基于硅锗材料低成本中波红外光学系统无热化设计

在光学成像末制导系统中，制冷红外光学系统具有成像质量好、探测精度高、抗干扰能力强和可全天时工作等突出优点。但由于弹载环境极端恶劣，需确保光学系统在110℃宽温范围、高冲击过载的环境下正常工作，因此要求系统具有性能优良、技术成熟、可靠性高、加工工艺性好、易于装调、良品率高等技术特点，同时还需降低生产制造成本，利于后期大批量生产。

据麦姆斯咨询报道，近期，哈尔滨新光光电科技股份有限公司、火箭军装备部驻哈尔滨地区军事代表室和哈尔滨工业大学的联合科研团队在《红外技术》期刊上发表了以“基于硅锗材料低成本中波红外光学系统无热化设计”为主题的文章。该文章第一作者和通讯作者为新光光电贺磊高级工程师，主要从事光学系统设计、光学导引头设计与研制等方面的研究工作。

本文针对中波红外640 × 512制冷型探测器，采用两轴框架式总体布局方式，基于常用硅锗两种材料，使用一次成像3片式光学结构设计了一个中波红外制冷光学系统，结构简单，透过率高，像质优良，实现了中波制冷红外导引头的低成本、无热化设计。

两轴框架式工作原理

目前常用的成像位标器稳定平台多采用俯仰和方位二自由度框架结构，简单紧凑，两通道相互独立、耦合少。布局形式为内外框架组成的万向支架式结构。万向节中心与整流罩球心重合，外框架方位运动，内框架俯仰运动，实现大视场扫描。图1为这种导引头的结构示意图。

图1 两轴框架式导引头结构示意图

设计实例

光学技术指标

红外光学系统的主要光学技术指标包括：工作波段、焦距、视场、F数、光学畸变、像元尺寸和工作温度等。本设计实例基于某制冷红外系统，采用F数为2的640 × 512中波红外探测器斯特林制冷，像元尺寸为15 μm，实现100%冷光阑效率，同时要求光学系统具有成本低、可靠性高，环境适应性强的技术特点，详细光学系统设计指标如表 1所示。

表1 光学技术指标

光学结构形式及材料的选取

红外制冷光学系统（定焦）的结构形式分为一次成像和二次成像两种光学结构形式。一次成像结构简单，镜片数量少，透过率高，易装校，但窗口尺寸大；二次成像结构入瞳位于窗口上，窗口尺寸小，但系统结构相对复杂，镜片数量多，对零件的装配精度也提出了相对较高的要求，透过率稍低。文献采用二次成像结构与高精度调焦平台相结合的形式实现了机载紧凑型中波红外相机的设计。

红外材料按透射波段可分为两大类：中波材料（3~5 μm）和长波材料（8~14 μm）。在工程应用中，中波系统中常用Si，Ge，ZnSe，ZnS等。在长波系统中常用，Ge，ZnSe，ZnS等，此外硫系玻璃在红外系统中也有大量应用。有文献是基于硫系玻璃实现中波红外光学系统无热化设计。文献利用折/衍混合同时实现了复消色差和消热差设计。随着光学面型加工精度的提高，非球面上附加衍射面的加工也已经能够实现，为消热差设计提供了更多的自由度。

本系统采用二轴伺服框架控制方式，综合考虑系统的使用目的、空间尺寸和技术指标要求，主要解决系统低成本和无热化问题。光学系统采用一次成像结构，运用高级像差理论，合理分配各透镜的光焦度，考虑光学材料的热膨胀系数，平衡光学像差和热差之间的矛盾，选用最常用、稳定性好、加工工艺成熟的硅、锗作为透镜材料，使用3片式Si-Ge-Si布局形式，并在锗透镜上采用二元衍射面设计，减少镜片数量，降低光学装校难度，提高透过率，在提升系统环境适应性的同时，实现了低成本研制，适于批量生产。

无热化设计原理

在红外光学系统中，当环境温度发生变化时，光学材料和机械材料的热效应将使得光学材料折射率变化、光学元件曲率半径变化、以及光学元件厚度和空气间隔变化。这些变化将导致严重的热离焦，从而使红外光学系统的像质下降，图像模糊不清，对比度下降，最终影响整机系统的性能，为此需要采用无热化技术消除环境变化的影响。

对于定焦距红外光学系统，目前其无热化技术主要采用光学被动式。光学被动式特点为：结构简单、尺寸较小、质量轻、无需供电和可靠性高。

设计结果及像质评价

通过反复优化设计，光学系统镜头参数数据表如表2所示，光学系统如图2所示，光学系统主要由头罩和3片透镜组成，其中头罩材料为蓝宝石材料，透镜材料为硅和锗，结构支撑件材料为铝。透镜1和透镜3为正透镜。采用传统的常规球面硅透镜，材料价格低，易于加工。

表2 光学镜头参数表

图2 光学系统图

衍射效率是衍射光学元件的一个重要性能指标，经计算衍射效率为0.98。二元面面型结构如图3所示。

图3 二元面面型

图4~图6为不同温度下系统的传递函数曲线，图7为光学系统的畸变曲线。

图4 20℃时MTF曲线

图5 -40℃时MTF曲线

图6 +70℃时MTF曲线

图7 光学系统场曲和畸变

从上述分析结果可知，在工作温度-40℃~+70℃内，在奈奎斯特频率为33 lp/mm时，不同温度下的光学系统成像质量优良、无热化效果良好，畸变最大值为0.57%，满足技术指标要求具体数值（最小值）详见表3。

表3 不同温度下MTF值（最小值）

冷反射分析

制冷红外光学系统中冷反射是评价和计算红外系统性能的重要指标之一，本文通过ZEMAX光学设计软件建立非序列模型，进行实际光线追迹，分析模型如图 8所示，分析结果如图9、图10所示。

图8 三维分析模型

图9 像面非相干照度灰度图

图10 像面非相干照度曲线（X、Y）

从上述分析结果可以看出，冷反射分布曲线无明显的峰值，曲线相对平直，成弥散分布，像面非相干照度非均匀性X方向为13%，Y方向为11%。

公差分析

光学系统公差包括零件加工允许误差和系统装校的允许误差。光学系统在设计时，在满足系统指标要求的前提下，还要充分考虑光学系统各结构参数的公差分配，如光学透镜加工的面型精度、厚度、偏心；系统装校时，各透镜之间的相对倾斜、间隔、同轴度等因素。合理的公差分配，可极大地提高光学系统的加工和装校效率，提升产品的良品率，降低产品的生产成本。本文表4为系统的零件加工公差，表5为零件装配公差，以上述公差为分析依据，通过光学软件进行蒙特卡洛公差分析，光学系统MTF分析结果如图11所示。

表4 零件加工公差

表5 零件装配公差

图11 公差分析曲线

通过上述公差分析结果可知：光学系统在0视场有95%的装配概率MTF值大于0.58@33 lp/mm，0.7视场有92%的装配概率MTF值大于0.36@33 lp/mm，全视场90%的装配概率MTF值大于0.28@33 lp/mm，装配工艺性良好，良品率高，满足系统指标要求。

工程实现及测试结果

光学系统进行精密装校后，工程样机和成像效果如图 12所示，使用TRIOPTICS全欧光学传递函数测量仪对光学系统的传递函数和畸变进行测试，测试结果如图13、图14所示。从测试结果可以看出，所研制的工程样机成像质量优良，无明显冷反射现象，满足技术指标要求。

图12 精密装校后的光学系统

图13 实测MTF曲线图

图14 实测畸变曲线图

结论

为满足中波红外制导光学系统低成本和无热化的要求，本文采用两轴框架式导引头总体布局方式，设计一种高分辨率中波制冷红外成像制导光学系统。在设计过程中，采用一次成像3片式光学结构，基于稳定性好的硅锗材料，配合使用折-衍混合设计手段，实现了光学系统－40℃~+70℃无热化设计。开展工程样机研制和成像效果实验。经实测，光学系统的轴上视场传递函数（最小值）MTF≥0.55@33 lp/mm，0.7视场传递函数（最小值）MTF≥0.35@33 lp/mm，全视场畸变测试值为0.65%，冷光阑效率100%，无冷反射现象，成像质量优良，满足技术指标要求。光学系统易加工装调、良品率高、成本低，适于批量生产，可广泛应用于光学成像制导、搜索、跟踪和侦察等领域。

审核编辑：汤梓红