光学窗口形变对平行光管像质影响

　　长焦距平行光管光路一般比较长,光路中空气扰动、温度场不均匀分布、气压变化等都会对光管精度和检测结果产生很大影响.为消除环境变化对于光管的影响,一般将光管置于恒温恒压真空罩中,在一端有一个平行平板作为光学系统窗口出射平行光.真空罩内恒温恒压,而真空罩外的室内环境却是变化的(主要是温度).平行平板在两面存在压强差和温差下的形变对于高精度的平行光管光学系统精度的影响必须考虑.由于此时的系统元件已不可调,在设计阶段分析光学窗口由于内外环境不同而产生的形变对于系统精度的影响是非常必要的.

　　1环境变化对光学窗口的影响

　　1.1　压强差对光学窗口的影响

　　光学窗口一侧为真空低压,另一侧为一个大气压,两侧的压差使其发生形变,趋于凹向真空罩内,如图1所示.相当于一个负透镜,使光线发散,从而改变系统焦面位置,影响成像质量,降低出射平行光的平行度.

　　1.2　温度变化对光学窗口的影响

　　温度变化对于光学元件面型、曲率半径、折射率等都有影响,从而对于光学系统像质也有很大的影响.通常温度变化按变化形式可分为:稳态温度变化,瞬态温度变化.按温度场分布的不均匀性又可分为轴向温度场和径向温度场.

　　1.2.1　稳态温度变化对光学窗口的影响

　　稳态温度变化在某些文章中又称均匀温度变化,是指环境经过一段时间之后,从一个温度下的稳定状态分布变到另一个温度下的稳定状态分布.稳态温度变化对于光学元件的影响比较简单,表现在2个方面:

　　(1)由于光学玻璃与镜筒材料线膨胀系数的存在,使光学系统的几何参数(折射或反射面的口径和间隔)发生变化.

　　(2)由于光学玻璃折射率温度系数的存在,使得材料的折射率发生了变化.最终使光学系统的光学参数(光焦度和理想像面位置)发生变化,导致成像大小和质量的变化[1].

　　稳态温度变化是一种比较理想的温度变化.平行平板经过稳态温度变化仍为平行平板,厚度与口径的改变量与温度变化成线性关系

　　ΔL=L·α·ΔT(1)

　　式(1)中,α为平行平板的热膨胀系数.

　　1.2.2　轴向温差对光学窗口的影响

　　轴向温度梯度分布是指在光学系统中,温度沿轴向具有梯度分布.在这种温度场中,光学元件变形如图2所示.图2中,D为平行平板口径,d为平行平板厚度,平板两侧温度相差ΔT,在轴向产生温度梯度,使平板由温度高的表面向温度低的表面弯曲.且有

　　ΔD=D·α·ΔT(2)