一种长波红外光学消热差系统设计

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1、第34卷第9期红外技术Vol.34No.92012年9月InfraredTechnologySep.2012一种长波红外光学消热差系统设计1,211121王远方舟，白玉琢，贾钰超，陈骥，石晓光，李茂忠（1.昆明物理研究所，云南昆明650223；2.长春理工大学理学院，吉林长春130022）摘要：介绍了长波红外消热差系统的种类，分析了温度对光学元件的影响，并列出光学参量随温度变化的公式。总结了红外消热差系统的设计原理，解出消热差消色差条件方程组并设计了一个工作波段为8～12m，f＝25mm，F数1.2，配384×288，像元大小25m非制冷探

2、测器的系统。结果表明，系统结构简单，在－40℃～80℃温度范围内系统调制传递函数，均方根弥散斑直径变化均很小，符合红外消热差系统的条件。关键词：长波红外；消热差；光学被动式中图分类号：TN216文献标识码：A文章编号：1001-8891(2012)09-0531-04ADesignofFIRAthermalSystem1,211121WANGYuan-fanghzou，BAIYu-zhuo，JIAYu-chao，CHENJi，SHIXiao-guang，LIMao-zhong(1.KunmingInstituteofPhisics,Kunmin

3、g650223,China;2.FacultyofScience,ChangchunUniversityofScienceandTechnology,Changchun130022,China)Abstract：ThispaperintroducedtheformsofathermalLWIRlens,andanalysedtheeffectsofopticalelementswhentemperaturechanged.Theequationsofopticalparametersshiftwithtemperatureweresurmeri

4、sed.Threesimultaneousequationsweresolvedtoderiveanachromaticandathermalsystem,whosefocallengthwas25mm,f/numberwas1.2.Thissystemwascompatiblewithuncooledfocalplanearraywhichhasaformatof384×288andthepixelpitchof25m.Itcanadaptatemperaturerangeof－40℃～＋80℃,andthepropertieswerest

5、eadyandextraordinary.Keywords：LWIR，athermallense，opticalpassive[2]度的变化。在以上变化中，以光学元件折射率及形0引言状的变化影响最大。由于红外系统使用环境的不确定性，红外光学系由于国内部分结构材料稳定性较弱的限制，机械统需要在很大的温度范围内保持稳定的性能。但是随被动式消热差镜头存在性能不够稳定的情况，而如果着温度的变化，透镜和机械结构膨胀收缩，透镜材料要求外形结构较小并且成本适中，光学被动式消热差折射率发生改变，红外光学系统通常产生离焦从而降为一种很好的选择。本文即应用光学被动

6、式消热差技低成像质量。因此需要采用一些技术来消除温度的影术，引入衍射元件设计了一个长波红外光学消热差系响，于是出现了红外消热差系统。红外消热差系统即统。是采取热补偿技术使红外系统在一定温度范围内能1折射光学元件和衍射光学元件的温度特性够保持性能稳定的系统。红外光学系统消热差方式包括以下几种：机械光学元件的温度特性可用光热膨胀系数xf来表被动式、机械主动（电子）式、光学被动式、光机混征，它定义为单位温度变化引起的光焦度的相对变[1][3]合式、主动被动混合机械式。其中，机械被动式，化。折射元件的光热膨胀系数xf,t为：机械主动式及光学被动式较为常

7、见。通常在进行无热1dndn0化设计时需要考虑红外光学材料折射率随温度的变xnfg,=--(1)nnT-0ddT化，透镜曲率半径及厚度随温度的变化，镜筒材料膨胀收缩导致透镜元件间距的变化和空气折射率随温式中：g和n分别为透镜材料的热膨胀系数和折射率；收稿日期：2012-07-19.作者简介：王远方舟（1988-），女，硕士研究生，研究方向：红外光学系统设计。531第34卷第9期红外技术Vol.34No.92012年9月InfraredTechnologySep.2012n0为像空间的折射率；由式(1)可见，折射元件光热膨11/

8、vv12-1/1/v1==-(6)32胀系数，仅取决于材料的性质，与材料的热膨胀系数f331/vv--1/131/vv1/1以及材料的折射率随温