專利名稱：采用相位板補償?shù)牡蜏毓鈱W(xué)常溫裝調(diào)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及ー種采用相位板補償?shù)牡蜏毓鈱W(xué)常溫裝調(diào)裝置。
背景技術(shù)：
低溫光學(xué)系統(tǒng)工作于較低的溫度環(huán)境下，當其由常溫環(huán)境變?yōu)檎９ぷ鳡顟B(tài)的低溫環(huán)境時，光學(xué)元件的折射率、曲率半徑、非球面系數(shù)、機械結(jié)構(gòu)熱脹冷縮產(chǎn)生的應(yīng)カ等都會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致低溫光學(xué)系統(tǒng)相對于常溫狀態(tài)產(chǎn)生各種問題，然而低溫光學(xué)系統(tǒng)在低溫環(huán)境進行裝調(diào)還很難實現(xiàn)，因此需要采取一定方法使得在常溫裝調(diào)的系統(tǒng)進入低溫エ作環(huán)境時仍舊滿足成像要求。低溫光學(xué)系統(tǒng)的裝調(diào)主要解決系統(tǒng)由常溫環(huán)境裝調(diào)完成之后，在進入低溫環(huán)境工作后產(chǎn)生的如像面離焦、成像質(zhì)量下降等問題。本領(lǐng)域傳統(tǒng)的調(diào)整方法有兩類，ー種方法在溫度變化時，通過光學(xué)材料、結(jié)構(gòu)材料的選取，使離焦量為零。一般采用光學(xué)反射鏡與結(jié)構(gòu)框架選用同一種材料的方法，從而保證光學(xué)零件與機械零件均勻地膨脹和收縮，而不產(chǎn)生離焦。該方法主要適用于全反射系統(tǒng)中，例如歐洲IRAS望遠鏡與Spitzer望遠鏡的反射鏡與主要結(jié)構(gòu)零件都采用金屬鈹制成；日本的ASTRO-F望遠鏡與歐洲Herschel望遠鏡的反射鏡與主要結(jié)構(gòu)零件均采用SiC材料制成，我國中科院成都光電所研制的低溫紅外光學(xué)系統(tǒng)全部采用鋁合金材料。這種方法對材料選擇要求十分嚴格。另ー種方法為利用調(diào)焦裝置來主動控制一片或多片光學(xué)零件的位置，在光學(xué)系統(tǒng)降低至低溫后通過電機驅(qū)動機構(gòu)來改變光學(xué)元件間隔未消除溫度變化引起的離焦量，這種方法適合用于折射式、反射式或折反式光學(xué)系統(tǒng)。需采用復(fù)雜且難度較大的低溫調(diào)焦結(jié)構(gòu)，特別是低溫光學(xué)系統(tǒng)工作溫度低于100K吋，對調(diào)焦機構(gòu)的環(huán)境適用性挑戰(zhàn)大。目前對于像面離焦問題的ー種較易實現(xiàn)的方法是在低溫光學(xué)系統(tǒng)中增加ー塊具有合適厚度的光學(xué)平板，在常溫下裝調(diào)，進入工作溫度后去除光學(xué)平板，以實現(xiàn)補償離焦量的目的。然而，這類方法僅解決了離焦問題，由于空間環(huán)境的復(fù)雜性，常溫裝調(diào)的光學(xué)系統(tǒng)進入空間低溫環(huán)境后除了像面離焦，還會產(chǎn)生像質(zhì)下降的問題，只對系統(tǒng)進行離焦補償，難以滿足高精度的光學(xué)系統(tǒng)清晰成像要求。
發(fā)明內(nèi)容為了解決現(xiàn)有技術(shù)中低溫光學(xué)系統(tǒng)在常溫裝調(diào)完進入工作環(huán)境中像質(zhì)下降的問題，本實用新型提供了一種采用相位板補償?shù)牡蜏毓鈱W(xué)常溫裝調(diào)裝置。本實用新型的采用相位板補償?shù)牡蜏毓鈱W(xué)常溫裝調(diào)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，其特征在干，還包括:位于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(shè)置有衍射面，所述衍射面引入的相位變化用于補償?shù)蜏毓鈱W(xué)系統(tǒng)由工作溫度升至常溫裝調(diào)環(huán)境后的表面變形。進ー步地，所述衍射面為旋轉(zhuǎn)對稱式衍射面或非旋轉(zhuǎn)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(shù)相對應(yīng)，其中，根據(jù)熱分析和光學(xué)分析獲得所述低溫光學(xué)系統(tǒng)由工作溫度升至常溫后的表面變形量，基于該表面變形量獲得所述衍射面的衍射參數(shù)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(xué)系統(tǒng)由エ作溫度升至常溫后的離焦量，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.本實用新型采用的相位板具有特殊設(shè)計的衍射面，對低溫光學(xué)系統(tǒng)常溫裝調(diào)后進入工作溫度而產(chǎn)生的成像透鏡表面變形進行補償，可避免由于環(huán)境溫度變化造成的像質(zhì)惡化，實現(xiàn)常溫裝調(diào)的系統(tǒng)在低溫環(huán)境中也可以清晰成像的效果。2.通過進ー步調(diào)整相位板的厚度，對低溫光學(xué)系統(tǒng)常溫裝調(diào)后進入工作溫度而產(chǎn)生的像面離焦進行補償，使光學(xué)系統(tǒng)在低溫工作條件下的成像質(zhì)量和焦面與常溫裝調(diào)時的成像質(zhì)量和焦面一致，可同時解決低溫光學(xué)系統(tǒng)的像質(zhì)下降和像面離焦問題。
圖1是本實用新型的采用相位板補償?shù)牡蜏毓鈱W(xué)常溫裝調(diào)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是現(xiàn)有技術(shù)中的光學(xué)平板結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本實用新型采用相位板補償?shù)牡蜏毓鈱W(xué)常溫裝調(diào)方法流程圖。其中，1-成像透鏡組，2-機械支架，3-光學(xué)相位板，4-探測器焦平面。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖以及實施例，對本實用新型進行進一歩詳細說明。應(yīng)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，并不限定本實用新型。圖1所示為本實用新型的采用相位板補償?shù)牡蜏毓鈱W(xué)常溫裝調(diào)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，在機械支架2上安裝成像透鏡組1，常溫裝調(diào)時，在系統(tǒng)中引入光學(xué)相位板3，相位板3的ー個或者兩個表面上設(shè)置有衍射面，利用衍射面引入相位變化，來補償光學(xué)系統(tǒng)由工作溫度升至常溫裝調(diào)溫度后的表面變形，以此確保常溫裝調(diào)后的光學(xué)系統(tǒng)在進入工作狀態(tài)后能夠清晰成像。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(shè)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(diào)整后的像面位置，加入相位板后，像面位置恰好在探測器焦平面上。圖2所示為常見光學(xué)平板的結(jié)構(gòu)示意圖，圖3為本實用新型引入衍射面之后的相位板結(jié)構(gòu)示意圖，衍射面可以是各種形式的衍射面，比如旋轉(zhuǎn)對稱式，非旋轉(zhuǎn)對稱式等。通過優(yōu)化衍射面的衍射參數(shù)，使其可以補償?shù)蜏叵到y(tǒng)的表面變形，從而保證常溫裝調(diào)的光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量與低溫下的成像質(zhì)量一致。關(guān)于衍射面的衍射參數(shù)的計算，可利用熱分析和光學(xué)分析等方法推導(dǎo)計算，首先算出光學(xué)系統(tǒng)在由常溫到低溫后將發(fā)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(shù)值即可。[0023]以下通過具體實施例詳細描述本實用新型，基于圖1所示的低溫光學(xué)裝置，本實施例以低溫長波紅外光學(xué)系統(tǒng)為例，光學(xué)系統(tǒng)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采用硬鋁材料。在工作溫度77K時，透鏡I的前表面曲率半徑為299.5mm,后表面曲率半徑為490.1mm,厚度為6mm ;透鏡2的前表面曲率半徑為1296.6mm,后表面曲率半徑為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(guān)的系統(tǒng)參數(shù)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。鍺材料熱膨脹系數(shù)為
5.7 X 10—7K，硬鋁合金的熱膨脹系數(shù)為23.6 X 10_6/K。結(jié)合系統(tǒng)參數(shù)，通過熱分析和光學(xué)分析軟件計算出該光學(xué)系統(tǒng)由常溫到低溫后將發(fā)生的表面變形，計算相位板3表面衍射面的衍射參數(shù)，本實施例中的衍射面為旋轉(zhuǎn)對稱衍射面，衍射參數(shù)計算結(jié)果見表I。表I
權(quán)利要求1.一種采用相位板補償?shù)牡蜏毓鈱W(xué)常溫裝調(diào)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，其特征在干，還包括:位于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(shè)置有衍射面，所述衍射面引入的相位變化用于補償?shù)蜏毓鈱W(xué)系統(tǒng)由工作溫度升至常溫裝調(diào)環(huán)境后的表面變形。
2.如權(quán)利 要求1所述的采用相位板補償?shù)牡蜏毓鈱W(xué)常溫裝調(diào)裝置，其特征在于，所述衍射面為旋轉(zhuǎn)對稱式衍射面或非旋轉(zhuǎn)對稱式衍射面。
3.如權(quán)利要求1所述的采用相位板補償?shù)牡蜏毓鈱W(xué)常溫裝調(diào)裝置，其特征在于，所述衍射面引入的相位變化與所述衍射面的衍射參數(shù)相對應(yīng)，其中，根據(jù)熱分析和光學(xué)分析獲得所述低溫光學(xué)系統(tǒng)由工作溫度升至常溫后的表面變形量，基于該表面變形量獲得所述衍射面的衍射參數(shù)。
4.如權(quán) 利要求1所述的采用相位板補償?shù)牡蜏毓鈱W(xué)常溫裝調(diào)裝置，其特征在于，所述相位板的厚度d為d = xn/(n-l)，其中X為所述低溫光學(xué)系統(tǒng)由工作溫度升至常溫后的離焦量，n為所述相位板的材料在常溫下的折射率。
5.如權(quán)利要求4所述的采用相位板補償?shù)牡蜏毓鈱W(xué)常溫裝調(diào)裝置，其特征在于，所述成像透鏡組由兩片透鏡組成，位于所述相位板的同一側(cè)，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,后表面曲率半徑為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，后表面曲率半徑為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(shù)為:對于相位板的前表面，一階衍射參數(shù)Cl=L 283618e-4，ニ階衍射參數(shù)C2=-5.543649e_8，對于相位板的后表面，Cl=-1.311441e-4，C2=5.902790e_8，相位板的其余各階衍射參數(shù)均為O。
專利摘要本實用新型公開了一種采用相位板補償?shù)牡蜏毓鈱W(xué)常溫裝調(diào)裝置。采用的相位板具有特殊設(shè)計的衍射面，對低溫光學(xué)系統(tǒng)常溫裝調(diào)后進入工作溫度而產(chǎn)生的成像透鏡表面變形進行補償，可避免由于環(huán)境溫度變化造成的像質(zhì)惡化，實現(xiàn)常溫裝調(diào)的系統(tǒng)在低溫環(huán)境中也可以清晰成像的效果。通過進一步調(diào)整相位板的厚度，對低溫光學(xué)系統(tǒng)常溫裝調(diào)后進入工作溫度而產(chǎn)生的像面離焦進行補償，使光學(xué)系統(tǒng)在低溫工作條件下的成像質(zhì)量和焦面位置與常溫裝調(diào)時的成像質(zhì)量和焦面位置一致，可同時解決低溫光學(xué)系統(tǒng)的像質(zhì)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(yōu)先權(quán)日2012年11月1日
發(fā)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