长波红外超构/折射混合光学系统的光机热分析与热稳定性设计

《Optics and Lasers in Engineering》：Opto-mechanical-thermal analysis of long-wave infrared meta/refractive optical systems

本研究针对长波红外(LWIR)成像系统存在的体积大、重量重、成本高以及环境温度变化引起性能退化等问题，开展了LWIR超构/折射混合透镜的光机热分析。研究人员设计了一种由两片非球面透镜和硅超构表面组成的混合光学系统(工作波段8-12μm，F数1.17，全视场角20°)，通过有限元分析(FEA)和时域有限差分法(FDTD)研究了温度对系统性能的影响。实验验证表明该混合透镜可实现高性能热成像，仿真与实验数据高度吻合，为高稳定性LWIR成像系统的热稳定性设计提供了重要指导。

　　

在夜视、安防监控、遥感探测等领域，长波红外(Long-wave Infrared, LWIR)成像技术发挥着不可替代的作用，因为它能够捕捉物体自身发出的热辐射，无需外部光源照明。然而，传统LWIR成像系统通常由多片折射透镜构成，采用多种材料和复杂的非球面设计来校正光学像差，这导致系统体积庞大、重量较重、成本高昂，且可用材料有限。随着LWIR应用场景的快速拓展，市场对高性能、高稳定性、轻量化、低成本的成像系统提出了迫切需求。

近年来，超构表面(Metasurface)的出现为光学系统的小型化带来了曙光。这种二维人工材料具有非凡的光场调控能力、优异的集成特性和微型化潜力，能够实现像差校正、大视场、消色差和高数值孔径等多种功能。利用超构表面替代部分传统光学元件，形成超构/折射混合光学系统(Meta/refractive optical systems)，成为解决LWIR成像系统瓶颈问题的一条极具前景的技术路线。

然而，一个关键的科学问题尚未得到系统研究：环境温度变化会对这类混合光学系统的性能产生何种影响？对于传统折射透镜，材料的热膨胀系数和折射率温度系数不为零，温度变化会引起光学元件的形变和折射率改变，导致焦距漂移和系统性能下降，即透镜的热效应。虽然传统折射透镜的热效应研究和无热化(Athermalization)设计已较为成熟，但关于超构表面热效应的研究尚不充分，尤其是针对整个超构/折射混合光机系统的热效应分析更是鲜有报道。这一研究空白严重制约了该类系统在高稳定性要求场景下的实际应用。

为了解决这一问题，发表在《Optics and Lasers in Engineering》上的研究论文《Opto-mechanical-thermal analysis of long-wave infrared meta/refractive optical systems》报道了李志喜（Zhixi Li）、陈军（Jun Chen）、吴静军（Jingjun Wu）、唐峰（Feng Tang）、刘伟（Wei Liu）、叶鑫（Xin Ye）、杨立明（Liming Yang）等研究人员的最新成果。该团队设计了一种LWIR超构/折射混合透镜，并首次对其进行了系统的光机热分析(Opto-mechanical-thermal analysis)。

为开展研究，作者主要采用了以下几种关键技术方法：首先，利用光线追迹方法优化设计了由两片非球面透镜和一片大面积硅超构表面构成的混合光学系统。其次，采用时域有限差分法(Finite-Difference Time-Domain, FDTD)模拟分析了温度变化对超构原子(Meta-atom)光学性能的影响。再者，结合有限元分析(Finite Element Analysis, FEA)软件模拟不同温度条件下透镜的面形变化和刚体位移，并借助光学设计软件评估这些变化对镜头性能的影响。最后，通过热真空实验测试验证了仿真分析的准确性。所有作者均来自中国工程物理研究院激光聚变研究中心。

混合光学系统设计

研究人员设计了一个工作波段为8-12μm的长波红外混合超构/折射光学系统。该系统由两片非球面透镜和一片用于校正色差与单色像差、提升整体成像质量的大尺寸超构表面组成。通过优化设计，该系统实现了17.4mm的焦距、F数为1.17以及20°的全视场角。

混合透镜的制备与表征

为实现所需的相位调制，研究选择在方形硅衬底上排列的圆形硅柱作为超构单元。通过FDTD方法优化了一系列不同直径的硅柱结构，以实现所需的高透射率和相位覆盖。制备出的超构表面与两片非球面透镜被集成装配成混合透镜。实验表征结果显示，该混合透镜的调制传递函数(Modulation Transfer Function, MTF)和分辨率均表现出良好的光学性能。将其与商用非制冷相机结合后，构成了一款紧凑型长波红外相机，能够在室内外多种场景下，仅依靠环境热辐射即可捕获相对高质量的热图像，无需额外的图像后处理。

温度对超构表面的影响

利用FDTD方法，研究人员重点研究了温度变化对超构表面性能的影响。分析表明，温度变化会导致硅材料折射率发生变化，进而影响超构单元的相位响应和共振特性，最终引起超构表面光学效率和工作波长的漂移。这项工作不仅考虑了衬底的热膨胀，还更全面地评估了温度对超构单元光学特性的直接影响。

温度对混合透镜性能的影响

为了评估整个混合透镜系统在温度载荷下的性能，研究结合了FEA和光学仿真。首先，通过FEA软件计算了在不同温度条件下，透镜因材料热膨胀产生的表面形变以及元件间的相对位移（刚体位移）。然后，将这些形变和位移数据导入光学设计软件，进行光线追迹和像质分析，量化评估温度引起的波前误差、MTF下降、焦点位移等性能指标变化。通过这一耦合分析方法，系统揭示了温度载荷下光机结构变化与最终光学性能退化之间的内在联系。

热真空测试验证

为验证仿真分析的准确性，研究团队进行了热真空测试。将混合透镜置于可控的温度环境中，测量其在不同温度下的实际光学性能，并将测试数据与仿真预测结果进行对比。结果表明，仿真数据与实验测量值之间具有良好的一致性，有效验证了所提出的光机热分析框架的合理性与准确性。

结论

本研究成功设计并制备了一种LWIR超构/折射混合透镜，并首次对其进行了系统的光机热分析。实验证明该混合透镜能够实现高性能的热成像。通过FDTD、FEA与光学仿真相结合的方法，深入研究了温度变化对超构表面本身以及整个混合透镜系统性能的影响机制。热真空测试结果与仿真预测高度吻合，验证了分析模型的可靠性。

作者贡献

所有作者均同意稿件的最终版本。李志喜（Zhixi Li）负责撰写初稿、调查研究和概念化等工作；陈军（Jun Chen）、吴静军（Jingjun Wu）、刘伟（Wei Liu）参与了调查和数据整理；唐峰（Feng Tang）、叶鑫（Xin Ye）、杨立明（Liming Yang）负责文稿审阅、监督和资源提供。

资助来源

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号12304352）的资助。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本研究报告的已知竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究感谢中国国家自然科学基金（项目编号12304352）的资助。

综上所述，这项研究的意义在于它首次系统地探讨并验证了超构/折射混合光学系统在温度载荷下的性能变化规律，建立了一套有效的分析框架。该工作不仅为混合超构/折射光学系统的热稳定性设计提供了关键的理论依据和实验支持，而且极大地推动了此类高性能、小型化LWIR成像系统在国防、环境监测、医疗诊断等高稳定性要求领域的实际应用进程。