採用相位板補償的低溫光學常溫裝調裝置的製作方法

2023-10-08 10:11:59 5

專利名稱：採用相位板補償的低溫光學常溫裝調裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及光學技術領域，特別是涉及ー種採用相位板補償的低溫光學常溫裝調裝置。
背景技術：
低溫光學系統工作於較低的溫度環境下，當其由常溫環境變為正常工作狀態的低溫環境時，光學元件的折射率、曲率半徑、非球面係數、機械結構熱脹冷縮產生的應カ等都會發生變化，從而導致低溫光學系統相對於常溫狀態產生各種問題，然而低溫光學系統在低溫環境進行裝調還很難實現，因此需要採取一定方法使得在常溫裝調的系統進入低溫エ作環境時仍舊滿足成像要求。低溫光學系統的裝調主要解決系統由常溫環境裝調完成之後，在進入低溫環境工作後產生的如像面離焦、成像質量下降等問題。本領域傳統的調整方法有兩類，ー種方法在溫度變化時，通過光學材料、結構材料的選取，使離焦量為零。一般採用光學反射鏡與結構框架選用同一種材料的方法，從而保證光學零件與機械零件均勻地膨脹和收縮，而不產生離焦。該方法主要適用於全反射系統中，例如歐洲IRAS望遠鏡與Spitzer望遠鏡的反射鏡與主要結構零件都採用金屬鈹製成；日本的ASTRO-F望遠鏡與歐洲Herschel望遠鏡的反射鏡與主要結構零件均採用SiC材料製成，我國中科院成都光電所研製的低溫紅外光學系統全部採用鋁合金材料。這種方法對材料選擇要求十分嚴格。另ー種方法為利用調焦裝置來主動控制一片或多片光學零件的位置，在光學系統降低至低溫後通過電機驅動機構來改變光學元件間隔未消除溫度變化引起的離焦量，這種方法適合用於折射式、反射式或折反式光學系統。需採用複雜且難度較大的低溫調焦結構，特別是低溫光學系統工作溫度低於100K吋，對調焦機構的環境適用性挑戰大。目前對於像面離焦問題的ー種較易實現的方法是在低溫光學系統中增加ー塊具有合適厚度的光學平板，在常溫下裝調，進入工作溫度後去除光學平板，以實現補償離焦量的目的。然而，這類方法僅解決了離焦問題，由於空間環境的複雜性，常溫裝調的光學系統進入空間低溫環境後除了像面離焦，還會產生像質下降的問題，只對系統進行離焦補償，難以滿足高精度的光學系統清晰成像要求。
發明內容為了解決現有技術中低溫光學系統在常溫裝調完進入工作環境中像質下降的問題，本實用新型提供了一種採用相位板補償的低溫光學常溫裝調裝置。本實用新型的採用相位板補償的低溫光學常溫裝調裝置包括機械支架、成像透鏡組和探測器焦平面，成像透鏡組安裝在機械支架上，其特徵在幹，還包括:位於成像透鏡組和所述探測器焦平面之間的相位板，所述相位板的ー個或者兩個表面設置有衍射面，所述衍射面引入的相位變化用於補償低溫光學系統由工作溫度升至常溫裝調環境後的表面變形。進ー步地，所述衍射面為旋轉對稱式衍射面或非旋轉對稱式衍射面[0008]進ー步地，所述衍射面引入的相位變化與所述衍射面的衍射參數相對應，其中，根據熱分析和光學分析獲得所述低溫光學系統由工作溫度升至常溫後的表面變形量，基於該表面變形量獲得所述衍射面的衍射參數進ー步地,所述相位板的厚度d為d = xn/(n_l),其中x為所述低溫光學系統由エ作溫度升至常溫後的離焦量，n為所述相位板的材料在常溫下的折射率。本實用新型有益效果如下:1.本實用新型採用的相位板具有特殊設計的衍射面，對低溫光學系統常溫裝調後進入工作溫度而產生的成像透鏡表面變形進行補償，可避免由於環境溫度變化造成的像質惡化，實現常溫裝調的系統在低溫環境中也可以清晰成像的效果。2.通過進ー步調整相位板的厚度，對低溫光學系統常溫裝調後進入工作溫度而產生的像面離焦進行補償，使光學系統在低溫工作條件下的成像質量和焦面與常溫裝調時的成像質量和焦面一致，可同時解決低溫光學系統的像質下降和像面離焦問題。

圖1是本實用新型的採用相位板補償的低溫光學常溫裝調裝置的結構示意圖。圖2是現有技術中的光學平板結構示意圖。圖3是本實用新型實施例中的帶有衍射面的相位板結構示意圖。圖4是本實用新型採用相位板補償的低溫光學常溫裝調方法流程圖。其中，1-成像透鏡組，2-機械支架，3-光學相位板，4-探測器焦平面。
具體實施方式
以下結合附圖以及實施例，對本實用新型進行進一歩詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，並不限定本實用新型。圖1所示為本實用新型的採用相位板補償的低溫光學常溫裝調裝置的結構示意圖，在機械支架2上安裝成像透鏡組1，常溫裝調時，在系統中引入光學相位板3，相位板3的ー個或者兩個表面上設置有衍射面，利用衍射面引入相位變化，來補償光學系統由工作溫度升至常溫裝調溫度後的表面變形，以此確保常溫裝調後的光學系統在進入工作狀態後能夠清晰成像。其中，成像透鏡組I可包含一片或者多片透鏡或者反射鏡，可依情況具體設置，本實施例中以兩片透鏡為例。本實用新型通過控制相位板的表面引入相位變化，需在相位板的一個或者兩個表面引入衍射面，圖1中虛線為未加相位板時成像光束的像面，實線為加入相位板調整後的像面位置，加入相位板後，像面位置恰好在探測器焦平面上。圖2所示為常見光學平板的結構示意圖，圖3為本實用新型引入衍射面之後的相位板結構示意圖，衍射面可以是各種形式的衍射面，比如旋轉對稱式，非旋轉對稱式等。通過優化衍射面的衍射參數，使其可以補償低溫系統的表面變形，從而保證常溫裝調的光學系統的成像質量與低溫下的成像質量一致。關於衍射面的衍射參數的計算，可利用熱分析和光學分析等方法推導計算，首先算出光學系統在由常溫到低溫後將發生的表面變形量，再計算補償這個表面變形量所需要的衍射參數值即可。[0023]以下通過具體實施例詳細描述本實用新型，基於圖1所示的低溫光學裝置，本實施例以低溫長波紅外光學系統為例，光學系統的口徑為102.8mm，焦距為308mm(溫度為77K吋)，視場為±1°，エ作波段為8.0111^12.011111，低溫エ作溫度為771(。本實施例的球面透鏡I和球面透鏡2的材料均為鍺，機械支架3採用硬鋁材料。在工作溫度77K時，透鏡I的前表面曲率半徑為299.5mm,後表面曲率半徑為490.1mm,厚度為6mm ;透鏡2的前表面曲率半徑為1296.6mm,後表面曲率半徑為983.1mm,厚度為6mm ;透鏡I和透鏡2的間隔距離為11.9mm。其它相關的系統參數還有:工作溫度77K時，鍺材料在10 ii m處折射率n=3.916860 ;常溫293K時，鍺材料在10 y m處折射率n』 =4.003263。鍺材料熱膨脹係數為
5.7 X 10—7K，硬鋁合金的熱膨脹係數為23.6 X 10_6/K。結合系統參數，通過熱分析和光學分析軟體計算出該光學系統由常溫到低溫後將發生的表面變形，計算相位板3表面衍射面的衍射參數，本實施例中的衍射面為旋轉對稱衍射面，衍射參數計算結果見表I。表I
權利要求1.一種採用相位板補償的低溫光學常溫裝調裝置，包括機械支架、成像透鏡組和探測器焦平面，成像透鏡組安裝在機械支架上，其特徵在幹，還包括:位於成像透鏡組和所述探測器焦平面之間的相位板，所述相位板的ー個或者兩個表面設置有衍射面，所述衍射面引入的相位變化用於補償低溫光學系統由工作溫度升至常溫裝調環境後的表面變形。
2.如權利 要求1所述的採用相位板補償的低溫光學常溫裝調裝置，其特徵在於，所述衍射面為旋轉對稱式衍射面或非旋轉對稱式衍射面。
3.如權利要求1所述的採用相位板補償的低溫光學常溫裝調裝置，其特徵在於，所述衍射面引入的相位變化與所述衍射面的衍射參數相對應，其中，根據熱分析和光學分析獲得所述低溫光學系統由工作溫度升至常溫後的表面變形量，基於該表面變形量獲得所述衍射面的衍射參數。
4.如權 利要求1所述的採用相位板補償的低溫光學常溫裝調裝置，其特徵在於，所述相位板的厚度d為d = xn/(n-l)，其中X為所述低溫光學系統由工作溫度升至常溫後的離焦量，n為所述相位板的材料在常溫下的折射率。
5.如權利要求4所述的採用相位板補償的低溫光學常溫裝調裝置，其特徵在於，所述成像透鏡組由兩片透鏡組成，位於所述相位板的同一側，其中，接近所述相位板的球面透鏡的前表面曲率半徑為299.5mm,後表面曲率半徑為490.1mm,厚度為6mm ;遠離所述相位板的球面透鏡的前表面曲率半徑為1296.6mm，後表面曲率半徑為983.1mm，厚度為6mm ；接近所述相位板的球面透鏡和遠離所述相位板的球面透鏡的材料均為鍺，間隔距離為.11.9mm ;工作溫度為77K ；d=13.25mm ;所述相位板的衍射參數為:對於相位板的前表面，一階衍射參數Cl=L 283618e-4，ニ階衍射參數C2=-5.543649e_8，對於相位板的後表面，Cl=-1.311441e-4，C2=5.902790e_8，相位板的其餘各階衍射參數均為O。
專利摘要本實用新型公開了一種採用相位板補償的低溫光學常溫裝調裝置。採用的相位板具有特殊設計的衍射面，對低溫光學系統常溫裝調後進入工作溫度而產生的成像透鏡表面變形進行補償，可避免由於環境溫度變化造成的像質惡化，實現常溫裝調的系統在低溫環境中也可以清晰成像的效果。通過進一步調整相位板的厚度，對低溫光學系統常溫裝調後進入工作溫度而產生的像面離焦進行補償，使光學系統在低溫工作條件下的成像質量和焦面位置與常溫裝調時的成像質量和焦面位置一致，可同時解決低溫光學系統的像質下降和像面離焦問題。
文檔編號G02B27/42GK202975472SQ20122057228
公開日2013年6月5日 申請日期2012年11月1日 優先權日2012年11月1日
發明者彭晴晴, 駱守俊, 何伍斌, 溫慶榮 申請人:中國電子科技集團公司第十一研究所