红外光学系统无热化效果评估系统设计

　　0 引 言

　　光学系统设计时假定的工作温度一般是20℃，当光学系统所处的环境温度与设计温度不同时，光学材料的折射率、厚度都会发生变化，光学元件面型以及光学元件之间的间隔也会发生变化，这一变化会影响焦距，进而影响光学系统的成像质量，导致系统性能下降，因此红外光学系统设计过程中进行无热化设计是研制高性能红外成像系统不可缺少的环节[1-2]。

　　红外成像光学系统无热化设计是当前研究的一个重点，但与之相适应的测试技术、评估技术还比较落后，测试设备尚不健全。本文介绍的光学系统无热化评估设备，通过测试光学系统在不同温度下的成像质量，对光学系统无热化设计效果进行评估[3-5]。

　　1 系统工作原理及工作流程

　　评价光学系统成像质量的两个重要指标是焦点位置和光学系统像点大小、能量分布，因此本设备通过测试上述两个指标随温度变化的情况从而对光学系统无热化设计效果进行评估。

　　如图1所示，常温下将被测光学系统装配在高低温箱内的结构件上，调整被测光学系统的高度使其光轴与平行光管的光轴对准平行，调整光学零件之间的间隔使其满足设计要求，将黑体设定在预定温度并待温度稳定，粗调移动平台，使显微物镜的工作面与被测光学系统的焦平面大致重合。

　　由光源组件提供一个红外点光源，点光源经平行光管组件之后变为平行光，为被测光学系统提供无穷远的目标，平行光经被测光学系统汇聚以及红外显微物镜引出、放大后到达探测器敏感面，探测器组件将落在其上的光能量转化为电信号，经信号处理电路组件放大、A/D转换等处理后，送至计算机进行数据处理，经过图像评估软件的分析，控制移动定位平台移动，使红外显微物镜的工作面与被测光学系统的焦面重合，得到所需的像点大小、像点形状以及能量分布等技术数据。

　　在对常温下的成像质量测试完毕后，保持目标源的温度和大小不变，改变高低温设备的环境温度，使被测光学系统处于一定的高低温环境。待被测光学系统的温度稳定后，向移动平台施加信号，使红外显微物镜与探测器焦平面相对位置不变，控制显微物镜和红外探测器阵列组件的轴向移动，直到探测器输出的信号由计算机判定为最佳像面，当系统自动调焦完成后，显微物镜和探测器组件偏离零位，有一定的偏移量Δx。此偏移量即是在设定温度下被测光学系统的离焦量，记录Δx和此时像点大小、像点形状以及能量分布等技术数据，与常温下测量得到的数据进行比较，即可知道被测光学系统无热化的设计效果。移动红外显微物镜与探测器进行调焦时，不存在原理性误差，其离焦光学原理如图2所示。