1 引 言
军用和空间光学仪器与绝大部分民用光学仪器不同,通常期望在较宽的温度范围内成像质量高而稳定[1].由于红外材料折射率温度变化系数dn/dT值较大,比可见光材料要大一个或两个数量级,因此环境温度的变化对红外光学系统成像质量的影响更为显著.同时,考虑到红外材料的吸收,还应使系统的结构尽量简单.因此,在较宽温度范围内具有高像质、结构简单的红外光学系统便成为现代高质量红外光学系统的一个研究重点.
从20世纪90年代开始,G. P. Behrmann[2]和Russell M. Hudyma[3]等研究人员开始研究衍射元件的热效应在消热差光学系统中的作用.利用衍射元件负的色散系数和独特的温度特性,可突破传统光学的限制,巧妙地简化设计难度,设计出高质量的红外光学系统.我们在近年的研究中,对折/衍混合系统在目视系统和红外系统中的应用做了相当多的工作,并取得了较为成功的结果[4~9].已有的一个红外3·2~4·2μm波段,Si2Ge四片式佩茨瓦尔物镜具有F/#为1·5,有效焦长为114·7 mm,视场角为5°的光学性能[10].然而该物镜工作温度范围窄,远远不能满足高环境适应性这一要求.基于该物镜的高斯参量,加入一衍射面,对新的折/衍混合系统重新优化,实现了-60~160℃超宽温度范围的光学被动式消热差设计.
2 设计原理
有间距的多元薄透镜系统的光焦距分配方程、轴向色差方程和热像差方程可表述为[11]
消色差和消热差的光学系统要求(2)式描述的由光学元件的色散引起的离焦即轴向色差为零,还要求(3)式描述的温度变化时,光学元件产生的离焦同框架结构产生的离焦相补偿.
对于折射光学元件,由(4)式,材料的热系数为
它不仅与材料的热膨胀系数αi有关,还和材料的折射率温度系数有关.
衍射元件的光焦度和光焦度随温度的变化可表示为
它只与基底材料的热膨胀系数αg有关,这是衍射元件和折射元件的根本差异.
由于大多数红外材料的5n/5T值远远大于其热膨胀系数,从式(5),(8)可以看出衍射元件的热系数相对于折射元件很小,可忽略不计.因此可以利用衍射面消色差,再合理分配折射元件的光焦度消热差.而不必像传统的折射光学那样,必须使材料的阿贝常数及热系数同时满足(2),(3)式,才能使光学系统同时消热差和消色差.
3 设计结果和性能分析
所参考的Si2Ge四片式佩茨瓦尔物镜的外形如图1所示.该系统共由四片元件组成,第一片和第四片的材料为Si,第二片和第三片的材料为Ge.由于非制冷型红外热像仪不用液氮制冷,不需要冷却光阑,孔径光阑可置于光学系统内任意位置.保持原系统的光学性能参数,在第三面上加衍射面,利用Focus Software公司的ZEMAX2EE光学设计软件,对系统重新优化,设计的折/衍混合消热差系统的结构参数如表1所示.
环境温度的变化对红外光学系统性能的影响主要表现为离焦,而离焦将严重影响系统的光学传递函数(MTF).图2为原折射系统和改进的折/衍混合消热差系统的0视场光学传递函数比较图.从图中可看出,原折射系统的光学传递函数在-60~160℃的温差范围内波动很大,在空间频率20 lp/mm处,从0·8354降到0·2318,温度变化严重影响了系统的成像质量.而改进的折/衍混合消热差系统的光学传递函数值几乎不变,在20 lp/mm处保持在0·83左右,接近衍射极限.说明改进系统的环境温度适应性大幅度提高.
图3为系统在像面20 lp/mm空间频率处,0视场和全视场的子午面、弧矢面归一化调制传递函数值随温度变化曲线.它能更全面地反映改进系统的成像质量.从图上可以看出,在设计温度范围内,全视场的子午面光学传递函数值与衍射极限值(0·8575)之差为0·05左右,弧矢面光学传递函数值与衍射极限值之差为0·07左右.设计结果接近衍射极限.说明该系统在设计温度范围内成像质量高而稳定.该系统可用于像素尺寸大于25μm的非制冷凝视式面阵探测器.
图4为设计温度范围内波像差随温度的变化,最大值为-60℃时的0·2166λ,小于像质评价魅?利判据"的标准,即当实际波面与理想波面的最大差别不超过±λ/4时,此波面可看作无缺陷的.根据波像差和焦深的关系式,此系统在设计温度范围内的最大离焦量约为14·1μm,小于系统的焦深16·3μm,说明该光学系统在设计温度范围内焦平面位置几乎不变,实现了消热差.而原系统在此温度范围内的最大离焦量为75·2μm,远远大于系统的焦深.
4 结 论
采用折/衍混合结构改进红外3·2~4·2μm波段的Si2Ge四片式佩茨瓦尔物镜,设计了-60~160℃超宽温度范围内的光学被动式消热差光学系统.改进系统保持了原系统的光学性能参数,在设计温度范围内,离焦量小于系统的焦深.在空间频率20lp/mm处,光学传递函数保持在0·78以上,接近衍射极限.该系统可用于像元尺寸大于25μm的非制冷凝视式焦平面阵列探测器.结果表明,采用折/衍混合系统消热差,不仅增加了选材自由度,还巧妙地简化了红外光学系统的设计难度.
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作者简介:张轶楠(1978—),女,南开大学现代光学研究所硕士研究生,主要从事衍射光学和光学设计方面的研究.
