非球面金属反射镜在红外热成像系统中的应用研究

    引言

    随着红外探测器技术的发展，红外热成像技术作为高新技术在空间和军事上的应用得到了越来越广泛的重视，在近年来的局部冲突中发挥了重要作用。由于红外系统与雷达、可见光电视和微光像增强器比较，在昼夜和不良能见度的环境条件下具有较强的适应性和隐蔽性，近年来在空间光学和军用光学仪器应用中表现出明显的优势^[1]。本文所述的红外热成像系统就是针对这类应用设计的。由于系统多应用于恶劣环境条件，工作环境温度变化范围较大，这给光学设计、结构设计和光机加工、装调都带来许多问题。为有效地解决这些问题，在本系统中采用了非球面金属反射镜技术。

    金属反射镜的应用首先是在军事和空间领域。为了保证光学系统在特殊环境条件下满足其性能要求，工作环境温度和系统抗冲击、振动的能力是设计中必须考虑的重要因素。1989 年 NASAKuiper 空间观测站中 Cassegrain 红外望远镜使用了直径 18.5 cm 的铝反射镜作为摆动的次镜，整体镜重仅0.5kg，轻量化70%。铝反射镜的双曲反射面和安装基面均由精密金刚石车床加工完成。干涉仪检测结果表明面形精度为0.65λP-V（633 nm），在超过 90%口径范围内表面粗糙度估计在 8nm rms^[2]_。

    1 非球面金属反射镜的设计

    反射镜设计的原则是在指定的工作环境条件下，满足光学设计对反射镜面型的要求。影响反射镜面型稳定性的因素主要有：反射镜镜坯材料特性，反射镜自重变形，环境温度变化引起的变形以及反射镜装配产生的应力变形。

    本文所设计的红外热成像系统由主光学系统和转 像 折 射 光 学 系 统 构 成 ， 主 光 学 系 统 采 用Cassegrain 型折反式光学结构，主镜和次镜均为非球面反射镜，系统工作波段为 3.7 μm～4.8 μm。红外热成像系统结构如图 1 所示。系统主要由主镜、次镜和支撑结构（镜筒）组成。

    1.1 反射镜材料的选择

    本设计中反射镜材料的选择基于两点：即反射镜材料可通过加工达到要求的反射而精度，并在使用中保持所需的精度要求。因此在反射镜材料选择时主要考虑了以下几个的因素^[3]：

    1）光滑度

    光学系统中的反射镜要求反射面高度平滑，其表面误差主要有面型误差和表面粗糙度。前者引入各种像差，后者造成散射。选择的材料应具有良好的加工性能和抛光度，不同类型的光学系统对材料光滑度的要求不同。短波系统要求反射面超光滑，可选用熔石英、Zerodur，而红外系统可选用抛光表面相对粗糙的铝、铍等金属材料。