折衍混合红外光学系统消热差设计

　　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[1]。

　　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[2]。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[3]。

　　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。

　　评价光学系统热特性的一个有用参数就是光热膨胀系数xf,光热膨胀系数被定义为由于温度的变化而引起焦距的归一化变化。折射透镜的光热膨胀系数xf,r为[4]:

　　式中:n是透镜的折射率;dn/dT是透镜材料折射率的变化相对于像空间折射率的变化;ag是透镜材料的热膨胀系数;ni是系统所在介质空间的折射率。

　　1.2　衍射光学元件的色散和温度特性

　　衍射光学元件的色散由其Abbe数Vd[4]确定:

　　式中:Vd仅仅是波数ν为表征透镜色散能力的阿贝数[5],并且与透镜的材料特性无关,此外,Vd是负值,这意味着长波的焦距比短波的焦距短,这是一个与折射透镜材料的性质相反的性质。折射元件的色差由光学材料的材料色散引起,而衍射元件的色差由微结构衍射的波长依赖性引起,其色散特性和材料特性正好相反。对中波红外波段,λ₁=3μm,λ2=4μm,λ₃=5μm,则ν_D=-2,P^D=0.5,可见衍射光学元件的等效阿贝常数和光学材料的阿贝常数是异号的,对长波红外也有相同的特性。

　　对于折衍混合透镜,因衍射光学元件的阿贝数为一很小的负值,所以折射透镜和衍射光学元件的光焦度同号,通常折射元件的光焦度略小于总光焦度,而衍射光学元件的光焦度非常小,使得单色像差容易校正[6]。