折/衍混合红外光学系统无热设计

　　0 引 言

　　大多数机载军用光学仪器的工作环境温度变化范围比较大，温度变化时光学元件的曲率、厚度和间隔都发生变化，元件基体材料的折射率及所在介质的折射率也将发生变化，多数红外透射镜材料的折射率随温度变化显著，如常用的单晶锗的折射率温度系数dn/dt 为3.96×10-4/ ℃，而常用可见光玻璃K9 的折射率温度系数为2.6×10-6/ ℃,前者较后者大两个数量级以上。因此，对红外成像系统不得不进行无热化设计，以补偿温度变化造成像面漂移所产生的性能降低[1]。

　　为保证红外光学系统在要求的范围内正常工作，就必须设法消除温度对红外光学系统的影响,即进行无热化设计。根据仪器的特点和使用场合的不同，出现了多种温度补偿的方法。可归纳为主动式、被动式和混合式三大类，?其中光学被动补偿方式由于其结构相对简单、尺寸小、质量轻、系统可靠性高等特点，受到极大的重视[2]。近年来，衍射光学元件在理论和工艺方面取得的进展，对于折衍混合系统来说，由于衍射元件独特温度特性，在合理分配光焦度的情况下，可以实现结构简单的光学被动温度补偿[3]。

　　1 折/衍混合系统设计原理

　　折射透镜的光热膨胀系数为f,r x ，衍射光学元件的热膨胀系数为f,d x ，

　　比较公式(1)和公式(2)[4]就会发现折射透镜和衍射透镜的热特性有根本的区别。折射透镜的光热膨胀系数由光学材料的热膨胀系数和折射率随温度的变化率共同决定，而衍射透镜焦距的变化仅仅是ag 的函数，它不是透镜材料因热而引起的折射率变化的函数。虽然衍射透镜的衍射效率受透镜折射率随温度变化而影响，但是，对多数材料而言，这些影响可以忽略不计。

　　折衍混合系统设计的基本出发点是利用不同透射材料的温度特性(线膨胀系数和折射率温度系数)，在满足系统成像质量要求的同时，适当选配材料并合理分配光焦度，使整个光学系统本身产生的像面离焦与仪器壳体的热胀冷缩一致。如图1 所示。

　　假设系统由j 个位于空气中(常温下nair≈1)的薄透镜密接组成，每个薄透镜的光焦度为φ (i=1，2，…,j)，全系统的光焦度为φ ，当物面位于无穷远时满足以下三个条件即可实现系统的光学自动补偿[1,5-6],

　　公式(5)为补偿像面离焦，式中a 是仪器壳体的线膨胀系数;ν 为表征透镜色散能力的阿贝数[7]。公式(3)为构成系统的各单透镜的光焦度的关系，公式(4)为消轴向色差条件，公式(5)为为补偿像面离焦需满足的条件，称为热补偿条件。一般情况下，满足公式(3)～(5)的系统只能对某一种壳体材料实现自动补偿，而且由于壳体材料和光学透射材料温度特性的非线性，也只能在某一温度段内完全实现自动补偿。JAMLESON T H 给出了不同形式光学系统的材料选取方法[8]。但在红外成像的3～5 μm波段，由常用的光学材料锗或硅等单一材料构成的透镜，由于其焦距随温度的变化率较大且为负值，需要壳体材料在温度升高时收缩才能实现像面的自动补偿，而这在实际系统中是不可能的。实际计算证明在3～5 μm波段，用两种不同材料组合可以满足公式(3)～(5)。