低温光学系统设计中4个关键技术及应用介绍

1引言

在红外天文望远镜、对地观测或军事探测等应用中，如果探测仪器的光学系统或者视场内仪器本身元器件的热辐射较强，这些背景噪声会严重影响探测仪器对目标的探测。因此要想提高红外探测系统的探测灵敏度，就必须降低探测仪器的光学系统和视场内仪器本身元器件的辐射强度，采用红外低温光学系统是目前最主要的方法。低温光学系统从20世纪70年代末问世以来，在目标空间红外探测中得到了广泛应用。系统制冷温度从液氮温度（77K）降低到液氦温度（2K），探测波长扩展到十几甚至几十微米，光学系统的口径小到10cm量级，大至1m左右的都有。目前国外在空间探测任务中，已成功应用或正在研制中准备发射的红外低温光学系统，可以归结为两类：1）全光路冷却系统，以空间红外天文望远镜为代表；2）局部的低温光学系统，主要以冷却后光路为主，主要应用在对地观测方面。本文首先总结了红外低温光学的几个关键技术，然后介绍了几个典型的红外低温光学应用实例，最后展望了红外低温光学在机载环境下的应用前景。

2红外低温光学关键技术及解决途径

采用低温光学技术来降低光学系统温度能够有效降低背景噪声，提高信噪比和灵敏度。低温光学系统的设计、制造和检测，与传统光学系统有很大的不同，不仅要求成像质量好、结构稳定、耐冲击、经得住系统内部温度变化引起的热负载，而且对系统的重量也有一定的限制。基于上述技术要求，低温光学系统在设计时需要考虑以下四个要素：1）光学系统构型选择；2）光学系统材料选择；3）光学系统结构设计；4）光学系统制冷方案设计。下面就从这四个方面对红外低温光学系统进行分析。

2.1红外低温光学系统构型选择

研制低温光学系统合理的途径是在室温下制造、检验合格，而使它在低温下工作时仍能保证其令人满意的成像质量。所以，低温光学系统实际上是一个在很大温度范围内能正常工作，并且维持衍射极限成像的特殊光学系统。低温光学系统设计必须遵循无热效应的设计原则，低温光学系统的构型可以分为全反射式光学系统和折射式光学系统两种类型。

全反射式低温光学系统能在宽波段内消除色差，获得衍射极限的成像质量，并且全部的光学元件用相同的材料制成，低温制冷后能够在常温下进行光学装调。全反射光学系统的另一个优点是光线不进入光学元件内部，因此能够有效避免材料内部的光学特性在温度变化较大时的检测与控制问题。全反射式光学系统在降温处理过程中的关键是找准系统热致伸缩的基点/基面。为保证反射镜镜面冷却后的面型精度，需要机械设计人员着重设计反射镜与冷板相连接的部位。全反射式光学系统的缺点是通常只能采用离轴形式，因此设备尺寸相对较大，装调困难，故仅适用于结构简单的低温光学系统。

折射式低温光学系统的优点是尺寸小，结构简单，缺点是不能保证所有材料相同，不同材料（包括光学镜片和镜框的材料）在冷却时热膨胀系数不同，而且不能用传统安装方法来安装透镜，必须采用柔性支撑，这会导致安装难度的增加。低温光学系统冷却后需要使光学装调能够正常进行，并且需要同时满足光学设计公差。对于含有折射元件的低温光学系统，光学设计给出的光学镜片的曲率半径、镜片中心厚度以及元件间隔等参数在加工装调时需换算到室温条件下的参数。换算后的曲率半径和镜片中心厚度值可以由ZEMAX光学设计软件的多重结构功能选项直接得到，而元件间隔只能手动计算，这是因为镜片的移动不是按顺序依次进行的，所以光学设计软件给出的结果往往有偏差，而且系统热致伸缩的基点或基面需要视杜瓦结构和制冷方案等具体情况而定。

全反射式和折射式两种结构的光学系统各有优缺点，设计时要结合具体应用的需求综合考虑。

2.2红外低温光学系统材料选择

低温光学系统的设计、加工和装调建立在材料特性的基础上，充分了解选用的光学材料特性才能将低温光学系统各规格参数换算到室温水平。低温光学系统的光学材料要选用透红外、耐高温、耐腐蚀的材料，目前可用于红外波段的光学材料主要包括AI2O3、AlON、MgF2、Si、GaAs、GaP、ZnS、Ge、CaLa2S4等，表1为其主要性能。

表1 常用光学材料性能表

从这些材料的性能来看，金刚石是适合用于红外低温光学窗口的材料，但是天然金刚石价格高，人造金刚石的尺寸又不能满足要求；GaP距离工程实用化还相差较远；Ge在工作温度高于一定温度后，透过率会迅速下降，因而难以用作红外低温光学窗口材料；CaLa2S4的热膨胀系数很大，难以适用于热环境变化剧烈的工作条件，目前只有极少数国家在开展这种材料的研究工作；GaAs较软，欲制作大尺寸的光学窗口较难实现；ZnS和ZnSe相比，光学特性近似，但是ZnS的机械性能优于ZnSe的机械性能，因此常常用ZnS来作为红外低温光学的窗口材料。ZnS材料属于光学晶体，材料的制作通常采用物理气相沉积，化学气相沉积，粉末热压成型等制作方法。

2.3红外低温光学系统结构设计

红外低温光学系统的光机结构设计需遵循不调整原则和均一性原则。不调整原则是指光学系统的准直和最终性能不再通过传统的修磨垫片等手段来调整，而是直接通过设计精度、误差分析和材料分析等保证。因为每一次降温和升温过程以及恒温器的真空化都需要很长时间，而且室温下的装调结果在低温工作时还会变化。而在低温下很难进行调整，尽管可以通过一些压电促动器进行低温下微调，但其可靠性难以保证。因此，大多数低温红外光机结构都遵循不调整原则。均一性原则是指光机结构所有部分采用同一材料。对于全反射光学系统，尽管光学系统的尺寸会随着温度变化而变化，但反射镜表面曲线变化均匀，因此光学系统在室温或者低温环境下工作时性能不会下降。而在折射式光学系统中，通常会有多种不同材料，不再满足均一性原则，光学性能在室温和低温下会有所不同。不同材料的热涨会导致变形和内应力，造成性能下降，因此需要对光机结构进行运动学安装设计。

理想的光学件安装应该在任何环境下都能够保证位置精确，而且没有内应力。可以由6个自由度来确定一个光学件的位置，当6个自由度被单独地全部或部分约束，就能够精确定位或精确运动。经典的运动学定位模型如图1所示。《Cryogenic hysteresis and creep characteristicsof piezoelectric bimorph scanner》给出了红外低温光学系统中不同类型光学件的安装方法。

图1 经典运动学定位模型

2.4红外低温光学系统制冷方案设计

低温光学就是将像面处能够被探测器看到的表面所属的光学元件同探测器一起放置于低温恒温器中，通过降温的方式抑制自身的热辐射，因此制冷方案的选择很关键。由于液氮制冷无法达到20K以下的低温，目前低温光学系统制冷方案设计中通常采用将液氦灌入仓内，通过冷板传导使光学系统降温的方法。氦冷背景主要有以下三种实现途径：1）开式液氦冷却系统；2）机械式氦气制冷机系统；3）氦循环冷却系统。

开式液氦冷却系统由两部分构成，包括液氦热沉和液氦储槽，结构如图2所示，该系统无法对液氦进行循环利用，运行成本高；机械式氦气制冷机系统是通过一套或多套大功率氦压缩机配合冷头，将冷板降温至20K以下，其缺点是若使用多套大功率氦压缩机及其配套冷头，产生的震动将会影响光学成像；氦循环系统是目前技术最先进、最稳定可靠的氦冷背景冷却系统，通过分配装置将液氦注入到冷舱的制冷管路中实现降温，回流的氦气经过纯化、降温、液化等工序后，又被分配装置再次注入冷舱的制冷管路中，图3为氦循环冷却系统结构图。

通过上述分析可知未来低温光学系统应采用氦循环冷却系统，因为该系统不仅背景温度均匀性好、状态稳定、无机械震动，不影响光学成像，而且密闭循环，成本低，可靠性高。

图2 开式液氦冷却系统结构图

图3 氦循环冷却系统结构图

3典型的制冷红外系统

3.1红外遥感相机

红外遥感相机的主体结构由四反同轴的微晶镜头、中长波探测器、长波探测器、主承力筒、遮光罩以及中波组件和视频处理器等组成，图4所示为其模拟示意图。

图4 红外模拟示意图

光学镜头包括主镜、次镜、三镜以及镜间支撑结构。光学材料采用的是热膨胀系数较小的微晶玻璃。由于微晶玻璃导热性差，如果仅仅将镜头上某—点与冷头连接，就不能使距冷头较远的镜头温度降低。因此采用的是一套优化的制冷系统，系统组成如图5所示。

图5 光学镜头制冷示意图

在光学镜头外包络一层铝合金材料的冷屏结构，冷屏结构的厚度为4mm,其内表面进行了黑色阳极氧化处理，连接面涂用以降低接触热阻的导热脂，制冷机冷头与冷屏中段直接连接，冷量以热传导的方式传递至冷屏其余各段。为了确保光学镜头制冷机在指标要求温度下可以提供足够的冷量，在冷屏结构的外表面包覆着25单元多层隔热材料，多层采用6μm的双面镀铝聚酯薄膜，用涤纶网作中间间隔层。

3.2红外空间望远镜

低温光学系统在空间观测中的应用主要是空间望远镜。Herschel空间天文望远镜是欧洲航天局KSA在2009年发射的远红外望远镜，如图6所示。Herschel望远镜的主光学系统是卡赛格伦反射系统，工作波段为57 ~ 670μm，主镜3.5m，包括三台低温光学仪器：远红外差分仪、光电探测器阵列相机及分光计、光谱及光度计的成像接收器。工作时，用2000升超流氮对安装三台仪器的光学平台及其部件致冷，冷却温度可达3K以下。

图6 Herschel空间天文望远镜

4总结与展望

本文梳理了低温光学系统设计中的光学系统构型选择、光学材料选择、结构设计、制冷方案设计四个关键技术，并简单介绍了红外遥感相机和空间红外望远镜这两个红外低温光学的应用实例。

红外低温光学在天文望远镜、红外相机等方面都得到了广泛应用，可以发现光学系统在经过制冷以后，产生的辐射亮度降低了几个数量级，大大降低了系统内部热辐射和探测器背景噪声，有效提高了系统的探测能力以及光学系统信噪比。虽然当前低温光学技术主要在深空中运用，但机载环境下应用低温光学技术已成为我国未来机载红外预警发展的必然趋势，原因如下：1）对于机载应用，自然杂散光辐射的影响比光学系统自身辐射的影响更大，运用低温光学技术降低光学系统温度，能够有效降低背景噪声辐射强度，使其小于目标辐射强度，有利于更好的对目标进行预警探测；2）优化低温光学系统设计，可以采用光学、探测器集成杜瓦，进一步提高低温光学的效率；3）优化光学结构设计，减少光学结构件，结构件产生的辐射强度影响较大；4）全反射光学系统设计，可以应用自由曲面镜来简化光学镜片的使用，进一步提高光学效率。红外低温光学技术已成为21世纪红外探测的热门研究课题，是提高系统探测性能的主要途径，在机载上应用红外低温光学技术对于提高大中型预警机的远程预警探测能力，具有重要的应用价值。