无热化设计(1)

1、光学系统的无热化设计,光学工程,引言 近年来，随着科学技术的不断进步，特别是空间技术的迅猛发展，红外光学系统越来越广泛的应用。与普通光学材料相比，大部分光学材料具有很高的热膨胀系数，随着工作温度在一定范围内不断变化，红外光学元件的基体材料的折射率及所在介质的折射率将发生变化，元件的曲率、厚度、间隔也将发生变化，加上仪器壳体的热胀冷缩，将使得系统产生离焦及其他像差，最终导致整个系统的成像质量变差，整体性能急剧降低。,什么是光学系统的无热化设计？,光学系统的无热化设计是通过一定的补偿技术（机械被动式、电子主动式、光学被动式）使得光学系统在一定较大的温度变化范围内仍然保持稳定的像面位置和像质。,为什

2、么要进行光学系统的无热化设计？,一般情况下光学材料的折射率随温度的变化而变化，这就使得透镜或光学系统的焦距发生变化。红外光学材料的温度系数要比普通光学玻璃大得多，例如，锗单晶dn/dt的典型数值为396x10-6-1，而K9玻璃的温度系数数值则只有2.8x10-6-1。因此，在红外系统中温度对折射率的影响尤为明显。,1、光学元件的折射率随温度的变化而变化,2、光学元件曲率半径、中心厚度随温度变化,这是由元件材料的热胀冷缩引起的，与光学材料的线性热膨胀系数a0有关。当温度变化后，光学元件的曲率半径后中心厚度变为： D=D+dD=D+Da0dT R=R+dR=R+Ra0dT 式中：R、D和D、R分

3、别为温度变化前后的曲率半径和中心厚度，dT是温度变化量。,3、镜筒材料的热效应,当温度变化时，装配材料的尺寸大小也将随之变化，这将引起光学元件的空气间隔的变化，进而影响成像质量。这与装配材料的线性膨胀系数有关,当温度变化后，镜筒材料的长度变化为： L=L+dL=L+La0dT 式中：L和L分别为温度变化前后的镜筒长度，dT是温度变化量。,总结：在这些因素中，光学材料折射率的贡献最大，其次是光学表面的曲率半径，而光学元件的厚度以及光学元件之间的间隔的影响最小。,图1,图1为机械被动消热原理。机械被动式是利用对温度敏感的机械材料或者记忆合金，使一个或一组透镜产生轴向位移，从而补偿由温度变化引起的像

4、面位移。这种方法需要计算不同温度下最佳像面的位置，根据最佳像面的位移，通过金属的不同伸缩量补偿最佳像面的位移。 这种方法不能校正热效应导致的像差失衡，即使能够补偿最佳像面的移动位置，也很难维持原理的成像质量。这种方法额外的增加的机械补偿部件，使得系统体积变大，质量增加。,电子主动式是利用温度传感器探测出温度的变化量，然后计算出温度变化引起的像面位移，借助电机驱动透镜产生轴向位移，以达到补偿效果。这种方法采用大量温度传感器，因此能处理系统温度的梯度变化，能准确求解温度与像面位移的关系。 这种方法同样不能维持原有的像差平衡，况且这种方式需要电源、电子线路、驱动电机等电子设备，导致系统的可靠性下降，

5、况且电子设备和驱动部件占用一定空间，所以不能用于弹载光学系统设计。,光学被动式无热化设计利用光学材料热特性之间的差异，通过不同特性材料之间的合理组合以消除温度的影响，从而获得无热效果。,人们对光学被动式无热化设计较多，设计方法也较多，透镜面形有球面和非球面。随着衍射光学的不断成熟，衍射光学技术也被用于无热化设计。,1、光学被动式无热化设计的要求 光学被动式无热化系统在温度变化时，光学元件产生的离焦与机械机构产生的离焦相互补偿，使整个系统的热离焦量在允许的范围内。 被动式无热化系统应该满足以下三个方程： 光焦度分配要求： 消轴向色差要求： 消热差要求：,2、材料的选取,针对于可见光光学系统的选材

6、原则： a.潮解级别2级，潮解级别2级的光学材料，CaO含量 高，化学性质不稳定，不能予以考虑； b.正负透镜阿贝数相差大。根据像差理论，对色差的校 正应采取不同色散值的玻璃组合形式，所采用光学材 料阿贝数像差悬殊，则优化过程中的色差比较容易校 正 c.应用玻璃消热图进行选择，对三片以下透镜组进行选 择时，可以应用玻璃消热图，获得尽可能大的材料三角 形，实现透镜光焦度最小。,适用于红外热成像系统的光学材料： 目前国内适用于热成像的红外光学材料只有4种-Ge、Si、ZnSe(ZnS)、Ge30As10Se60 . Ge30As10Se60是由Ge、As、Se以近似比例生产出来的玻璃质材质。,可用红外光学材料的光学特性和热特性,球面系统光学材料匹配的结论,经实验