红外热像仪

被动式红外光学系统的无热设计

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随着红外技术的发展,对红外光学系统的质量要求也越来越高。一些红外光学仪器,如军用热像仪,往往要求在变化很大的温度环境中工作,其典型值为-40℃~+50℃。在不同的温度条件下,由于光学材料和机械材料的热效应,使光学系统的一些参数发生相应的变化,进而使系统的最佳像面发生偏离,并且破坏原有的像差校正状态,故最终影响光学系统的性能。这种由温度引起的性能衰减称为光学系统的热效应或者温度效应。因此,在设计光学系统的过程中,必须采用一定的无热技术以消除温度效应的影响,使红外光学系统能够在一个较大的温度范围内保持良好的成像质量。
对于一个红外光学系统来说,温度效应主要表现在以下几个方面:
(1)光学元件的折射率随温度变化。
(2)光学元件的曲率半径、中心厚度随温度变化。
(3)镜筒材料的热效应。
在这些影响因素中,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元件之间的间隔的影响最小。
为了消除或减少温度效应对成像质量的影响,在设计过程中需要通过一定的补偿技术,使光学系统在一个比较大的温度范围内保持焦距不变或者变化很小,从而保持良好的成像质量,这称为无热设计。目前采用的无热技术大致可以分为三大类:第一类是机械被动式,它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,从而补偿由于温度变化引起的像面位移。这种方式由于增加了机械补偿部件,故使得系统的体积变大,重量增加。第二类是电子主动式,它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。第三类是光学被动式,它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。这种方式具有机构相对简单、尺寸小、重量轻、不需供电、系统可靠性好的优点,其综合效率最高,因此受到了极大的重视。
经过一系列的研究测算,得出了以下结论:环境温度对红外光学系统性能的影响是很大的。温度变化引起材料折射率、光学元件曲率半径和厚度以及光学元件之间的间隔等方面的变化,影响系统的成像质量。因此,在设计红外光学系统时,要充分考虑系统工作时所处的环境温度要求,使用无热技术补偿温度效应对光学系统产生的性能衰减,从而使系统在所要求的环境温度变化范围内保持良好的质量。