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《红外3.2~4.5μm波段折射衍射光学系统的减热差设计》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第10卷第2期光学精密工程Vol.10No.22002年4月OpticsandPrecisionEngineeringApr.2002文章编号10042924X(2002)0220121205红外3.2～4.5μm波段折射/衍射光学系统的减热差设计11222孙强,王肇圻,李凤友,曹召良,卢振武(1.南开大学现代光学研究所;光电信息技术科学教育部重点实验室,天津300071;2.中国科学院长春光机与物理研究所应用光学国家重点实验室,吉林长春130022)摘要:研究了折射/衍射光学元件的温度效应及红外系统的设计理论及具体实例,给
2、出了在红外3.2～4.5μm波段,5°视场范围,冷光栏效率100%,在-40～80℃温度变化范围情况下的红外混合减热差系统的设计结果。结果表明,使用折射/衍射光学系统的减热差设计方案,可令相应的传统光学系统减少一片元件,并且节省了昂贵的硒化锌红外材料。不仅能在较大视场内得到接近衍射极限的成像质量,较宽的温度工作范围,而且结构简单,体积小,重量轻。关键词:红外光学系统;二元光学;减热差系统中图分类号:TH703文献标识码:A[5]复杂。而在二元光学元件中,则可通过波带片1引言的位置、槽宽与槽深以及槽形结构的改变产生任现代光学仪
3、器通常要求在一个很宽的温度范意的波面,大大增加了设计的变量,从而能设计出围内有稳定的光学性能。与普通的透可见光的光许多传统光学所不能具有的全新功能光学元件,学材料相比,大部分透红外光学材料具有很高的是对光学设计的一次变革。光热膨胀系数,随着温度的变化,红外光学材料的本文讨论了含有衍射光学元件的混合红外光折射率和光学元件的尺寸和面形都会发生变化,学系统的减热差设计,给出了具有较大视场,成像使光学系统产生离焦和其他像差,导致成像质量质量接近衍射极限,只用硅和锗两种材料,具有变差,所以国内外一些科研机构都在研究具有稳100%冷光栏
4、效率,适应红外系统应用要求的混合[123]定性能的高质量的消热差红外光学系统。以减热差光学系统。适应现代战争全天候、多地区的需要。2折射/衍射光学减热差系统的理红外光学系统的减热差设计是通过一定的机械、光学、电子等技术使红外系统在一个很大的温论度范围内保持成像质量的稳定。一般有下面三2.1折射元件和温度的关系[4]种:光学被动式、机械主动式、机械被动式。由当采用薄透镜模型时,单个折射光学元件的于光学被动式减热差系统具有重量轻、结构简单,光焦度可表示为:更适合红外光学系统的需求,因此得到广泛的关φ=(n-n0)(C1-C2),
5、(1)注,KanagawaY,WakabayashiS和TajimeT等其中n为元件的折射率,n0为环境介质的折射人提出了很好的方法,但传统的折射光学系统中率,C1,C2为折射元件两面的曲率,光学元件的只能通过改变曲面的曲率或使用不同的材料来校温度特性由光热膨胀系数决定:定义为单位温度正像差,需要至少三种以上的材料,并且系统比较变化引起的光焦度的相对变化,如下式:收稿日期:2001209210;修订日期:2002201219基金项目:中国科学院长春光机与物理研究所应用光学国家重点实验室基金资助项目122光学精密工程第10卷d
6、φdndn0221dn0=-(C1-C2)f(T)=f1+2αgΔT+αg(ΔT)+ΔT+dTdTdTn0dT1dR1+1dR21dn021dn023+(n-n0)-2dT2dT,(2)2αg(ΔT)+αg(ΔT),(9)R1R2n0dTn0dT其中R1和R2是透镜表面的半径,T为环境温对于大部分材料,ΔT的二次方和三次方(≤度。根据光学材料的热膨胀定义可得到材料热膨-11[7]10)可以忽略。经过整理可以得到下面的光胀系数如下:热膨胀系数为:1dR11dR21dn0αg=R=,(3)xf,d=2αg+,(10)1dTR2d
7、Tn0dT将(3)式代入(2)式,并且用1/f表示光焦度φ,能由此可见,折射元件的温度特性由材料的膨够得到折射元件的光热膨胀系数:胀系数和材料的折射率温度系数决定的,衍射元1df件的温度特性只由材料的膨胀系数决定和材料的xf,r=fdT折射率特性无关。1dndn0=αg-(-),(4)n-n0dTdT3具体的设计方案2.2衍射元件和温度的关系如图1所示,当采用薄透镜模型时的衍射光为了比较的需要,我们设计了两套方案,两种学元件的第m个环带的半径rm为:系统都设计成口径为30mm、视场角为5°、波段为22rm=(f+mλ)-f,
8、(5)3.2～4.5μm、焦距为67mm、冷光栏效率为100%式中,rm是第m个环带的径向距离,λ为设计的的红外系统。外接结构件采用铝(线膨胀系数:中心波长。衍射元件的焦距由环带的所在位置决α=23.6×10-6/℃)。h22定,当r≤(f/m)时,焦距长度可表示为:第一套方案完全采用4片
