1引言

在紅外天文望遠鏡、對地觀測或軍事探測等應用中，如果探測儀器的光學系統或者視場內儀器本身元器件的熱輻射較強，這些背景噪聲會嚴重影響探測儀器對目標的探測。因此要想提高紅外探測系統的探測靈敏度，就必須降低探測儀器的光學系統和視場內儀器本身元器件的輻射強度，采用紅外低溫光學系統是目前最主要的方法。低溫光學系統從20世紀70年代末問世以來，在目標空間紅外探測中得到了廣泛應用。系統制冷溫度從液氮溫度（77K）降低到液氦溫度（2K），探測波長擴展到十幾甚至幾十微米，光學系統的口徑小到10cm量級，大至1m左右的都有。目前國外在空間探測任務中，已成功應用或正在研制中準備發射的紅外低溫光學系統，可以歸結為兩類：1）全光路冷卻系統，以空間紅外天文望遠鏡為代表；2）局部的低溫光學系統，主要以冷卻后光路為主，主要應用在對地觀測方面。本文首先總結了紅外低溫光學的幾個關鍵技術，然后介紹了幾個典型的紅外低溫光學應用實例，最后展望了紅外低溫光學在機載環境下的應用前景。

2紅外低溫光學關鍵技術及解決途徑

采用低溫光學技術來降低光學系統溫度能夠有效降低背景噪聲，提高信噪比和靈敏度。低溫光學系統的設計、制造和檢測，與傳統光學系統有很大的不同，不僅要求成像質量好、結構穩定、耐沖擊、經得住系統內部溫度變化引起的熱負載，而且對系統的重量也有一定的限制。基于上述技術要求，低溫光學系統在設計時需要考慮以下四個要素：1）光學系統構型選擇；2）光學系統材料選擇；3）光學系統結構設計；4）光學系統制冷方案設計。下面就從這四個方面對紅外低溫光學系統進行分析。

2.1紅外低溫光學系統構型選擇

研制低溫光學系統合理的途徑是在室溫下制造、檢驗合格，而使它在低溫下工作時仍能保證其令人滿意的成像質量。所以，低溫光學系統實際上是一個在很大溫度范圍內能正常工作，并且維持衍射極限成像的特殊光學系統。低溫光學系統設計必須遵循無熱效應的設計原則，低溫光學系統的構型可以分為全反射式光學系統和折射式光學系統兩種類型。

全反射式低溫光學系統能在寬波段內消除色差，獲得衍射極限的成像質量，并且全部的光學元件用相同的材料制成，低溫制冷后能夠在常溫下進行光學裝調。全反射光學系統的另一個優點是光線不進入光學元件內部，因此能夠有效避免材料內部的光學特性在溫度變化較大時的檢測與控制問題。全反射式光學系統在降溫處理過程中的關鍵是找準系統熱致伸縮的基點/基面。為保證反射鏡鏡面冷卻后的面型精度，需要機械設計人員著重設計反射鏡與冷板相連接的部位。全反射式光學系統的缺點是通常只能采用離軸形式，因此設備尺寸相對較大，裝調困難，故僅適用于結構簡單的低溫光學系統。

折射式低溫光學系統的優點是尺寸小，結構簡單，缺點是不能保證所有材料相同，不同材料（包括光學鏡片和鏡框的材料）在冷卻時熱膨脹系數不同，而且不能用傳統安裝方法來安裝透鏡，必須采用柔性支撐，這會導致安裝難度的增加。低溫光學系統冷卻后需要使光學裝調能夠正常進行，并且需要同時滿足光學設計公差。對于含有折射元件的低溫光學系統，光學設計給出的光學鏡片的曲率半徑、鏡片中心厚度以及元件間隔等參數在加工裝調時需換算到室溫條件下的參數。換算后的曲率半徑和鏡片中心厚度值可以由ZEMAX光學設計軟件的多重結構功能選項直接得到，而元件間隔只能手動計算，這是因為鏡片的移動不是按順序依次進行的，所以光學設計軟件給出的結果往往有偏差，而且系統熱致伸縮的基點或基面需要視杜瓦結構和制冷方案等具體情況而定。

全反射式和折射式兩種結構的光學系統各有優缺點，設計時要結合具體應用的需求綜合考慮。

2.2紅外低溫光學系統材料選擇

低溫光學系統的設計、加工和裝調建立在材料特性的基礎上，充分了解選用的光學材料特性才能將低溫光學系統各規格參數換算到室溫水平。低溫光學系統的光學材料要選用透紅外、耐高溫、耐腐蝕的材料，目前可用于紅外波段的光學材料主要包括AI2O3、AlON、MgF2、Si、GaAs、GaP、ZnS、Ge、CaLa2S4等，表1為其主要性能。

表1 常用光學材料性能表

從這些材料的性能來看，金剛石是適合用于紅外低溫光學窗口的材料，但是天然金剛石價格高，人造金剛石的尺寸又不能滿足要求；GaP距離工程實用化還相差較遠；Ge在工作溫度高于一定溫度后，透過率會迅速下降，因而難以用作紅外低溫光學窗口材料；CaLa2S4的熱膨脹系數很大，難以適用于熱環境變化劇烈的工作條件，目前只有極少數國家在開展這種材料的研究工作；GaAs較軟，欲制作大尺寸的光學窗口較難實現；ZnS和ZnSe相比，光學特性近似，但是ZnS的機械性能優于ZnSe的機械性能，因此常常用ZnS來作為紅外低溫光學的窗口材料。ZnS材料屬于光學晶體，材料的制作通常采用物理氣相沉積，化學氣相沉積，粉末熱壓成型等制作方法。

2.3紅外低溫光學系統結構設計

紅外低溫光學系統的光機結構設計需遵循不調整原則和均一性原則。不調整原則是指光學系統的準直和最終性能不再通過傳統的修磨墊片等手段來調整，而是直接通過設計精度、誤差分析和材料分析等保證。因為每一次降溫和升溫過程以及恒溫器的真空化都需要很長時間，而且室溫下的裝調結果在低溫工作時還會變化。而在低溫下很難進行調整，盡管可以通過一些壓電促動器進行低溫下微調，但其可靠性難以保證。因此，大多數低溫紅外光機結構都遵循不調整原則。均一性原則是指光機結構所有部分采用同一材料。對于全反射光學系統，盡管光學系統的尺寸會隨著溫度變化而變化，但反射鏡表面曲線變化均勻，因此光學系統在室溫或者低溫環境下工作時性能不會下降。而在折射式光學系統中，通常會有多種不同材料，不再滿足均一性原則，光學性能在室溫和低溫下會有所不同。不同材料的熱漲會導致變形和內應力，造成性能下降，因此需要對光機結構進行運動學安裝設計。

理想的光學件安裝應該在任何環境下都能夠保證位置精確，而且沒有內應力。可以由6個自由度來確定一個光學件的位置，當6個自由度被單獨地全部或部分約束，就能夠精確定位或精確運動。經典的運動學定位模型如圖1所示。《Cryogenic hysteresis and creep characteristicsof piezoelectric bimorph scanner》給出了紅外低溫光學系統中不同類型光學件的安裝方法。

圖1 經典運動學定位模型

2.4紅外低溫光學系統制冷方案設計

低溫光學就是將像面處能夠被探測器看到的表面所屬的光學元件同探測器一起放置于低溫恒溫器中，通過降溫的方式抑制自身的熱輻射，因此制冷方案的選擇很關鍵。由于液氮制冷無法達到20K以下的低溫，目前低溫光學系統制冷方案設計中通常采用將液氦灌入倉內，通過冷板傳導使光學系統降溫的方法。氦冷背景主要有以下三種實現途徑：1）開式液氦冷卻系統；2）機械式氦氣制冷機系統；3）氦循環冷卻系統。

開式液氦冷卻系統由兩部分構成，包括液氦熱沉和液氦儲槽，結構如圖2所示，該系統無法對液氦進行循環利用，運行成本高；機械式氦氣制冷機系統是通過一套或多套大功率氦壓縮機配合冷頭，將冷板降溫至20K以下，其缺點是若使用多套大功率氦壓縮機及其配套冷頭，產生的震動將會影響光學成像；氦循環系統是目前技術最先進、最穩定可靠的氦冷背景冷卻系統，通過分配裝置將液氦注入到冷艙的制冷管路中實現降溫，回流的氦氣經過純化、降溫、液化等工序后，又被分配裝置再次注入冷艙的制冷管路中，圖3為氦循環冷卻系統結構圖。

通過上述分析可知未來低溫光學系統應采用氦循環冷卻系統，因為該系統不僅背景溫度均勻性好、狀態穩定、無機械震動，不影響光學成像，而且密閉循環，成本低，可靠性高。

圖2 開式液氦冷卻系統結構圖

圖3 氦循環冷卻系統結構圖

3典型的制冷紅外系統

3.1紅外遙感相機

紅外遙感相機的主體結構由四反同軸的微晶鏡頭、中長波探測器、長波探測器、主承力筒、遮光罩以及中波組件和視頻處理器等組成，圖4所示為其模擬示意圖。

圖4 紅外模擬示意圖

光學鏡頭包括主鏡、次鏡、三鏡以及鏡間支撐結構。光學材料采用的是熱膨脹系數較小的微晶玻璃。由于微晶玻璃導熱性差，如果僅僅將鏡頭上某—點與冷頭連接，就不能使距冷頭較遠的鏡頭溫度降低。因此采用的是一套優化的制冷系統，系統組成如圖5所示。

圖5 光學鏡頭制冷示意圖

在光學鏡頭外包絡一層鋁合金材料的冷屏結構，冷屏結構的厚度為4mm,其內表面進行了黑色陽極氧化處理，連接面涂用以降低接觸熱阻的導熱脂，制冷機冷頭與冷屏中段直接連接，冷量以熱傳導的方式傳遞至冷屏其余各段。為了確保光學鏡頭制冷機在指標要求溫度下可以提供足夠的冷量，在冷屏結構的外表面包覆著25單元多層隔熱材料，多層采用6μm的雙面鍍鋁聚酯薄膜，用滌綸網作中間間隔層。

3.2紅外空間望遠鏡

低溫光學系統在空間觀測中的應用主要是空間望遠鏡。Herschel空間天文望遠鏡是歐洲航天局KSA在2009年發射的遠紅外望遠鏡，如圖6所示。Herschel望遠鏡的主光學系統是卡賽格倫反射系統，工作波段為57 ~ 670μm，主鏡3.5m，包括三臺低溫光學儀器：遠紅外差分儀、光電探測器陣列相機及分光計、光譜及光度計的成像接收器。工作時，用2000升超流氮對安裝三臺儀器的光學平臺及其部件致冷，冷卻溫度可達3K以下。

圖6 Herschel空間天文望遠鏡

4總結與展望

本文梳理了低溫光學系統設計中的光學系統構型選擇、光學材料選擇、結構設計、制冷方案設計四個關鍵技術，并簡單介紹了紅外遙感相機和空間紅外望遠鏡這兩個紅外低溫光學的應用實例。

紅外低溫光學在天文望遠鏡、紅外相機等方面都得到了廣泛應用，可以發現光學系統在經過制冷以后，產生的輻射亮度降低了幾個數量級，大大降低了系統內部熱輻射和探測器背景噪聲，有效提高了系統的探測能力以及光學系統信噪比。雖然當前低溫光學技術主要在深空中運用，但機載環境下應用低溫光學技術已成為我國未來機載紅外預警發展的必然趨勢，原因如下：1）對于機載應用，自然雜散光輻射的影響比光學系統自身輻射的影響更大，運用低溫光學技術降低光學系統溫度，能夠有效降低背景噪聲輻射強度，使其小于目標輻射強度，有利于更好的對目標進行預警探測；2）優化低溫光學系統設計，可以采用光學、探測器集成杜瓦，進一步提高低溫光學的效率；3）優化光學結構設計，減少光學結構件，結構件產生的輻射強度影響較大；4）全反射光學系統設計，可以應用自由曲面鏡來簡化光學鏡片的使用，進一步提高光學效率。紅外低溫光學技術已成為21世紀紅外探測的熱門研究課題，是提高系統探測性能的主要途徑，在機載上應用紅外低溫光學技術對于提高大中型預警機的遠程預警探測能力，具有重要的應用價值。