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

據麥姆斯咨詢報道，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軍事代表室和哈爾濱工業大學的聯合科研團隊在《紅外技術》期刊上發表了以“基于硅鍺材料低成本中波紅外光學系統無熱化設計”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，主要從事光學系統設計、光學導引頭設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片式光學結構設計了一個中波紅外制冷光學系統，結構簡單，透過率高，像質優良，實現了中波制冷紅外導引頭的低成本、無熱化設計。

兩軸框架式工作原理

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

圖1 兩軸框架式導引頭結構示意圖

設計實例

光學技術指標

紅外光學系統的主要光學技術指標包括：工作波段、焦距、視場、F數、光學畸變、像元尺寸和工作溫度等。本設計實例基于某制冷紅外系統，采用F數為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100%冷光闌效率，同時要求光學系統具有成本低、可靠性高，環境適應性強的技術特點，詳細光學系統設計指標如表 1所示。

表1 光學技術指標

光學結構形式及材料的選取

紅外制冷光學系統（定焦）的結構形式分為一次成像和二次成像兩種光學結構形式。一次成像結構簡單，鏡片數量少，透過率高，易裝校，但窗口尺寸大；二次成像結構入瞳位于窗口上，窗口尺寸小，但系統結構相對復雜，鏡片數量多，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構與高精度調焦平臺相結合的形式實現了機載緊湊型中波紅外相機的設計。

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，中波系統中常用Si，Ge，ZnSe，ZnS等。在長波系統中常用，Ge，ZnSe，ZnS等，此外硫系玻璃在紅外系統中也有大量應用。有文獻是基于硫系玻璃實現中波紅外光學系統無熱化設計。文獻利用折/衍混合同時實現了復消色差和消熱差設計。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能夠實現，為消熱差設計提供了更多的自由度。

本系統采用二軸伺服框架控制方式，綜合考慮系統的使用目的、空間尺寸和技術指標要求，主要解決系統低成本和無熱化問題。光學系統采用一次成像結構，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，平衡光學像差和熱差之間的矛盾，選用最常用、穩定性好、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計，減少鏡片數量，降低光學裝校難度，提高透過率，在提升系統環境適應性的同時，實現了低成本研制，適于批量生產。

無熱化設計原理

在紅外光學系統中，當環境溫度發生變化時，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的像質下降，圖像模糊不清，對比度下降，最終影響整機系統的性能，為此需要采用無熱化技術消除環境變化的影響。

對于定焦距紅外光學系統，目前其無熱化技術主要采用光學被動式。光學被動式特點為：結構簡單、尺寸較小、質量輕、無需供電和可靠性高。

設計結果及像質評價

通過反復優化設計，光學系統鏡頭參數數據表如表2所示，光學系統如圖2所示，光學系統主要由頭罩和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，結構支撐件材料為鋁。透鏡1和透鏡3為正透鏡。采用傳統的常規球面硅透鏡，材料價格低，易于加工。

表2 光學鏡頭參數表

圖2 光學系統圖

衍射效率是衍射光學元件的一個重要性能指標，經計算衍射效率為0.98。二元面面型結構如圖3所示。

圖3 二元面面型

圖4~圖6為不同溫度下系統的傳遞函數曲線，圖7為光學系統的畸變曲線。

圖4 20℃時MTF曲線

圖5 -40℃時MTF曲線

圖6 +70℃時MTF曲線

圖7 光學系統場曲和畸變

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

表3 不同溫度下MTF值（最小值）

冷反射分析

制冷紅外光學系統中冷反射是評價和計算紅外系統性能的重要指標之一，本文通過ZEMAX光學設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

光學系統公差包括零件加工允許誤差和系統裝校的允許誤差。光學系統在設計時，在滿足系統指標要求的前提下，還要充分考慮光學系統各結構參數的公差分配，如光學透鏡加工的面型精度、厚度、偏心；系統裝校時，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的加工和裝校效率，提升產品的良品率，降低產品的生產成本。本文表4為系統的零件加工公差，表5為零件裝配公差，以上述公差為分析依據，通過光學軟件進行蒙特卡洛公差分析，光學系統MTF分析結果如圖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果可知：光學系統在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，滿足系統指標要求。

工程實現及測試結果

光學系統進行精密裝校后，工程樣機和成像效果如圖 12所示，使用TRIOPTICS全歐光學傳遞函數測量儀對光學系統的傳遞函數和畸變進行測試，測試結果如圖13、圖14所示。從測試結果可以看出，所研制的工程樣機成像質量優良，無明顯冷反射現象，滿足技術指標要求。

圖12 精密裝校后的光學系統

圖13 實測MTF曲線圖

圖14 實測畸變曲線圖

結論

為滿足中波紅外制導光學系統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，設計一種高分辨率中波制冷紅外成像制導光學系統。在設計過程中，采用一次成像3片式光學結構，基于穩定性好的硅鍺材料，配合使用折-衍混合設計手段，實現了光學系統－40℃~+70℃無熱化設計。開展工程樣機研制和成像效果實驗。經實測，光學系統的軸上視場傳遞函數（最小值）MTF≥0.55@33 lp/mm，0.7視場傳遞函數（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%，無冷反射現象，成像質量優良，滿足技術指標要求。光學系統易加工裝調、良品率高、成本低，適于批量生產，可廣泛應用于光學成像制導、搜索、跟蹤和偵察等領域。