低温光学设计中的镜面变形处理

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1、第9卷第8期2009年4月科学技术与工程Vo1．9No．8Apr．20091671--1819(2oo9)8-2156-·04ScienceTechnologyandEngineering⑥2009Sci．Tech．Engng．一般工业技术低温光学设计中的镜面变形处理陈永和(中国科学院上海技术物理研究所，上海200083)摘要光学系统在低温下工作时，元件表面发生变形，系统性能下降，所以在设计阶段必须进行预估和处理。将元件的变形分为热胀冷缩引起的变形和外力作用引起的变形，并根据各自的特征讨论了相应的处理方法。关键词低温光学曲面拟合陡度法面

2、型处理中图法分类号TB133TN21；文献标志码A高分辨率高灵敏度是空间探测系统的发展方胀冷缩会引起镜面变形，致使系统焦距发生变化，向。对于红外探测系统，光机系统自身热辐射引起产生离焦等现象。这种镜面变形是规则的，平面变的热背景辐射噪声是限制其探测灵敏度提高的关形后仍然为平面，球面变形后还是球面，曲率半径键之一。因此从20世纪70年代开始，以美国为首的变化量为△=Rot,at。而对于非球面，以二次曲面的发达国家开始研究低温光学技术，通过降低光机为例，其方程可表示为元件的工作温度来抑制热背景辐射噪声。，，2=2Ro+(e一1)(1)光机系

3、统工作于低温状态下时，由于材料的热(1)式中R。为曲面顶点的曲率半径，e为二次曲面胀冷缩，光机元件会发生变形，光学材料折射率也的偏心率平方，也就是曲面的形状参数(非球面系会发生变化，这便造成光学系统在低温状态下的性数)。对于曲面上任一点P0(。，)，有能同常温下大不一样。为了保证光学系统能在低，，。2：2R。。+(。z一1)，ez：2挚+l(2)温环境下正常工作，在设计阶段就必须充分考虑光0、学镜面低温变形所带来的影响并进行相应的处理。当温度变化时，P0点变化到P(，Y。)点，相应光学镜面低温变形可以分为两部分，一部分是的有热胀冷缩引起

4、的变形；另一部分是重力和应力(光22e1：=—————一+十1l(3j)机结构变形量不同产生的)引起的变形。两部分变l形具有不同的特点，对系统性能的影响也不同，因P0点与P。点有如下关系：此在设计中应该采取不同的处理方法。1=0+0aAt，Y1=Yo+yoaAt，Rl=Ro+Roa3t。代人(3)式有：1热胀冷缩引起的光学镜面变形及其处理：+)一2(+)(xo+)————一¨．，。对于低温光学系统，温度变化是引起光学镜面整理简化后，有：2面型发生变化的最根本原因。温度变化时，物体热：+1：z。02008年12月10日收到即对非球面而言，

5、温度变化时，只有顶点曲率半径风发生变化，而非球面系数则保持不变。非球面在8期陈永和：低温光学设计中的镜面变形处理2157空间光学系统中应用非常广泛，利用这一性质可方系。正交性使不同多项式的系数相互独立，有利于便的计算系统在不同温度下的性能变化。消除偶然因素的干扰；低温光学系统工作时，光学元件的曲率相比常(~)Zemike多项式各项系数与光学系统的初级温时会发生明显变化。如果在常温条件下进行设像差有着一定的对应关系，与光学设计中惯用的计，那么要求光学系统要有很宽的温度适应性，这Seidel像差函数很容易建立起联系，这也是Zemike将导致

6、光学系统设计难度大为增加。特别是对大多项式广泛用于光学像差分析中的主要原因。口径的高分辨率高灵敏度系统和具有透射结构的极坐标形式的Zemike多项式的具体表达式为：系统，这样的要求几乎是不可实现的。所以，低温(p，)=R~o(p)：()(4)光学系统在设计时应该直接在低温条件下进行设式(4)中，为多项式的阶数，取值为0，1，2，⋯；z为计，然后再利用上述光学镜面随温度变化的特点，与整数11,相关的序号，其值恒与rt同奇偶性，且绝对进行相应的缩放，得到常温下的加工参数。为了缩值小于或等于阶数。短加工周期，节约加工成本，设计时应该进行反复设

7、：Z=n一2m(m=0，1，2，⋯，n)。则：迭代，使得到的常温加工参数与现有光学标准样板相匹配。一：j-(-1)。，≥0【咒‘，一2m<02外力引起的光学镜面变形及其处理(5)cos(n-n-2m~>n-2m低温光学系统工作时，光学元件受到三方面的=<兰㈣外力作用：①重力；②机械装配结构会对光学元件目前的光学设计软件(如Zemax或CodeV)通产生预紧力；③由于光机材料不同，热膨胀系数不常可以使用两种类型的Zernike多项式：标准Zemi—同导致变形量不一致，由此引起的应力。这三方面ke多项式和FringeZemike多项式。Fr

8、ingeZemike的外力将使光学镜面产生不规则变形，最终导致元多项式最多可有37项，而标准Zernike多项式最多件工作时引起波面误差。由于这种变形是不规则可达231项。一般使用FringeZernike