則反方向運動。

表2 不同溫度下透鏡3 的相對位移Table 2 Shift of the lens 3 under different temperature

與光學(xué)被動無熱化設(shè)計相同，采用CODE V 默認公差，對系統(tǒng)進行公差分析，結(jié)果顯示中心視場MTF@42 lp/mm 以98%的概率，從設(shè)計值0.46 降到0.36。反轉(zhuǎn)靈敏度分析顯示，該系統(tǒng)透鏡1 中心厚和中心偏公差比光學(xué)被動無熱化系統(tǒng)稍嚴。但是，總體來說兩種設(shè)計公差要求相當(dāng)，常規(guī)加工裝調(diào)精度均可滿足要求。

3 混合被動無熱化結(jié)構(gòu)設(shè)計

混合被動無熱化只需簡單的多層鏡筒結(jié)構(gòu)，驅(qū)動單個透鏡移動即可。對所設(shè)計的混合被動無熱化光學(xué)系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，如圖5所示。鏡筒、隔圈、壓圈等材料選用鋁合金，選用線膨脹系數(shù)較大的聚甲醛（POM,polyformaldehyde）作為熱補償材料。設(shè)計3層鏡筒結(jié)構(gòu)，中間層為POM，其前后兩端分別與外層、內(nèi)層鏡筒粘接。溫度變化則POM 熱脹冷縮，能夠驅(qū)動透鏡3 按照設(shè)計所需的規(guī)律移動。

圖5 混合被動無熱化結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Mechanical schematic diagram of hybrid passive athermalization

為了保證不同溫差ΔT，透鏡3 的相對移動量ΔL滿足光學(xué)設(shè)計要求，POM 的長度Lpom必須滿足一定條件。如圖5所示，透鏡2 與透鏡3 的安裝基準距離L0，鏡筒材料的線膨脹系數(shù)α，POM 的線膨脹系數(shù)αpom，則Lpom應(yīng)該滿足公式：

為驗證結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，通過有限元仿真分析不同環(huán)境溫度下各透鏡的間隔變化。對透鏡與鏡筒，透鏡與隔圈等選擇適合的約束，施加均勻溫度場載荷，選取各透鏡中心節(jié)點，獲得不同溫度下的位移量如表3。與表2相比誤差≤0.02 mm，滿足不同溫度下間隔公差要求。

表3 仿真分析不同溫度下透鏡3 的位移Table 3 Shift of lens 3 under different temperature by simulation

4 兩種無熱化方案對比

對比結(jié)構(gòu)設(shè)計完成的兩種無熱化鏡頭，如表4所示。可以發(fā)現(xiàn)混合被動無熱化的成像質(zhì)量、重量與光學(xué)被動無熱化相當(dāng)，但是體積和加工難度上明顯優(yōu)于光學(xué)被動無熱化。從而證實，混合被動無熱化技術(shù)可實現(xiàn)低成本、高性能的無熱化效果。

表4 兩種無熱化方案對比Table 4 Comparison of different athermalization methods

5 總結(jié)

針對某焦距75 mm，F(xiàn)/1 長波非制冷無熱化鏡頭的研制需求，分別利用光學(xué)被動無熱化和混合被動無熱化兩種方式設(shè)計實現(xiàn)。對比兩種鏡頭的體積、重量、加工難度、成像質(zhì)量等，可以看出混合被動無熱化可以有效降低被動無熱化鏡頭的設(shè)計難度、加工成本和體積。從而證實，混合被動無熱化技術(shù)適用于低成本、高質(zhì)量的被動無熱化鏡頭設(shè)計開發(fā)。