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1、第21卷第2期光学学报Vol.21,No.22001年2月ACTAOPTICASINICAFebruary,2001文章编号:0253-2239(2001)02-202-04低温光学系统的研制沈忙作马文礼廖胜张晓宏(中国科学院光电技术研究所,成都610209)摘要:低温光学系统对于在空间探测微弱红外目标有重要的意义。无热效应的光学系统设计保证光学系统的像质不受温度变化的影响。有限元分析方法的结构优化设计,在确保光学性能的前提下使系统的重量达到最轻。特殊的制造工艺充分消除零件内部应力。低温检测的结果表明,光学系统的温度从室温降到100K的低温,在温度变化185K的条件下,系统波面误差几乎没有
2、变化,光学系统都能达到衍射极限的成像质量。关键词:低温光学系统;红外光学;光学检测中图分类号:TH74文献标识码:A1引言制造,检验合格,而让它在低温下仍能保证其满意的成像质量。所以,需要研制的光学系统,实际上是一红外探测系统的探测能力,当探测器本身的噪个在很大温度范围内都能正常工作并维持衍射极限声很小时,实际上受到背景辐射噪声的限制。在大成像的特殊光学系统,低温光学系统设计必须遵循气层外空间工作的红外系统,由于空间背景的平均无热效应的设计原则:温度很低(4K),光学系统本身的热辐射成了红外1)全反射光学系统。光学系统全部由反射镜探测系统的主要热背景来源。为了实现更高灵敏度组成,光线不进入
3、光学元件的内部,从而避免了材料的红外探测,必须降低光学系统本身的温度。工作内部的光学特性(折射率)在温度变化范围大时的检在低温条件下的低温光学系统,其设计、制造和检测与控制的问题;测,与常规的光学系统有很大的不同,研制难度大,2)所有光学系统中的光学元件与结构元件都是一类新的特殊光学系统。低温光学系统从70年用同一种材料制造。当温度降低时,整个光学系统代末问世以来,在空间红外目标的观测中得到了广都按相同的比例收缩,它的成像质量和焦面位置都泛的应用,促进了技术的发展。低温光学系统的致保持不变,温度的变化从原理上对光学系统的成像冷温度从液氮温度(77K)发展到液氦温度(2K),没有影响。探测波
4、长扩展到十几至几十微米,光学系统的口径[1～3]2.2双反射镜系统的光学设计小到10cm量级,大至1m左右的都有。由于光学系统的视场较大,达到1°×1°,对角线本文将介绍我国第一个低温光学系统的研制情1.4°。一般卡塞格林式系统已经不能满足其成像质况。该系统的主要技术指标是:口径180mm,焦距量的要求,所以低温光学系统采用的是典型的里泰500mm,视场1°×1°,工作温度小于等于100K,光克雷蒂安(Rithey-Chretien,简称R-C)全反射光学系学系统质量2.5kg,工作波段8～14μm,成像质量达到衍射极限。统。它的主镜和次镜都是双曲面,系统的入瞳位于主镜的前方,如图1所示。
5、光学系统的后工作距离较长,以便在主镜后面安排红外探测器等部件。2低温光学系统的设计全反射光学系统没有色差。利用主、次镜两个2.1无热效应设计原理二次曲面,在保证焦距的条件下,可以校正球差与彗我们研制的低温光学系统的工作温度为100差,使得在整个视场中获得衍射极限的成像质量。K,接近液氮的温度,与室温300K的温差达到200图2(a)的系统点列图显示,在全部视场内,像点的K之多。研制低温光学系统合理的途径是在室温下大小基本上不超过中央衍射斑的范围。不同视场处的系统调制传递函数(MTF),基本接近系统的衍射收稿日期:1999-07-20;收到修改稿日期:1999-11-08极限值,见图2(b)
6、。系统调制传递函数曲线的中间2期沈忙作等:低温光学系统的研制203凹陷,是由于光学系统中央遮拦的缘故。设计的低温光学系统,不仅要求成像质量好,结构稳定,耐冲击震动,能经受降温过程中系统内部温度梯度引起的热负载,而且系统的重量有苛刻的限制。这些互相矛盾的技术要求,对光学系统的结构设计,提出了新的挑战。有限元分析法能精确计算光学系统的镜面和构件,以及在外力和温度载荷下的变形和应力。用有限元方法进行机械结构的优化设计,能够综合平衡系统重量和光学系统刚度之间的矛盾,在保证系统Fig.1Rithey-Chretientwo-mirroropticalsystemlayout的低温光学性能前提下,使系
7、统的重量最小。设计时要考虑光学系统在受外力(重力、加工力、运输过程中的冲击力)和降温过程中内部温差所造成零件的变形和应力。零件变形与应力校验的判据是:(ⅰ)在工作状态下,零件的变形不超过光学系统成像质量对光学镜面变形与镜面间相对位置变化所要求的公差;(ⅱ)光学系统在加工、装配、运输等非工作状态下的应力,不超过材料的微屈服极限(对应-6的应变是10),使得系统内部不产生不可恢复的变形。光学系统中要求最严格的是主镜,图4为主
