资源描述：
《消热差光学系统设计new》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、第20卷第10期光学学报Vol.20,No.102000年10月ACTAOPTICASINICAOctober,2000*消热差光学系统设计胡玉禧周绍祥(中国科学技术大学精密机械与精密仪器系,合肥230026)相里斌杨建峰(中国科学院西安光学精密机械研究所,西安710068)摘要引入光学材料的规化热差系数T和规化色差系数C,得到对无热差光学系统设计的材料选择具有指导作用的T-C图。提出基于热差互补原理的无热差光学系统设计方法,建立了一组既消热差又消色差的方程组。给出了应用这种设计方法设计的密接三片和三分离两种结构型式的无热差系统
2、在不同温度时的像面位移、垂轴像差和各色传递函数曲线。关键词光学系统无热化,空间光学,红外光学系统。1引言对空间光学系统来说,仪器要经受非常大的环境温度变化,如搭载在低轨道飞行器上的光学仪器要承受-20℃到+60℃温度变化范围。空间光学系统(特别是红外光学系统)的焦面会随温度产生轴向位移,成像质量恶化。因此,空间光学系统的设计应考虑温度变化对光学质量带来的影响,使光学系统能承受大范围温度变化,保持光学性能的稳定。一个理想的无热化光学系统应在工作环境温度变化范围内具有稳定的像面位置和稳定的像质。无热化光学系统作为一个整体,应从光学和
3、机械结构两个方面考虑。最初,消除温度对光学系统的影响的方法是被动的机械补偿技术,利用选择对温度敏感的机械材料或记忆合金,使透镜产生轴向位移来补偿温度变化引起的像面位移。随后,又出现了主动机电无热补偿技术,利用热传感器自动探测温度变化,由处理器实时计算出温度变化引起的像面位移,并借助电机驱动透镜产生轴向位移。被动机械式和主动机电式无热技术已在某些红外光学系[1,2]统中有所应用。但是,机械式补偿技术使系统体积变大,重量增加。主动机电式补偿技术还需要电源、电子线路、执行机构,导致系统的可靠性降低。而光学无热化技术则有不增加任何机构和
4、重量、不需供电、可靠性好等特点。随着遥感技术、空间光学发展的需要而受到[3]了各国学者的重视,光学系统的无热化设计方法得到了发展。Rogers提出试探法,通过反[4]复计算以寻求合适的透镜组合,Gibbons利用色阿贝数和热阿贝数曲线设计无热系统,但仅[5]V-V限于透镜对。Rayces和Lebich按照C图设计专用的三片镜头,Tamagawa和Tajime采*国家科委863高科技项目。收稿日期:1999-02-10;收到修改稿日期:1999-05-2510期胡玉禧等:消热差光学系统设计1387[6,7]用一个无热图来实现多透镜
5、系统无热化。本文提出利用不同材料热性能互补的无热化光学设计方法。考虑到光学材料与系统的热性能、色性能都有关,引入规化热差系数T和规化色差系数C,导出一组既消热差又消色差的方程解。作为实例,文章给出了两个镜头的无热化设计结果。2规化热差系数和规化色差系数光学材料的折射率不仅与工作波长有关,还与工作温度有关。所以,透镜的光焦度既因波长而变化,又随环境温度改变。光焦度的变化导致像面位移,使成像质量下降。假设透镜光焦度为5,工作温度改变1℃引起的光焦度变化为$5l,工作波段$K引起的光焦度变化为$5K,将它们作归一化处理,即T=$5l/
6、5,C=$5K/5,(1)这里,称T为规化热差系数,称C为规化色差系数。经变换,T、C又可表示为T=B/(nK0-1)-A,C=(nK1-nK2)/(nK0-1),(2)式中,B=9n/9t为折射率温度系数,A为线膨胀系数,nK为中心波长的折射率,nK-nK为(K1012～K2)波段内折射率之差。从(1)和(2)式可见,规化热差系数T和规化色差系数C仅与透镜材料有关,T和C既是透镜的成像质量指标,又是材料的性能指标,不同材料具有不同的T、C值,在以T、C作坐标轴的笛卡尔坐标系中,一种材料有其相应的点。35、T、C方程组的解3.1
7、密接透镜组根据薄透镜理论,由K块透镜组成的密接型光组的光焦度5、规化热差系数T、规化色差系数C满足如下关系式:KKK5=£Ui,T=£TiUi/5,C=£CiUi/5,(3)i=1i=1i=1式中,Ui、Ti、Ci分别为各透镜的光焦度、规化热差系数和规化色差系数。对于密接双透镜,由(3)式得到5=U1+U2,T=(T1U1+T2U2)/5,C=(C1U1+C2U2)/5,(4)假设U1/5=a,U2/5=b,则(4)式又可写成1=a+b,T=aT1+bT2,C=aC1+bC2,(5)当光学系统完全消热差和消色差时(即T=0,C=
8、0),为使(5)式有解,必须满足T1C1=.(6)T2C2(6)式为密接透镜对的消热差和消色差条件,满足(6)式的两透镜光焦度为T1C1-T2-C2U1=5=5,U2=5=5.T1-T2C2-C2T1-T2C1-C2对三透镜密接光组,由(3)式同样可写出如下方程
