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折衍混合红外光学系统消热差设计

2012-08-16 14:20
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  本文论述了衍射光学元件的消热差和消色差的温度特性及设计方法,根据折射和衍射光学元件固有特性,设计采用320×256凝视焦平面阵列探测器,工作在中波3~5μm,视场范围为8°×6°的红外系统,该系统使用硅和锗两种红外光学材料。实现了在-40~60℃温度范围内消热差和消色差,像质优良。此系统具有成像质量高、体积小、重量轻、工作温度范围宽的特点,使得折/衍混合光学元件在机载红外成像系统中得到成功应用。

  0引言

  大多数机载军用光学仪器的工作环境温度变化范围比较大,温度变化时光学元件的曲率、厚度和间隔都发生变化,元件基体材料的折射率及所在介质的折射率也将发生变化,由于红外光学材料的折射率温度系数dn/dT较大,比可见光材料大一个或两个数量级,因此环境温度变化对红外光学系统的影响显得尤为严重,所以必须在红外成像系统中加入主动或被动补偿机构,以补偿温度变化造成像面移动所引起的系统性能降低。

  根据仪器的特点和使用场合的不同,出现了多种温度补偿的方法。可归纳为主动式、被动式和混合式3大类,主动式采用手动、机械或机电等方式对补偿机构进行调节;被动式则利用机械、机电或光学等方式实现像面离焦的自动补偿;混合式则在被动式的基础上辅助以主动调节装置,使系统离焦得到更好的补偿。其中光学被动补偿方式由于其结构相对简单、尺寸小、重量轻、系统可靠性高等特点,受到极大的重视。近年来,衍射光学元件在理论和工艺方面取得了很大进展,对于折衍混合系统来说,由于衍射元件独特的温度特性,在合理分配光焦度的情况下,可以实现结构简单的光学被动温度补偿。

  1折射、衍射光学元件的色散和温度特性

  1.1折射透镜的色散和温度特性

  折射率随波长的变化被定义为材料的色散。折射透镜材料的色散由其Abbe数Vr确定:

  式中:tr是光焦度随波长的变化量。Vr值越大,材料的色散越小。

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