红外3_7_4_8_m波段折射_衍射光学系统的消热差设计.pdf

第38卷第9期2009年9月光 子 学 报ACTA PHOTONICA SINICAVol.38 No.9September 20093国家自然基金(40301031)资助Tel:029288887679Email:baiyu91258 收稿日期:2008207229修回日期:2008209216红外3.74.8m波段折射/衍射光学系统的消热差设计3白瑜1,2,杨建峰1,马小龙1,阮萍1,田海霞3(1中国科学院西安光学精密机械研究所 空间光学研究室,西安710119)(2中国科学院研究生院,北京100049)(3中国空空导弹研究院,河南 洛阳471009)摘 要:研究了衍射光学元件在红外折射/衍射混合光学系统中的消热差特性并给出了具体设计实例,该系统工作波段为3.74.8m,全视场角为7.12,满足100%冷光阑效率.系统仅采用硅和锗两种材料,设计结果表明,该系统在-50100 温度范围内不仅成像质量接近衍射极限,而且结构简单、体积小、质量轻,适用于像元尺寸为30m、像元数320240的凝视焦平面阵列探测器.关键词:衍射光学;消热差;光学设计;红外光学系统中图分类号:TH74 文献标识码:A 文章编号:100424213(2009)0822261240 引言红外光学系统广泛应用于军事领域和民用工程中,对于应用于军事和空间的现代光学仪器,通常都要求其在宽的温度范围内具有稳定的性能1,特别在高分辨率遥感和军事侦察方面,有些红外系统要求在-50100 的温度范围内工作,甚至更高2.由于红外光学材料的折射率温度系数较大,因此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,导致系统成像质量变差,因此必须考虑环境温度对红外系统成像质量的影响进行消热差设计.红外光学系统无热化设计方法分为主动补偿和被动补偿两大类,被动补偿又分为机械被动补偿和光学被动补偿两种方法.在实际应用中,主动补偿式和机械被动式虽然容易实现,但增加了系统尺寸和重量,并且调节精度要求高,容易出现光轴晃动而带来瞄准误差3;光学被动补偿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.由于衍射光学元件具有负色散、负的衍射热常量、正光焦度的特性,因此将衍射光学元件应用于红外光学系统,可以将透镜材料的热常量和镜筒材料的热膨胀系数很好地配合起来,使得温度变化时透镜热常量导致的离焦正好和镜筒材料的热膨胀系数导致的像面移动相一致,从而达到很好的消热差效果.本文研究了衍射光学元件在红外光学系统中的消热差特性,并给出了具体设计实例,该系统工作于3.74.8m波段,全视场角为7.12,F/#为2.5,有效焦距为96.43 mm,满足100%冷光阑效率.系统采用光学被动式补偿方法实现消热差设计,设计结果表明,系统在-50 100 温度范围内成像质量接近衍射极限,性能稳定,适用于像元尺寸为30m、像元数320240的凝视焦平面阵列探测器.1 折/衍光学系统消热差原理光学元件的温度特性用光热膨胀系数表示,定义为单位温度变化引起的光焦度的相对变化xf=-=1fdfdT(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如下xf=1fdfdT=ag-1n-n0dndT-ndn0dT(2)式中,ag为透镜材料的线膨胀系数,n和n0分别为透镜材料的折射率和环境介质的折射率,dn/dT为材料的折射率温度系数.对于衍射光学元件,其焦距由环带位置决定f=n0rm2/2m(3)式中,rm为第m个环带的径向距离,为工作波长.如图1,环带半径rm与温度的关系式为5rm(T)=rm(1+agT)(4)由此可得到衍射元件的光热膨胀系数为xf,d=2ag+1n0dn0dT(5)根据式(2)和式(5)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光 子 学 报38卷的,衍射元件的温度特性只由材料的膨胀系数决定,和材料的折射率温度系数无关.图1 衍射元件模型Fig.1Model of diffractive element2 设计实例与分析为了使光学系统在一定温度范围内具有良好的成像质量,设计时必须同时满足光焦度、消色差和消热差的要求,即必须满足ji=1hii=(6)fbT=1h12(h2jii)=0(7)dfTbdt=1h12h2ixii=hL(8)式中,hi为第一近轴光线在各透镜组的高度,为系统的光焦度,i为各个透镜的光焦度,i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,等于材料的阿贝数V的倒数,h为外部机械结构的线膨胀系数,L为机械结构件的长度.该红外消热差光学系统采用中波320240凝视焦平面阵列探测器,探测器像元尺寸为30m30m,红外消热差光学系统设计指标为:有效焦距96.43 mm,F/#为2.5,工作波段3.74.8m,全视场角为7.12,工作温度范围-50100,满足100%冷光阑效率,镜筒采用铸铝,其热膨胀系数为2.3610-5/,红外消热差光学系统主要设计步骤为:第一步,先通过求解式(6)(8)得到系统的初始结构,系统为三片式结构,其中第一片和第三片为光焦度为正的硅透镜,中间一片为负透镜,材料为锗,根据系统焦距和总长的要求,计算出三片透镜的光焦度.在保证每片透镜光焦度不变的情况下,应用ZEMAX光学设计软件对其进行优化设计,优化后发现系统成像质量很差.第二步,为了实现消热差,在系统中引入衍射面(即ZEMAX2EE光学设计软件的Binary2面形),衍射光学元件是直接制作在折射透镜上的浮雕结构,可简化系统结构,减轻重量.ZEMAX2EE光学设计软件的旋转对称衍射面的相位分布函数为627(r)=A1r2+A2r4+A3r6+(9)式中r为归一化半径坐标;A1为二次相位系数,决定衍射面的傍轴光焦度,实现光学系统的消色差;A2、A3等为非球面相位系数,用于校正系统的高级像差,利用ZEMAX光学设计软件对系统进行消热差优化.第三步,由于系统结构简单,优化时可选择的变量较少,为了改善系统成像质量,引入偶次非球面,其表达式如式(10)8z=cr21+1-(1+k)c2r2+a1r2+a2r4+a3r6+(10)式中c为曲率,k为圆锥系数,r为归一化半径坐标,1、2、3等为非球面系数,为了减小成本易于加工,只选取式(10)中的r2、r4、r6、r8项,保持各个温度处的系统总长和焦距不变,以三片透镜的曲率半径、厚度,衍射面的相位系数A1、A2、A3、A4和偶次非球面的系数1、2、3、4和曲率c为变量对系统进行优化,优化后系统轴外像差较大,-50 和100 时系统的调制传递函数曲线还不太理想.第四步,在系统中引入另一个偶次非球面,进一步对各个温度的系统结构进行优化校正像差,根据系统要求,分别以衍射面相位表达式系数A1、A2、A3、A4和两个偶次非球面的非球面系数1、2、3、4和曲率c为变量,通过衍射面和偶次非球面的相互配合反复优化,优化后系统在-50100.温度范围内成像质量良好,调制传递函数均接近系统衍射极限.最终优化得到的消热差红外光学系统的结构如图2,系统总长139.37 mm,孔径光阑位于像面前23.65 mm处,与红外制冷探测器的冷光阑重合,满足100%冷光阑效率,图3的四个小图分别为系统在-50、20、50、100 的调制传递函数曲线,由图可知,在空间频率16 lp/mm处,0视场、0.5视场和1视场的子午MTF和弧矢MTF均大于0.7,接近系统衍射极限.系统在-50100 温度范围内的最大离焦量为26.14m,光学系统焦深表达式为=2(F/#)2(11)式中是系统焦深,为入射光的波长,计算可得该系统焦深为53.13m,因此,该系统在-50100 温度图2 消热差系统的结构Fig.2Optical layout of athermal system26229期白瑜,等:红外3.74.8m波段折射/衍射光学系统的消热差设计图3 不同温度时的调制传递函数Fig.3The MTF of the system at different temperatures范围内最大离焦量小于系统焦深,系统可用.图4是在16 lp/mm处,0视场和1视场MTF随温度变化的示意图.由图可知,在-50100 温度范围内,系统0视场和1视场MTF值随温度变化很小,温度变化对光学系统成像影响不大.图4 系统在16 lp/mm处的MTF值Fig.4The MTF of thel system at 16 lp/mm3 结论研究了衍射光学元件在红外光学系统中的消热差特性,设计了一个适用于3.74.8m波段的折射/衍射红外消热差光学系统.该系统全视场角为7.12,F/#为2.5,满足100%冷光阑效率.系统采用光学被动式补偿方法实现消热差设计,在-50100 温度范围内,空间频率16 lp/mm处,全视场范围内MTF均大于0.7,成像质量接近衍射极限,适用于像元尺寸为30m、像元数320240的凝视焦平面阵列探测器.参考文献1GUO Yong2hong,SHEN Mang2zuo,LU Zu2kang.Athermaldesign for an infrared diffractive/refractive optical system J.Acta Optica Sinica,2000,20(10):139221395.郭永洪,沈忙作,陆祖康.折射/衍射红外光学系统的消热差设计J.光学学报,2000,20(10):139221395.2SUN Qiang,LIU Hong2bo,WANG 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diffractive/refractive opticalsystem is analyzed.An athermal infrared optical system with 3.74.8m spectral region,6.44 degrees offield of view is presented,and the infrared system satisfies 100%cold shield efficiency.Germanium andsilicon are used in the system.The image quality of the system approaches the diffraction limit in theworking temperature range-50 100.The optical system has simple structure,small volume andlight weight.It is compatible with staring focal plane array which has a format of 320240 and the pixelpitch of 30m.Key words:Diffractive optics;Athermalization;Optical design;Infrared optical system.BAI YUis working towards the M.S.degree at Xian Institute of Optics and PrecisionMechanics,Chinese Acadamy of Sciences.His main research focuses on optical design,infrared optics,space optics,binary optics and optics lesting.4622