摘要：建立了用于溫度效應分析的光學系統熱模型，提出了一種光學機械綜合優化的被動補償方法，該方法將光學系統中光學元件和相關機械零件溫度特性統一參與光學系統優化設計，保證在較大的溫度范圍內都可以有很好的成像質量。設計實例表明，采用這個方法可以在不增加光學和機械結構復雜度的情況下得到良好的光機被動無熱化效果。

1?引言 對外部環境的適應能力是航天器上的光學系統有別于其他光學系統的重要標志，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。在各種外部環境中，溫度變化對光學系統的影響是重要的因索之一，主要有以下幾個方面。

1）熱差：普通光學系統設計只考慮在一般條件即常溫、常壓的情況，但是在實際使用中，當溫度等環境因素發生變化時，光學系統的很多參數如面形、間隔、厚度、材料折射率等都會隨之改變，成像就偏離了最佳的狀態，這種由溫度變化而產生的成像誤差稱作熱差。在光學系統設計時采取相應的補償措施消除熱差的方法稱作無熱化設計或無熱化技術。

2）熱噪聲：由于紅外光學系統所探測的是熱輻射信號，當光學系統本身的溫度達到探測器的探測范圍時，它自身熱輻射就有可能到達探測器接收而上，對真正的信號產生干擾，形成背景噪聲。 本文主要針對熱差分析和無熱化技術方面展開討論，著重給出一種光機綜合優化被動補償的設計方法，對用于航天器上的光學系統設計和分析有非常重要的作用。 在通常情況下，溫度非均勻分布，情況會非常復雜。除了要能夠對非均勻分布加以適當描述之外，非均勻溫度分布產生折射率的非均勻分布和零件的非均勻膨脹會將簡單的面形變成復雜的非球面。由于篇幅所限，這些內容不在本文中討論。

關于空間與地面壓力差的問題本不是本文的內容，但是由于涉及到環境影響，所以在設計時也應該加以考慮。設計應該以空間工作狀態的壓力來設計，由于現代設計軟件通常是以地面大氣壓下的折射率為相對值1，因此空間近真空環境中，相對折射率就會小于1，設計時要注意將壓力設置成真空，但是由于光學系統的加工安裝都是在地面正常壓力下實施的，測試時會出現與設計值不同的問題，所以設計者應同時給出地面壓力時的計算值。另外還要注意由于地面和空間的壓力差可能會造成光學零件的應力應變，這也會對成像產生嚴重的影響，這就要求在鏡筒結構設計時設置適當的透氣孔，以保持內外壓力的一致。

2 熱差分析和無熱化設計

要進行熱差分析和無熱化設計，首先要建立光學系統的熱模型。從本質上來講，溫度變化對光學系統成像質量的影響主要表現在以下三個方面。 1）光學元件的折射率隨溫度變化 常用的光學設計軟件一般是采用相對折射率來進行計算的，相對折射率以空氣折射率為單位折射率。然而當溫度變化時，空氣的折射率也不是固定不變的，因此計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系為： 介質相對折射率=介質絕對折射率/空氣折射率?（1） 在計算光學材料折射率隨溫度的變化量時，首先要利用色散公式計算光學材料在參考溫度下的相對折射率，并計算空氣在參考溫度下的絕對折射率，從而計算出光學材料在參考溫度下的絕對折射率。再利用經驗公式和相關參數計算出光學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光學系統

4 結束語

雖然這些工作已經成功地運用于多個光學系統的設計和分析，但實際空間環境和溫度分布的復雜程度要遠遠超過分析時所給定的情況，因此在這方面還有大量的基礎性工作要做。 需要指出的是，隔圈隨溫度的變化量是非常微小的，它在被動補償中的作用也就十分有限，必須與光學補償結合使用才能達到良好的效果。如果需要擴大被動補償的能力，還可以采用其他一些非常特殊的結構，通過對特定機構溫度變形的復雜傳遞實現被動機械補償。但這樣的結構不僅設計非常復雜，體積可能也會比較龐大，在許多對體積和重量有要求的光學系統中不宜采用。

在中長紅外波段的光學系統可選用的材料很少，而且與可見光波段的材料相比，這些材料光學特性隨溫度的變化更為明顯，單靠光學材料實現被動補償的無熱化設計非常困難。目前可以在中長紅外波段采用折/衍混合光學系統，折/衍混合光學系統是由傳統的折射光學元件和衍射光學元件（Diffractive Optical Element）組成的光學系統。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現組合功能。因此在光學系統設計中，利用DOE可使滿足設計要求所需的光學元件大為減少，從而減少了系統的體積和重量。另一方面，DOE又具有負的熱差效應，利用該特點容易實現無熱化要求的光學系統，同時由于波長比較長，衍射元件的臺階尺度可以比較大，使用目前的工藝技術完全可以實現。

編輯：黃飛

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