4. 无热化设计基本概念

做红外无热化设计，选材料是第一道坎。

材料选不对，后面结构算得再漂亮也是白搭。我见过不少同行，拿着手册上的折射率数据就开始仿真，结果样机一测，焦面跑得一塌糊涂。为什么？因为忽略了温度对材料的影响。

这一章，咱们就把常用的红外材料——Ge、ZnSe、ZnS、Si、GaAs、还有这几年很火的硫系玻璃——挨个捋一遍。重点看它们的热光特性，也就是折射率随温度怎么变、热膨胀怎么影响光程。

4.1 锗（Ge）—— 红外系统的“老大哥”

Ge 是红外领域用得最广的材料，没有之一。它的折射率高（~4.0），色散低，能有效校正单色像差。但它的 dn/dT 很大，而且是正的——温度升高，折射率明显变大。

我记得第一次做长波红外镜头时，用的就是全锗方案。仿真时 MTF 漂亮得很，结果高低温箱一跑，-40°C 到 +60°C 焦面漂了将近 0.3 mm。后来才明白，单靠 Ge 做无热化，基本不可能。

参数	Ge	备注
折射率（10 μm）	4.003	高折射率，利于减小曲率
dn/dT（×10⁻⁶/K）	+396	非常大，正温度系数
CTE（×10⁻⁶/K）	5.7	中等
透射波段（μm）	2 – 14	覆盖中波和长波
硬度	中等	易划伤，需镀膜保护

4.2 硒化锌（ZnSe）—— 宽波段“万金油”

ZnSe 的 dn/dT 是负的，这一点非常宝贵。在无热化设计中，它常被用来补偿 Ge 的正漂移。说白了，就是正负抵消。

ZnSe 的透射波段很宽，从可见光到长波红外都能用。但它的硬度低，容易潮解，镀膜工艺要求高。我一般只在需要色差校正或热补偿时才会用它，不会做主镜。

参数	ZnSe	备注
折射率（10 μm）	2.403	中等
dn/dT（×10⁻⁶/K）	-61	负温度系数，可补偿 Ge
CTE（×10⁻⁶/K）	7.1	略高于 Ge
透射波段（μm）	0.5 – 20	极宽，可见光也能透过
硬度	低	易划伤，需小心操作

4.3 硫化锌（ZnS）—— 多光谱“多面手”

ZnS 有两个常见形态：标准 ZnS 和多光谱 ZnS（Cleartran）。标准 ZnS 在 8–14 μm 波段有吸收，多光谱 ZnS 则解决了这个问题，透射波段可以延伸到可见光。

ZnS 的 dn/dT 也是负的，但绝对值比 ZnSe 小。它的硬度比 ZnSe 高，耐环境性更好。我曾在机载红外窗口上用过 ZnS，抗沙蚀效果不错。

参数	ZnS（多光谱）	备注
折射率（10 μm）	2.200	较低
dn/dT（×10⁻⁶/K）	-40	负温度系数，幅度适中
CTE（×10⁻⁶/K）	6.5	与 Ge 接近
透射波段（μm）	0.4 – 12	多光谱型可透可见光
硬度	较高	耐刮擦，适合窗口

4.4 硅（Si）与砷化镓（GaAs）—— 中波红外“双雄”

Si 和 GaAs 主要用在中波红外（3–5 μm）。Si 的 dn/dT 是正的，但比 Ge 小很多。GaAs 的 dn/dT 也是正的，但它的硬度高、热导率好，适合高功率激光窗口。

我个人习惯在中波系统中优先考虑 Si，因为它的成本低、加工成熟。GaAs 虽然性能更好，但价格贵，一般只在特殊场合用。

参数	Si	GaAs
折射率（4 μm）	3.425	3.307
dn/dT（×10⁻⁶/K）	+160	+200
CTE（×10⁻⁶/K）	2.6	5.7
透射波段（μm）	1.2 – 7	1.5 – 15
硬度	高	高

4.5 硫系玻璃 —— 低成本“新势力”

硫系玻璃是这几年红外领域的热门材料。它的 dn/dT 可以做到接近零，甚至负值，而且可以通过调整组分来定制热光特性。说白了，就是“按需定制”。

硫系玻璃的折射率一般在 2.4–2.8 之间，比 Ge 低，但比 ZnSe 高。它的 CTE 比较大（~12–20 ×10⁻⁶/K），所以镜筒材料要选匹配的。

我最近做的一个低成本热成像仪，就用了硫系玻璃加非球面模压工艺。成本降了 40%，而且无热化效果很好，-20°C 到 +50°C 焦面漂移不到 0.05 mm。

参数	硫系玻璃（典型值）	备注
折射率（10 μm）	2.5 – 2.8	可调
dn/dT（×10⁻⁶/K）	-10 ~ +50	可定制，甚至接近零
CTE（×10⁻⁶/K）	12 – 20	较大，需匹配镜筒
透射波段（μm）	1 – 14	取决于组分
加工方式	模压、金刚石车削	适合批量生产

4.6 材料热光特性对比总表

下面这张表，是我做无热化设计时经常翻的。它把几种常用材料的 dn/dT 和 CTE 放在一起，方便快速对比。

材料	dn/dT（×10⁻⁶/K）	CTE（×10⁻⁶/K）	热光特性类型	典型应用
Ge	+396	5.7	强正温度系数	长波红外主镜
ZnSe	-61	7.1	负温度系数	热补偿、宽波段窗口
ZnS（多光谱）	-40	6.5	负温度系数	多光谱窗口、保护镜
Si	+160	2.6	中等正温度系数	中波红外主镜
GaAs	+200	5.7	中等正温度系数	中波红外、高功率窗口
硫系玻璃	-10 ~ +50	12 – 20	可定制	低成本无热化系统

4.7 材料热光特性与无热化策略的关系

为了让你更直观地理解材料特性如何影响无热化策略，我画了一张图。它把材料的 dn/dT 和 CTE 放在一个坐标系里，标出了每种材料的“热行为”位置。

从这张图可以看得很清楚：Ge 在右上角，dn/dT 最大；ZnSe 和 ZnS 在右下角，dn/dT 为负；硫系玻璃则占据了一大片可调区域。设计无热化系统时，你需要在正负材料之间找到平衡点。

4.8 选型避坑清单

最后，我把自己这些年踩过的坑整理成了一份清单。你选材料时，可以对照着检查一下。

• 别只看 dn/dT，还要看 CTE。 镜筒材料的热膨胀会改变镜间距，这个效应有时比 dn/dT 还大。
• 注意材料的批次一致性。 尤其是硫系玻璃，不同批次的 dn/dT 可能有偏差。我建议每批材料都做小样测试。
• 镀膜会影响热性能。 有些增透膜在高温下会吸收增加，导致镜片温度升高，间接影响光程。
• 不要忽略吸收和散射。 温度升高时，材料的吸收系数会变大，尤其是 Ge 在高温下透射率会下降。
• 机械结构也是热补偿的一部分。 选材料时，要同时考虑镜筒、压圈、隔圈的材料 CTE，最好能跟镜片匹配。