航空CCD相机可见光光学系统消热差设计

　　0　引言

　　随着航空侦察和遥感获得高分辨率图像的需要,光学系统的消热差技术(即无热化技术)得到了重视和发展.国外在20世纪40年代就相继开始研究温度对光学系统的影响研究,提出了无热化技术.Tamagawa等人采用无热图实现多透镜系统的无热化设计[1],Behrmann等研究人员研究了采用衍射元件的方法,利用衍射元件负的射散系数和独特的温度特性实现消热差设计[2].国内胡玉禧,杨新军[3-8]等人对消热差也进行了相关研究.具体的光学系统消热差设计可以简单分为三类:1)机械式无热技术(机械式被动补偿);2)机电式无热技术(机电主动补偿);3)光学式无热技术(光学被动式补偿).无论机械或是机电式都只是补偿像面而无法保证焦距不变,且不可避免地使系统更加复杂、体积变大、重量增加、可靠性降低.而光学式无热技术具有结构相对简单、尺寸小,重量轻和系统可靠等优点.本文采用光学式补偿,提出利用变焦光学系统设计[9]思想,实现航空CCD相机复杂可见光折射系统[10]无热化设计.

　　1　无热化设计思想

　　可见光折射系统一般结构复杂,玻璃材料种类繁多,光热性差别大,无法像红外系统通过满足光焦度、消色差和消热差方程得到初始结构.利用变焦系统设计思想,把光学系统的无热化设计看成是广义的变焦系统,建立无热设计与变焦设计的关系,可以实现复杂可见光折射系统的无热化设计.

　　通常情况下,无热化设计先设计出常温下满足像质要求的结果;然后使温度发生变化,分析系统焦距和像面离焦情况;最后采取一系列消除热效应的手段,补偿像面漂移,在宽工作温度范围内满足成像要求.设计可以把光学系统的无热化设计的三个阶段看成是变焦距系统设计的三种状态:1)把常温下的设计方案看成是变焦系统各组分的一种组合状态;2)把温度变化看成是变焦系统中的变倍组从一个位置移向另一个位置的过程;3)一系列消除热效应的方法看成是变焦系统补偿组进行补偿的过程,如图1.由此建立起光学系统消热差设计与变焦系统的关系,实现无热化设计.

　　2　设计实例

　　某航空CCD相机设计要求:系统焦距f′=780 mm,F数为5.6,全视场2ω=5.3°,光谱范围0.4~0.75μm,在工作温度范围-40℃~+60℃内,空间频率在50 lp/mm时,MTF大于0.5,且MTF变化范围在10%之内.

　　首先设计出一个常温下符合要求的光学系统,系统中共有18块玻璃,8种材料,其中加有特殊色散的光学材料CaF2进行消色.加入反射镜主要用来摆扫前组镜头扩大成像范围,另外可以缩短筒长;为了缩短曝光时间,需将快门直径减小,系统设计成二次成像,其结构和传递函数曲线如图2和图3.