1引言

在紅外天文望遠(yuǎn)鏡、對地觀測或軍事探測等應(yīng)用中，如果探測儀器的光學(xué)系統(tǒng)或者視場內(nèi)儀器本身元器件的熱輻射較強(qiáng)，這些背景噪聲會嚴(yán)重影響探測儀器對目標(biāo)的探測。因此要想提高紅外探測系統(tǒng)的探測靈敏度，就必須降低探測儀器的光學(xué)系統(tǒng)和視場內(nèi)儀器本身元器件的輻射強(qiáng)度，采用紅外低溫光學(xué)系統(tǒng)是目前最主要的方法。低溫光學(xué)系統(tǒng)從20世紀(jì)70年代末問世以來，在目標(biāo)空間紅外探測中得到了廣泛應(yīng)用。系統(tǒng)制冷溫度從液氮溫度（77K）降低到液氦溫度（2K），探測波長擴(kuò)展到十幾甚至幾十微米，光學(xué)系統(tǒng)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(wù)中，已成功應(yīng)用或正在研制中準(zhǔn)備發(fā)射的紅外低溫光學(xué)系統(tǒng)，可以歸結(jié)為兩類：1）全光路冷卻系統(tǒng)，以空間紅外天文望遠(yuǎn)鏡為代表；2）局部的低溫光學(xué)系統(tǒng)，主要以冷卻后光路為主，主要應(yīng)用在對地觀測方面。本文首先總結(jié)了紅外低溫光學(xué)的幾個關(guān)鍵技術(shù)，然后介紹了幾個典型的紅外低溫光學(xué)應(yīng)用實(shí)例，最后展望了紅外低溫光學(xué)在機(jī)載環(huán)境下的應(yīng)用前景。

2紅外低溫光學(xué)關(guān)鍵技術(shù)及解決途徑

采用低溫光學(xué)技術(shù)來降低光學(xué)系統(tǒng)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(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造和檢測，與傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)有很大的不同，不僅要求成像質(zhì)量好、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、耐沖擊、經(jīng)得住系統(tǒng)內(nèi)部溫度變化引起的熱負(fù)載，而且對系統(tǒng)的重量也有一定的限制?；谏鲜黾夹g(shù)要求，低溫光學(xué)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時需要考慮以下四個要素：1）光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)型選擇；2）光學(xué)系統(tǒng)材料選擇；3）光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；4）光學(xué)系統(tǒng)制冷方案設(shè)計(jì)。下面就從這四個方面對紅外低溫光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行分析。

2.1紅外低溫光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)型選擇

研制低溫光學(xué)系統(tǒng)合理的途徑是在室溫下制造、檢驗(yàn)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(zhì)量。所以，低溫光學(xué)系統(tǒng)實(shí)際上是一個在很大溫度范圍內(nèi)能正常工作，并且維持衍射極限成像的特殊光學(xué)系統(tǒng)。低溫光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須遵循無熱效應(yīng)的設(shè)計(jì)原則，低溫光學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)型可以分為全反射式光學(xué)系統(tǒng)和折射式光學(xué)系統(tǒng)兩種類型。

全反射式低溫光學(xué)系統(tǒng)能在寬波段內(nèi)消除色差，獲得衍射極限的成像質(zhì)量，并且全部的光學(xué)元件用相同的材料制成，低溫制冷后能夠在常溫下進(jìn)行光學(xué)裝調(diào)。全反射光學(xué)系統(tǒng)的另一個優(yōu)點(diǎn)是光線不進(jìn)入光學(xué)元件內(nèi)部，因此能夠有效避免材料內(nèi)部的光學(xué)特性在溫度變化較大時的檢測與控制問題。全反射式光學(xué)系統(tǒng)在降溫處理過程中的關(guān)鍵是找準(zhǔn)系統(tǒng)熱致伸縮的基點(diǎn)/基面。為保證反射鏡鏡面冷卻后的面型精度，需要機(jī)械設(shè)計(jì)人員著重設(shè)計(jì)反射鏡與冷板相連接的部位。全反射式光學(xué)系統(tǒng)的缺點(diǎn)是通常只能采用離軸形式，因此設(shè)備尺寸相對較大，裝調(diào)困難，故僅適用于結(jié)構(gòu)簡單的低溫光學(xué)系統(tǒng)。

折射式低溫光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是尺寸小，結(jié)構(gòu)簡單，缺點(diǎn)是不能保證所有材料相同，不同材料（包括光學(xué)鏡片和鏡框的材料）在冷卻時熱膨脹系數(shù)不同，而且不能用傳統(tǒng)安裝方法來安裝透鏡，必須采用柔性支撐，這會導(dǎo)致安裝難度的增加。低溫光學(xué)系統(tǒng)冷卻后需要使光學(xué)裝調(diào)能夠正常進(jìn)行，并且需要同時滿足光學(xué)設(shè)計(jì)公差。對于含有折射元件的低溫光學(xué)系統(tǒng)，光學(xué)設(shè)計(jì)給出的光學(xué)鏡片的曲率半徑、鏡片中心厚度以及元件間隔等參數(shù)在加工裝調(diào)時需換算到室溫條件下的參數(shù)。換算后的曲率半徑和鏡片中心厚度值可以由ZEMAX光學(xué)設(shè)計(jì)軟件的多重結(jié)構(gòu)功能選項(xiàng)直接得到，而元件間隔只能手動計(jì)算，這是因?yàn)殓R片的移動不是按順序依次進(jìn)行的，所以光學(xué)設(shè)計(jì)軟件給出的結(jié)果往往有偏差，而且系統(tǒng)熱致伸縮的基點(diǎn)或基面需要視杜瓦結(jié)構(gòu)和制冷方案等具體情況而定。

全反射式和折射式兩種結(jié)構(gòu)的光學(xué)系統(tǒng)各有優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)時要結(jié)合具體應(yīng)用的需求綜合考慮。

2.2紅外低溫光學(xué)系統(tǒng)材料選擇

低溫光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、加工和裝調(diào)建立在材料特性的基礎(chǔ)上，充分了解選用的光學(xué)材料特性才能將低溫光學(xué)系統(tǒng)各規(guī)格參數(shù)換算到室溫水平。低溫光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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(shí)用化還相差較遠(yuǎn)；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(xué)窗口材料；CaLa2S4的熱膨脹系數(shù)很大，難以適用于熱環(huán)境變化劇烈的工作條件，目前只有極少數(shù)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(xué)窗口較難實(shí)現(xiàn)；ZnS和ZnSe相比，光學(xué)特性近似，但是ZnS的機(jī)械性能優(yōu)于ZnSe的機(jī)械性能，因此常常用ZnS來作為紅外低溫光學(xué)的窗口材料。ZnS材料屬于光學(xué)晶體，材料的制作通常采用物理氣相沉積，化學(xué)氣相沉積，粉末熱壓成型等制作方法。

2.3紅外低溫光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

紅外低溫光學(xué)系統(tǒng)的光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需遵循不調(diào)整原則和均一性原則。不調(diào)整原則是指光學(xué)系統(tǒng)的準(zhǔn)直和最終性能不再通過傳統(tǒng)的修磨墊片等手段來調(diào)整，而是直接通過設(shè)計(jì)精度、誤差分析和材料分析等保證。因?yàn)槊恳淮谓禍睾蜕郎剡^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(diào)結(jié)果在低溫工作時還會變化。而在低溫下很難進(jìn)行調(diào)整，盡管可以通過一些壓電促動器進(jìn)行低溫下微調(diào)，但其可靠性難以保證。因此，大多數(shù)低溫紅外光機(jī)結(jié)構(gòu)都遵循不調(diào)整原則。均一性原則是指光機(jī)結(jié)構(gòu)所有部分采用同一材料。對于全反射光學(xué)系統(tǒng)，盡管光學(xué)系統(tǒng)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(xué)系統(tǒng)在室溫或者低溫環(huán)境下工作時性能不會下降。而在折射式光學(xué)系統(tǒng)中，通常會有多種不同材料，不再滿足均一性原則，光學(xué)性能在室溫和低溫下會有所不同。不同材料的熱漲會導(dǎo)致變形和內(nèi)應(yīng)力，造成性能下降，因此需要對光機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動學(xué)安裝設(shè)計(jì)。

理想的光學(xué)件安裝應(yīng)該在任何環(huán)境下都能夠保證位置精確，而且沒有內(nèi)應(yīng)力?？梢杂?個自由度來確定一個光學(xué)件的位置，當(dāng)6個自由度被單獨(dú)地全部或部分約束，就能夠精確定位或精確運(yùn)動。經(jīng)典的運(yùn)動學(xué)定位模型如圖1所示?！禖ryogenic hysteresis and creep characteristicsof piezoelectric bimorph scanner》給出了紅外低溫光學(xué)系統(tǒng)中不同類型光學(xué)件的安裝方法。

圖1 經(jīng)典運(yùn)動學(xué)定位模型

2.4紅外低溫光學(xué)系統(tǒng)制冷方案設(shè)計(jì)

低溫光學(xué)就是將像面處能夠被探測器看到的表面所屬的光學(xué)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(guān)鍵。由于液氮制冷無法達(dá)到20K以下的低溫，目前低溫光學(xué)系統(tǒng)制冷方案設(shè)計(jì)中通常采用將液氦灌入倉內(nèi)，通過冷板傳導(dǎo)使光學(xué)系統(tǒng)降溫的方法。氦冷背景主要有以下三種實(shí)現(xiàn)途徑：1）開式液氦冷卻系統(tǒng)；2）機(jī)械式氦氣制冷機(jī)系統(tǒng)；3）氦循環(huán)冷卻系統(tǒng)。

開式液氦冷卻系統(tǒng)由兩部分構(gòu)成，包括液氦熱沉和液氦儲槽，結(jié)構(gòu)如圖2所示，該系統(tǒng)無法對液氦進(jìn)行循環(huán)利用，運(yùn)行成本高；機(jī)械式氦氣制冷機(jī)系統(tǒng)是通過一套或多套大功率氦壓縮機(jī)配合冷頭，將冷板降溫至20K以下，其缺點(diǎn)是若使用多套大功率氦壓縮機(jī)及其配套冷頭，產(chǎn)生的震動將會影響光學(xué)成像；氦循環(huán)系統(tǒng)是目前技術(shù)最先進(jìn)、最穩(wěn)定可靠的氦冷背景冷卻系統(tǒng)，通過分配裝置將液氦注入到冷艙的制冷管路中實(shí)現(xiàn)降溫，回流的氦氣經(jīng)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(huán)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

通過上述分析可知未來低溫光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)采用氦循環(huán)冷卻系統(tǒng)，因?yàn)樵撓到y(tǒng)不僅背景溫度均勻性好、狀態(tài)穩(wěn)定、無機(jī)械震動，不影響光學(xué)成像，而且密閉循環(huán)，成本低，可靠性高。

圖2 開式液氦冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3 氦循環(huán)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3典型的制冷紅外系統(tǒng)

3.1紅外遙感相機(jī)

紅外遙感相機(jī)的主體結(jié)構(gòu)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(xué)鏡頭包括主鏡、次鏡、三鏡以及鏡間支撐結(jié)構(gòu)。光學(xué)材料采用的是熱膨脹系數(shù)較小的微晶玻璃。由于微晶玻璃導(dǎo)熱性差，如果僅僅將鏡頭上某—點(diǎn)與冷頭連接，就不能使距冷頭較遠(yuǎn)的鏡頭溫度降低。因此采用的是一套優(yōu)化的制冷系統(tǒng)，系統(tǒng)組成如圖5所示。

圖5 光學(xué)鏡頭制冷示意圖

在光學(xué)鏡頭外包絡(luò)一層鋁合金材料的冷屏結(jié)構(gòu)，冷屏結(jié)構(gòu)的厚度為4mm,其內(nèi)表面進(jìn)行了黑色陽極氧化處理，連接面涂用以降低接觸熱阻的導(dǎo)熱脂，制冷機(jī)冷頭與冷屏中段直接連接，冷量以熱傳導(dǎo)的方式傳遞至冷屏其余各段。為了確保光學(xué)鏡頭制冷機(jī)在指標(biāo)要求溫度下可以提供足夠的冷量，在冷屏結(jié)構(gòu)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(wǎng)作中間間隔層。

3.2紅外空間望遠(yuǎn)鏡

低溫光學(xué)系統(tǒng)在空間觀測中的應(yīng)用主要是空間望遠(yuǎn)鏡。Herschel空間天文望遠(yuǎn)鏡是歐洲航天局KSA在2009年發(fā)射的遠(yuǎn)紅外望遠(yuǎn)鏡，如圖6所示。Herschel望遠(yuǎn)鏡的主光學(xué)系統(tǒng)是卡賽格倫反射系統(tǒng)，工作波段為57 ~ 670μm，主鏡3.5m，包括三臺低溫光學(xué)儀器：遠(yuǎn)紅外差分儀、光電探測器陣列相機(jī)及分光計(jì)、光譜及光度計(jì)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(xué)平臺及其部件致冷，冷卻溫度可達(dá)3K以下。

圖6 Herschel空間天文望遠(yuǎn)鏡

4總結(jié)與展望

本文梳理了低溫光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)型選擇、光學(xué)材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制冷方案設(shè)計(jì)四個關(guān)鍵技術(shù)，并簡單介紹了紅外遙感相機(jī)和空間紅外望遠(yuǎn)鏡這兩個紅外低溫光學(xué)的應(yīng)用實(shí)例。

紅外低溫光學(xué)在天文望遠(yuǎn)鏡、紅外相機(jī)等方面都得到了廣泛應(yīng)用，可以發(fā)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)在經(jīng)過制冷以后，產(chǎn)生的輻射亮度降低了幾個數(shù)量級，大大降低了系統(tǒng)內(nèi)部熱輻射和探測器背景噪聲，有效提高了系統(tǒng)的探測能力以及光學(xué)系統(tǒng)信噪比。雖然當(dāng)前低溫光學(xué)技術(shù)主要在深空中運(yùn)用，但機(jī)載環(huán)境下應(yīng)用低溫光學(xué)技術(shù)已成為我國未來機(jī)載紅外預(yù)警發(fā)展的必然趨勢，原因如下：1）對于機(jī)載應(yīng)用，自然雜散光輻射的影響比光學(xué)系統(tǒng)自身輻射的影響更大，運(yùn)用低溫光學(xué)技術(shù)降低光學(xué)系統(tǒng)溫度，能夠有效降低背景噪聲輻射強(qiáng)度，使其小于目標(biāo)輻射強(qiáng)度，有利于更好的對目標(biāo)進(jìn)行預(yù)警探測；2）優(yōu)化低溫光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以采用光學(xué)、探測器集成杜瓦，進(jìn)一步提高低溫光學(xué)的效率；3）優(yōu)化光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減少光學(xué)結(jié)構(gòu)件，結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生的輻射強(qiáng)度影響較大；4）全反射光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以應(yīng)用自由曲面鏡來簡化光學(xué)鏡片的使用，進(jìn)一步提高光學(xué)效率。紅外低溫光學(xué)技術(shù)已成為21世紀(jì)紅外探測的熱門研究課題，是提高系統(tǒng)探測性能的主要途徑，在機(jī)載上應(yīng)用紅外低溫光學(xué)技術(shù)對于提高大中型預(yù)警機(jī)的遠(yuǎn)程預(yù)警探測能力，具有重要的應(yīng)用價值。