8~12μm波段折/衍混合反摄远系统消热差设计

　　0　引言

　　红外光学元件在民用和军事领域都有着广泛的应用,其中红外反摄远系统具有后工作距长的显著特点,可以满足多种特定需求.对于用在军事和空间的现代光学仪器,通常都要求其在宽的温度范围内具有稳定的性能[1].特别在高分辨率遥感和军事侦察方面,有些红外系统要求在-40~100℃的温度范围内工作,甚至更高[2].空间光学系统由于光学材料与结构材料的热不稳定性,当环境温度变化时将引起焦距变化,像面位移,成像质量恶化[3].特别是对于红外系统而言,由于红外光学材料的折射率温度系数dn/dT较大,因而环境温度对红外光学系统的成像质量有着极其重要的影响.

　　因此,在红外成像系统中不得不加入主动或被动补偿机构,以补偿温度变化造成像面移动所产生的性能降低[4].其中光学补偿方式由于其机构相对简单、尺寸小重量轻、系统可靠性高等特点,受到极大的重视,并发展了多种分析和设计方法[5-7].在传统折射系统中引入二元面,利用衍射元件负的色散系数和独特的温度特性,可突破传统光学的限制,设计出具有较好温度稳定性的高质量红外折/衍混合光学系统.

　　以往对折/衍混合红外系统的研究多集中在小视场光学系统(5°).视场的增大虽然会给设计增加难度,但大视场系统在民用和军事领域均有很好的应用前景,如:舰载红外警戒系统要求光学系统可进行大视场搜索及成像[8].

　　本文设计了具有大视场的折/衍混合红外反摄远系统,该系统工作于8~12μm波段,视场角为14°,F/#为2.0,有效焦距为100 mm,后工作距为113 mm.系统采用被动式光学补偿方法实现消热差设计,达到在-40℃~100℃的温度范围内性能稳定.系统可适用于像元尺寸40μm,像素数640×480的现代非致冷式面阵探测器.

　　1　折衍混合红外光学系统消热差设计原理

　　1.1　折射、衍射光学元件的温度特性

　　光学元件的温度特性由光热膨胀系数表示,定义为单位温度变化引起的光焦度的相对变化

　　式中ΔΦT为温度T变化引起的光焦度变化量,Φ为系统的总光焦度,f为系统有效焦距.对于折射元件,采用薄透镜模型.假设该透镜的折射率为n,所在介质空间的折射率为n0,透镜前后表面的曲率半径为r1和r2,则其光焦度为

　　式中,rm是第m个环带的径向距离,λ是工作波长.当环境温度改变时,环带半径和空间折射率都会随温度的改变而发生变化.如图1,环带半径rm与温度的关系可表示为[9]

　　可见,衍射元件的温度特性只是由基底材料的热膨胀系数决定的,与材料的折射率无关.