消热差大相对孔径中波红外望远物镜的研制

　　0 引 言

　　非制冷成像系统具有重量轻、体积小、功耗低、可靠性好等优点，可用作低成本微小卫星的有效载荷[1 ～4]。目前已报导的基于非制冷探测器的空间红外成像系统主要用于长波红外[1，2，5]。但从实际应用来看，中波红外图像受背景辐射的影响较小，形成的图像对比度好，更适合于对地球表面高温事件的探测，因此本文开展基于非制冷探测器的中波红外空间成像光学系统的研究。

　　本文所研制的中波红外望远物镜相对孔径大，能够在宽温度变化范围内实现光学被动消热差。物镜仅由两种红外材料三片透镜构成，其中一块为折衍混合透镜，前表面为非球面，后表面为使用金刚石单点车削方法加工的衍射面。物镜结构紧凑、重量轻、后工作距离大。装配好后的望远物镜经消热差性能测试和热成像摄影，表明具有良好稳定的成像质量。目前国内还尚未见到有同类工作的报道。

　　1 指标参数

　　采用中波红外非制冷探测器，焦平面阵列大小为 320pixel ×240pixel，像元尺寸为 35μm ×35μm，要求工作于轨道高度 700km 时的地面像元分辨率为250m。所要设计的望远物镜的指标参数如表 1 所示。

　　从表 1 可知，要研制的望远物镜具有两个特点:( 1) 具有较大的相对孔径，其 F 数达到 1，以弥补当前非制冷探测器辐射响应率较低的缺点; ( 2) 能够在较宽的温度范围内工作，可适应空间 - 20 ～ +60℃ 的环境温度变化。但大相对孔径光学系统焦深小，允许成像质量良好的温度变化范围小，要想在宽温度范围下工作，物镜的设计必须考虑消除热差，同时还应有尽可能小而轻、紧凑的结构。

　　2 结构参数与优化设计

　　2. 1 结构选型和光焦度分配

　　作者在文献[6]中详细讨论了望远物镜的结构选型、消热差方法、材料选择和光焦度的分配计算，本节仅作简要的描述。采用适合于大相对孔径系统的佩茨瓦尔结构型式，前后组均为正透镜，光焦度能够在前后组合理分配，可有效减轻每组所负担的相对孔径。

　　设总的光焦度为单位光焦度。孔径光阑置于佩茨瓦尔结构前组，前组光焦度为 0. 5，后组光焦度为 1，前后组间隔为 1，如图 1 所示，不仅能够保证匹兹伐物镜前、后组对轴上点近轴光线偏角负担相同，而且满足远心条件。

　　系统采用增加重量轻、可靠性好的光学被动消热差方法，能充分发挥非制冷成像体积小、重量轻的优点。推导出的分离薄透镜满足光学被动消热差的条件如下:

　　式中: hi为第一近轴光线的高度; u'i为第 i 块透镜出射光线与光轴的夹角; χi为透镜归一化热差系数，表示当第 i 块透镜温度变化时引起的光焦度相对变化[7 ～10]; di为第 i 块透镜后的光学间隔; αi为第 i 块透镜后连接件的热膨胀系数。镜筒材料使用铝材( Al) ，由公式( 1) 可得在图 1 所示参数条件下满足光学被动消热差的条件为