基于硅鍺材料低成本中波紅外光學系統(tǒng)無熱化設(shè)計

在光學成像末制導系統(tǒng)中，制冷紅外光學系統(tǒng)具有成像質(zhì)量好、探測精度高、抗干擾能力強和可全天時工作等突出優(yōu)點。但由于彈載環(huán)境極端惡劣，需確保光學系統(tǒng)在110℃寬溫范圍、高沖擊過載的環(huán)境下正常工作，因此要求系統(tǒng)具有性能優(yōu)良、技術(shù)成熟、可靠性高、加工工藝性好、易于裝調(diào)、良品率高等技術(shù)特點，同時還需降低生產(chǎn)制造成本，利于后期大批量生產(chǎn)。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，哈爾濱新光光電科技股份有限公司、火箭軍裝備部駐哈爾濱地區(qū)軍事代表室和哈爾濱工業(yè)大學的聯(lián)合科研團隊在《紅外技術(shù)》期刊上發(fā)表了以“基于硅鍺材料低成本中波紅外光學系統(tǒng)無熱化設(shè)計”為主題的文章。該文章第一作者和通訊作者為新光光電賀磊高級工程師，主要從事光學系統(tǒng)設(shè)計、光學導引頭設(shè)計與研制等方面的研究工作。

本文針對中波紅外640 × 512制冷型探測器，采用兩軸框架式總體布局方式，基于常用硅鍺兩種材料，使用一次成像3片式光學結(jié)構(gòu)設(shè)計了一個中波紅外制冷光學系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，透過率高，像質(zhì)優(yōu)良，實現(xiàn)了中波制冷紅外導引頭的低成本、無熱化設(shè)計。

兩軸框架式工作原理

目前常用的成像位標器穩(wěn)定平臺多采用俯仰和方位二自由度框架結(jié)構(gòu)，簡單緊湊，兩通道相互獨立、耦合少。布局形式為內(nèi)外框架組成的萬向支架式結(jié)構(gòu)。萬向節(jié)中心與整流罩球心重合，外框架方位運動，內(nèi)框架俯仰運動，實現(xiàn)大視場掃描。圖1為這種導引頭的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 兩軸框架式導引頭結(jié)構(gòu)示意圖

設(shè)計實例

光學技術(shù)指標

紅外光學系統(tǒng)的主要光學技術(shù)指標包括：工作波段、焦距、視場、F數(shù)、光學畸變、像元尺寸和工作溫度等。本設(shè)計實例基于某制冷紅外系統(tǒng)，采用F數(shù)為2的640 × 512中波紅外探測器斯特林制冷，像元尺寸為15 μm，實現(xiàn)100%冷光闌效率，同時要求光學系統(tǒng)具有成本低、可靠性高，環(huán)境適應性強的技術(shù)特點，詳細光學系統(tǒng)設(shè)計指標如表 1所示。

表1 光學技術(shù)指標

光學結(jié)構(gòu)形式及材料的選取

紅外制冷光學系統(tǒng)（定焦）的結(jié)構(gòu)形式分為一次成像和二次成像兩種光學結(jié)構(gòu)形式。一次成像結(jié)構(gòu)簡單，鏡片數(shù)量少，透過率高，易裝校，但窗口尺寸大；二次成像結(jié)構(gòu)入瞳位于窗口上，窗口尺寸小，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對復雜，鏡片數(shù)量多，對零件的裝配精度也提出了相對較高的要求，透過率稍低。文獻采用二次成像結(jié)構(gòu)與高精度調(diào)焦平臺相結(jié)合的形式實現(xiàn)了機載緊湊型中波紅外相機的設(shè)計。

紅外材料按透射波段可分為兩大類：中波材料（3~5 μm）和長波材料（8~14 μm）。在工程應用中，中波系統(tǒng)中常用Si，Ge，ZnSe，ZnS等。在長波系統(tǒng)中常用，Ge，ZnSe，ZnS等，此外硫系玻璃在紅外系統(tǒng)中也有大量應用。有文獻是基于硫系玻璃實現(xiàn)中波紅外光學系統(tǒng)無熱化設(shè)計。文獻利用折/衍混合同時實現(xiàn)了復消色差和消熱差設(shè)計。隨著光學面型加工精度的提高，非球面上附加衍射面的加工也已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)，為消熱差設(shè)計提供了更多的自由度。

本系統(tǒng)采用二軸伺服框架控制方式，綜合考慮系統(tǒng)的使用目的、空間尺寸和技術(shù)指標要求，主要解決系統(tǒng)低成本和無熱化問題。光學系統(tǒng)采用一次成像結(jié)構(gòu)，運用高級像差理論，合理分配各透鏡的光焦度，考慮光學材料的熱膨脹系數(shù)，平衡光學像差和熱差之間的矛盾，選用最常用、穩(wěn)定性好、加工工藝成熟的硅、鍺作為透鏡材料，使用3片式Si-Ge-Si布局形式，并在鍺透鏡上采用二元衍射面設(shè)計，減少鏡片數(shù)量，降低光學裝校難度，提高透過率，在提升系統(tǒng)環(huán)境適應性的同時，實現(xiàn)了低成本研制，適于批量生產(chǎn)。

無熱化設(shè)計原理

在紅外光學系統(tǒng)中，當環(huán)境溫度發(fā)生變化時，光學材料和機械材料的熱效應將使得光學材料折射率變化、光學元件曲率半徑變化、以及光學元件厚度和空氣間隔變化。這些變化將導致嚴重的熱離焦，從而使紅外光學系統(tǒng)的像質(zhì)下降，圖像模糊不清，對比度下降，最終影響整機系統(tǒng)的性能，為此需要采用無熱化技術(shù)消除環(huán)境變化的影響。

對于定焦距紅外光學系統(tǒng)，目前其無熱化技術(shù)主要采用光學被動式。光學被動式特點為：結(jié)構(gòu)簡單、尺寸較小、質(zhì)量輕、無需供電和可靠性高。

設(shè)計結(jié)果及像質(zhì)評價

通過反復優(yōu)化設(shè)計，光學系統(tǒng)鏡頭參數(shù)數(shù)據(jù)表如表2所示，光學系統(tǒng)如圖2所示，光學系統(tǒng)主要由頭罩和3片透鏡組成，其中頭罩材料為藍寶石材料，透鏡材料為硅和鍺，結(jié)構(gòu)支撐件材料為鋁。透鏡1和透鏡3為正透鏡。采用傳統(tǒng)的常規(guī)球面硅透鏡，材料價格低，易于加工。

表2 光學鏡頭參數(shù)表

圖2 光學系統(tǒng)圖

衍射效率是衍射光學元件的一個重要性能指標，經(jīng)計算衍射效率為0.98。二元面面型結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 二元面面型

圖4~圖6為不同溫度下系統(tǒng)的傳遞函數(shù)曲線，圖7為光學系統(tǒng)的畸變曲線。

圖4 20℃時MTF曲線

圖5 -40℃時MTF曲線

圖6 +70℃時MTF曲線

圖7 光學系統(tǒng)場曲和畸變

從上述分析結(jié)果可知，在工作溫度-40℃~+70℃內(nèi)，在奈奎斯特頻率為33 lp/mm時，不同溫度下的光學系統(tǒng)成像質(zhì)量優(yōu)良、無熱化效果良好，畸變最大值為0.57%，滿足技術(shù)指標要求具體數(shù)值（最小值）詳見表3。

表3 不同溫度下MTF值（最小值）

冷反射分析

制冷紅外光學系統(tǒng)中冷反射是評價和計算紅外系統(tǒng)性能的重要指標之一，本文通過ZEMAX光學設(shè)計軟件建立非序列模型，進行實際光線追跡，分析模型如圖 8所示，分析結(jié)果如圖9、圖10所示。

圖8 三維分析模型

圖9 像面非相干照度灰度圖

圖10 像面非相干照度曲線（X、Y）

從上述分析結(jié)果可以看出，冷反射分布曲線無明顯的峰值，曲線相對平直，成彌散分布，像面非相干照度非均勻性X方向為13%，Y方向為11%。

公差分析

光學系統(tǒng)公差包括零件加工允許誤差和系統(tǒng)裝校的允許誤差。光學系統(tǒng)在設(shè)計時，在滿足系統(tǒng)指標要求的前提下，還要充分考慮光學系統(tǒng)各結(jié)構(gòu)參數(shù)的公差分配，如光學透鏡加工的面型精度、厚度、偏心；系統(tǒng)裝校時，各透鏡之間的相對傾斜、間隔、同軸度等因素。合理的公差分配，可極大地提高光學系統(tǒng)的加工和裝校效率，提升產(chǎn)品的良品率，降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。本文表4為系統(tǒng)的零件加工公差，表5為零件裝配公差，以上述公差為分析依據(jù)，通過光學軟件進行蒙特卡洛公差分析，光學系統(tǒng)MTF分析結(jié)果如圖11所示。

表4 零件加工公差

表5 零件裝配公差

圖11 公差分析曲線

通過上述公差分析結(jié)果可知：光學系統(tǒng)在0視場有95%的裝配概率MTF值大于0.58@33 lp/mm，0.7視場有92%的裝配概率MTF值大于0.36@33 lp/mm，全視場90%的裝配概率MTF值大于0.28@33 lp/mm，裝配工藝性良好，良品率高，滿足系統(tǒng)指標要求。

工程實現(xiàn)及測試結(jié)果

光學系統(tǒng)進行精密裝校后，工程樣機和成像效果如圖 12所示，使用TRIOPTICS全歐光學傳遞函數(shù)測量儀對光學系統(tǒng)的傳遞函數(shù)和畸變進行測試，測試結(jié)果如圖13、圖14所示。從測試結(jié)果可以看出，所研制的工程樣機成像質(zhì)量優(yōu)良，無明顯冷反射現(xiàn)象，滿足技術(shù)指標要求。

圖12 精密裝校后的光學系統(tǒng)

圖13 實測MTF曲線圖

圖14 實測畸變曲線圖

結(jié)論

為滿足中波紅外制導光學系統(tǒng)低成本和無熱化的要求，本文采用兩軸框架式導引頭總體布局方式，設(shè)計一種高分辨率中波制冷紅外成像制導光學系統(tǒng)。在設(shè)計過程中，采用一次成像3片式光學結(jié)構(gòu)，基于穩(wěn)定性好的硅鍺材料，配合使用折-衍混合設(shè)計手段，實現(xiàn)了光學系統(tǒng)－40℃~+70℃無熱化設(shè)計。開展工程樣機研制和成像效果實驗。經(jīng)實測，光學系統(tǒng)的軸上視場傳遞函數(shù)（最小值）MTF≥0.55@33 lp/mm，0.7視場傳遞函數(shù)（最小值）MTF≥0.35@33 lp/mm，全視場畸變測試值為0.65%，冷光闌效率100%，無冷反射現(xiàn)象，成像質(zhì)量優(yōu)良，滿足技術(shù)指標要求。光學系統(tǒng)易加工裝調(diào)、良品率高、成本低，適于批量生產(chǎn)，可廣泛應用于光學成像制導、搜索、跟蹤和偵察等領(lǐng)域。