摘要：建立了用于溫度效應(yīng)分析的光學(xué)系統(tǒng)熱模型，提出了一種光學(xué)機(jī)械綜合優(yōu)化的被動(dòng)補(bǔ)償方法，該方法將光學(xué)系統(tǒng)中光學(xué)元件和相關(guān)機(jī)械零件溫度特性統(tǒng)一參與光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證在較大的溫度范圍內(nèi)都可以有很好的成像質(zhì)量。設(shè)計(jì)實(shí)例表明，采用這個(gè)方法可以在不增加光學(xué)和機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜度的情況下得到良好的光機(jī)被動(dòng)無熱化效果。

關(guān)鍵詞：光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)；溫度效應(yīng)；光學(xué) 、機(jī)械被動(dòng)補(bǔ)償；無熱化設(shè)計(jì)

1 引言

對外部環(huán)境的適應(yīng)能力是航天器上的光學(xué)系統(tǒng)有別于其他光學(xué)系統(tǒng)的重要標(biāo)志，它們所承受的溫度、壓力及太陽輻射與地面相差很大，而任何附加的控制手段都意味著成本的上升和可靠性的下降。在各種外部環(huán)境中，溫度變化對光學(xué)系統(tǒng)的影響是重要的因索之一，主要有以下幾個(gè)方面。

1）熱差：普通光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)只考慮在一般條件即常溫、常壓的情況，但是在實(shí)際使用中，當(dāng)溫度等環(huán)境因素發(fā)生變化時(shí)，光學(xué)系統(tǒng)的很多參數(shù)如面形、間隔、厚度、材料折射率等都會(huì)隨之改變，成像就偏離了最佳的狀態(tài)，這種由溫度變化而產(chǎn)生的成像誤差稱作熱差。在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采取相應(yīng)的補(bǔ)償措施消除熱差的方法稱作無熱化設(shè)計(jì)或無熱化技術(shù)。

2）熱噪聲：由于紅外光學(xué)系統(tǒng)所探測的是熱輻射信號，當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)本身的溫度達(dá)到探測器的探測范圍時(shí)，它自身熱輻射就有可能到達(dá)探測器接收而上，對真正的信號產(chǎn)生干擾，形成背景噪聲。

本文主要針對熱差分析和無熱化技術(shù)方面展開討論，著重給出一種光機(jī)綜合優(yōu)化被動(dòng)補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)方法，對用于航天器上的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析有非常重要的作用。

在通常情況下，溫度非均勻分布，情況會(huì)非常復(fù)雜。除了要能夠?qū)Ψ蔷鶆蚍植技右赃m當(dāng)描述之外，非均勻溫度分布產(chǎn)生折射率的非均勻分布和零件的非均勻膨脹會(huì)將簡單的面形變成復(fù)雜的非球面。由于篇幅所限，這些內(nèi)容不在本文中討論。

關(guān)于空間與地面壓力差的問題本不是本文的內(nèi)容，但是由于涉及到環(huán)境影響，所以在設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)該加以考慮。設(shè)計(jì)應(yīng)該以空間工作狀態(tài)的壓力來設(shè)計(jì)，由于現(xiàn)代設(shè)計(jì)軟件通常是以地面大氣壓下的折射率為相對值1，因此空間近真空環(huán)境中，相對折射率就會(huì)小于1，設(shè)計(jì)時(shí)要注意將壓力設(shè)置成真空，但是由于光學(xué)系統(tǒng)的加工安裝都是在地面正常壓力下實(shí)施的，測試時(shí)會(huì)出現(xiàn)與設(shè)計(jì)值不同的問題，所以設(shè)計(jì)者應(yīng)同時(shí)給出地面壓力時(shí)的計(jì)算值。另外還要注意由于地面和空間的壓力差可能會(huì)造成光學(xué)零件的應(yīng)力應(yīng)變，這也會(huì)對成像產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，這就要求在鏡筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)置適當(dāng)?shù)耐笟饪祝�以保持�?nèi)外壓力的一致。

2 熱差分析和無熱化設(shè)計(jì)

要進(jìn)行熱差分析和無熱化設(shè)計(jì)，首先要建立光學(xué)系統(tǒng)的熱模型。從本質(zhì)上來講，溫度變化對光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的影響主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面。

1）光學(xué)元件的折射率隨溫度變化

常用的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件一般是采用相對折射率來進(jìn)行計(jì)算的，相對折射率以空氣折射率為單位折射率。然而當(dāng)溫度變化時(shí)，空氣的折射率也不是固定不變的，因此計(jì)算折射率隨溫度的變化量必須采用絕對折射率。這兩種折射率之間的關(guān)系為：

在計(jì)算光學(xué)材料折射率隨溫度的變化量時(shí)，首先要利用色散公式計(jì)算光學(xué)材料在參考溫度下的相對折射率，并計(jì)算空氣在參考溫度下的絕對折射率，從而計(jì)算出光學(xué)材料在參考溫度下的絕對折射率。再利用經(jīng)驗(yàn)公式和相關(guān)參數(shù)計(jì)算出光學(xué)材料在指定溫度下的絕對折射率的變化量以及空氣在指定溫度下的絕對折射率，從而可以得到光學(xué)材料在指定溫度下相對于空氣的相對折射率。其中，空氣的絕對折射率和相對折射率分別為：

圖1. 大孔徑近紅外星載相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)

4 結(jié)束語

雖然這些工作已經(jīng)成功地運(yùn)用于多個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析，但實(shí)際空間環(huán)境和溫度分布的復(fù)雜程度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過分析時(shí)所給定的情況，因此在這方面還有大量的基礎(chǔ)性工作要做。

需要指出的是，隔圈隨溫度的變化量是非常微小的，它在被動(dòng)補(bǔ)償中的作用也就十分有限，必須與光學(xué)補(bǔ)償結(jié)合使用才能達(dá)到良好的效果。如果需要擴(kuò)大被動(dòng)補(bǔ)償?shù)哪芰Γ�還可以采用其他一些非常特殊的結(jié)構(gòu)，通過對特定機(jī)構(gòu)溫度變形的復(fù)雜傳遞實(shí)現(xiàn)被動(dòng)機(jī)械補(bǔ)償。但這樣的結(jié)構(gòu)不僅設(shè)計(jì)非常復(fù)雜，體積可能也會(huì)比較龐大，在許多對體積和重量有要求的光學(xué)系統(tǒng)中不宜采用。

在中長紅外波段的光學(xué)系統(tǒng)可選用的材料很少，而且與可見光波段的材料相比，這些材料光學(xué)特性隨溫度的變化更為明顯，單靠光學(xué)材料實(shí)現(xiàn)被動(dòng)補(bǔ)償?shù)臒o熱化設(shè)計(jì)非常困難。目前可以在中長紅外波段采用折/衍混合光學(xué)系統(tǒng)，折/衍混合光學(xué)系統(tǒng)是由傳統(tǒng)的折射光學(xué)元件和衍射光學(xué)元件（Diffractive Optical Element）組成的光學(xué)系統(tǒng)。由于DOE具有特殊的衍射色散特性，且用其特殊的加工方法可毫無困難地提供球面自由度和實(shí)現(xiàn)組合功能。因此在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，利用DOE可使?jié)M足設(shè)計(jì)要求所需的光學(xué)元件大為減少，從而減少了系統(tǒng)的體積和重量。另一方面，DOE又具有負(fù)的熱差效應(yīng)，利用該特點(diǎn)容易實(shí)現(xiàn)無熱化要求的光學(xué)系統(tǒng)，同時(shí)由于波長比較長，衍射元件的臺(tái)階尺度可以比較大，使用目前的工藝技術(shù)完全可以實(shí)現(xiàn)。

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