一种热稳定混合元件研究

在近代光电仪器中,特别是军事和航空航天领域的光电装置中越来越广泛的采用非球面零件,以减少系统的重量和体积.但由于过去常用逐步修抛方法来加工非球面,这种方法的重复精度差,加工周期长,因而无法实现批量生产.

随着精密加工和计算机技术的发展,目前国外的计算机数控单点金刚石车削技术和光学塑料注射成型技术已经处于比较成熟的阶段,使玻璃与塑料的精密模压成型,特别是光学塑料的注射成型技术可以用来批量生产非球面零件[1].

由于光学塑料元件具有成型方便,成本低,耐冲击强度高,比重小,透光性好等优点而得到了更广泛的应用.但光学塑料(如PMMA)的dn/dt大约是K9玻璃的40倍,热膨胀系数比玻璃大10倍左右.因此,在使用由塑料(如PMMA)制造的光学元件时,就必须要克服材料热稳定性差的缺点.

考虑到衍射光学,可以用一种折射材料(如塑料)来实现消色差,以制造高性能,大口径,重量轻的光学元件和精密微光学元件[2].本研究采用一面是非球面,另一面为衍射面的光学塑料折射-衍射零件,使其既能改善像质,简化系统,减小尺寸和重量,而且还能实现热补偿.这种组合不仅可以稳定焦距,同时也提供了控制像差热变化的设计能力.如果采用带有衍射浮雕结构的折射-衍射混合系统,系统自身能够补偿由于环境温度变化而引起的焦距和像质的改变.

下面讨论温度变化对光学元件的影响,混合元件的设计原理,设计实例和注射成型工艺.

为了简化设计,以一个平凸透镜为例.

1　温度变化对光学元件的影响

1.1　温度变化对折射透镜的影响

平凸薄透镜的焦距为

从式(4)中可以看出,焦距的变化由两部分构成,前一项是折射率温度梯度的贡献,后一项是线膨胀系数的贡献.下面以材料为PMMA的透镜为例来讨论,若设焦距为50mm,则有

从式(6)的两个系数可以看出折射率温度梯度的影响大约是线膨胀系数影响的4倍.温度变化20℃时引起的焦距变化为

1.2　温度变化对衍射透镜性质的影响

当一个系统必须工作在温度变化较大的环境时,设计者就要考虑透镜材料和镜筒材料的膨胀和收缩,这可以用它们的热膨胀系数来表示.另外,透镜和周围空间的折射率也会发生变化.若不采用热稳定技术,这些变化将影响系统的光学性质.

一个衍射透镜可以被看作无损失的位相物体,如图1,从每个环带边缘到焦点的距离与焦距的差是设计波长的整数倍,第m个环带半径为

    随着温度的变化,各环带膨胀或收缩,焦距对温度的微分为

从式(12)可以看出,衍射透镜焦距随温度的变化只是基底材料线膨胀系数的函数,这里忽略了透镜周围介质折射率的变化.