第38卷第9期2009年9月光子学报ACTAPHOTONICASINICAVol.38No.9September20093国家自然基金(40301031)资助Tel:029288887679Email:baiyu91258@163.com收稿日期:2008207229修回日期:2008209216红外3.7～4.8μm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3.7～4.8μm,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-50～100℃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30μm、像元数320×240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-50～100℃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3.7～4.8μm波段,全视场角为7.12°,F/#为2.5,有效焦距为96.43mm,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30μm、像元数320×240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=-Δφφ=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=n0rm2/2mλ(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[5]rm(T)=rm(1+agΔT)(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.1Modelofdiffractiveelement2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=1hi
