采用衍射元件实现消热差的中波红外光学系统.doc
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1、采用衍射元件实现消热差的中波红外光学系统李升辉 杨长城摘要:研究了衍射光学元件的温度特性以及混合红外光学系统的消热差设计方法。设计了工作在3.74.8m、视场4.5、具有100%冷光阑效率的折射/衍射混合红外光学系统。该系统在-3070温度范围内成像质量接近衍射极限。用金刚石车削的方法在锗透镜的二次曲面基地上加工了衍射面,通过轮廓仪对衍射元件的面形进行了检测。给出了折衍射混合系统的传递函数测试结果,表明此衍射元件在成像系统中具有较好的消色差和消热差特性,满足了系统的设计要求。关键词:衍射光学;消热差;消色差;红外光学系统1引言军用红外光学系统通常要求在3070的温度范围内有稳定的光学性能,而大
2、部分红外光学材料具有很高的光热膨胀系数,随着环境温度的变化,红外光学材料的折射率、光学元件的曲率和厚度、零件间隔等都会发生变化,使红外光学系统产生热离焦,导致成像质量变差,因此消热差红外光学系统成为目前高精度红外系统研究的一个重要方向。红外光学系统消热差设计一般是利用机械、光学、电子等技术,使红外系统在较大的温度范围内保持成像质量的稳定,通常有三种方法1:机电主动式、机械被动式、光学被动式等。机电主动式和机械被动式虽然实现容易,但增加了系统尺寸和重量,并且调节精度要求高,容易造成光轴晃动而带来瞄准误差;光学被动式消热差系统具有尺寸小、重量轻、结构简单、光轴稳定、可靠性高等优点。全折射元件组成的
3、光学被动式消热差系统,至少需要三种以上的材料,且系统比较复杂2。而衍射光学元件具有独特的温度特性和色散特性,因此采用衍射光学元件的混合红外光学系统能够用更简单的结构实现消热差设计35。本文用硅和锗两种材料设计了二次成像的折/衍混合消热差红外光学系统,其在-3070温度范围内成像质量接近衍射极限、有100%冷光栏效率、结构简单、符合现代高精度红外光学系统的发展要求。2衍射光学元件的温度及色散特性光学元件的温度特性由光热膨胀系数表示,定义为透镜温度变化引起的焦距的归一化变化6: (1)对于折射元件,采用薄透镜模型可以得到它的光热膨胀系数7: (2)式中,为光学元件的线膨胀系数,为光学元件的折射率,
4、为环境介质的折射率, 为材料的折射率温度系数。衍射元件的光热膨胀系数为6: (3)由式(2)和(3)可知,折射元件的温度特性是由材料的膨胀系数和材料的折射率温度系数决定,而衍射元件的温度特性只是由材料的膨胀系数决定而与材料的折射率温度系数无关。另一方面,温度变化时还会引起衍射光学元件像差的变化。像差取决于衍射位相系数,设旋转对称衍射面的相位分布函数为: (4)式中,为二次相位系数,决定该面的傍轴光焦度;与使用波长成正比,故一般用于校正系统色差;等为非球面相位系数,多用于校正系统的单色像差。由代入上式可得衍射位相系数随温度的变化量8: (5)衍射光学元件的色散特性同样用阿贝数表示: (6)式中,
5、F为波长下限, C为波长上限, D为波段 C F的中心波长。Vd 与材料折射率无关,在3.74.8m范围内, Vd =-3.82,因此衍射元件将产生很强的色散,混合系统可以用衍射元件承担主要的消色差功能。3消热差系统设计方案红外光学系统消热差设计要求光学元件的色散引起的离焦为零,温度变化时光学元件产生的离焦与机械结构产生的离焦相互抵消,从而整个系统不产生温度离焦,因此系统光焦度分配满足总光焦度、消轴向色差、消热差设计三个方程,如下所示9: (7) (8) (9)式中,为第一近轴光线在各透镜组的高度;为系统的光焦度;为各个透镜的光焦度;为光学元件的色散因子,也就是色散引起的光焦度的相对变化,等于
6、材料的阿贝数V的倒数;为外部机械结构的线膨胀系数;L为机械结构件的长度。对于传统折射光学系统,要实现消热差设计,必须精心选择红外材料,使材料的色散因子和光热膨胀系数同时满足(8)、(9)式,这样至少需要三种以上的材料,增加了系统的设计难度。而对于折射/衍射混合红外光学系统,由于衍射元件的光热膨胀系数相对于折射元件很小,可以忽略不计,且其色散因子远远大于折射元件的,因此可以利用衍射面承担系统主要的消色差功能,再合理分配折射元件的光焦度进行消热差。4设计实例设计了一个焦距为150mm、F数为4、视场4.5、工作在3.74.8m的折/衍混合消热差的红外光学系统。其在-3070的温度范围成像质量达到衍
7、射极限。本系统用铝做镜筒材料,其热膨胀系数h23.610-6/。对于整个系统,通过求解上述方程得到初始结构,然后用光学设计软件CODE V优化,得到系统的结构,如图1所示。系统前5片透镜分别用硅、锗、硅、锗、硅材料。其中第4面是衍射面为锗材料上的非球面基底上的衍射光学面。此系统在3070 间的调制传递函数图像如图2,3,4所示。图1 消热差系统的光学设计图Fig.1 Optical layout of the athermal system图2 20时的调制传递函数Fig.2 Modulation transfer function at 20 图3 30时的调制传递函数Fig.3 Modul
8、ation transfer function at30 图4 70时的调制传递函数Fig.4 Modulation transfer function at 70 不同温度不同视场下MTF和象面离焦量如表1、表2所示。 表1 不同温度不同视场下MTF值(16lp/mm)Table 1 MTF of different temperatures and different fields(16lp/mm)1 TemperatureField-3020700 field0.660 0.6580.6560.7 field0.646 0.6090.644 0.6080.641 0.6071 field
9、0.556 0.5500.540 0.5310.538 0.507表2 不同温度下的像面离焦量Table 2 Focus shift changing of different temperaturesTemperature-302070Focus shift32.44.9-32.7此系统在-3070温度范围内,所有视场的MTF值均大于0.5,设计达到了较好的成像质量。按照光学系统像差的“瑞利判据”的标准,在-3070温度范围内,最大波像差应小于四分之一波长。根据波像差和焦深的关系式10:,系统焦深为134.4m,而此系统最大离焦量为32.7m(70时),远远小于系统焦深,达到消热差设计。5.
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