宽温度范围的深紫外光学系统无热化设计
发布时间：2022-01-13 22:46
环境温度的变化会引起光学系统产生热离焦现象,导致系统像质不稳定。由于材料的限制,在深紫外波段内,光学系统的无热化设计过程和结果十分复杂。因此,提出了拆分设计和单层衍射光学元件相结合的方法实现深紫外光学系统的无热化设计。该方法首先求解了消热差、消色差方程组,并用结果对深紫外光学系统进行拆分再组合,简化了无热化设计过程。然后在组合系统中加入单层衍射光学元件以简化设计结果。用该方法对焦距为110 mm,F数为3.5,温度为-60～100℃的深紫外侦察相机镜头进行无热化设计,得到的系统在奈奎斯特频率为18.5 lp/mm处,调制传递函数均大于0.65。结果表明,该方法能解决深紫外透射式光学系统在宽温度范围内的热离焦问题,同时能提升系统的光学性能。
【文章来源】：光学学报. 2020,40(17)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
初始结构模型
平均分配系统光焦度可得,Ⅰ、Ⅱ组的焦距均为220 mm,且两组中各材料的光焦度所占比例适中,因此都采用三片式结构。由于光线近似从无穷远进入光学系统,Ⅰ组中第一块透镜为正透镜,所以将Ⅰ组作为组合光学系统的前组,根据光瞳衔接原则,将Ⅰ、Ⅱ组按照前后顺序组合成一个光学系统。对初始结构进行简单优化后,系统的横向色差、彗差、场曲、像散较大。且当光学系统的光焦度确定后,光阑的移动不会改变球差和轴向色差以及热差的大小,但对横向色差、像散、彗差有很大影响。因此,可通过移动光阑减小初始结构中的横向色差、彗差以及像散,最终发现,当光阑位于第八面(第四块镜片后表面)和第九面(第五块镜片前表面)之间时,效果最好。此外,由于Ⅰ、Ⅱ组都是正光焦度,像面为负场曲,所以在靠近焦平面处加入一负透镜的场镜,以增大光学系统视场角。最终优化后的深紫外光学系统初始结构如图2所示,光学系统的总长为134.64 mm,共7块镜片。该结构在温度为-60～100 ℃时成像稳定,可达到消热差的预期效果,但由于受像差影响,成像质量不好。深紫外光学系统初始结构的MTF如图3所示,由于深紫外光学系统的能量集中度与探测器的限制,采用像元拼接方法,将像素尺寸为2 pixel×2 pixel的像元当作一个像元进行处理,拼接后的像元尺寸为27 μm×27 μm,极限分辨为18.5 lp/mm,在空间频率为18.5 lp/mm时,MTF大于0.2,无法达到预期成像效果。为了使该结构在要求温度范围内得到良好的成像质量,只能增加镜片数量或加入其他特殊材料,但这样会导致系统的整体结构变重,增加设计成本,且使用的氟化镁等特殊材料会带来双折射问题。
该结构在温度为-60～100 ℃时成像稳定,可达到消热差的预期效果,但由于受像差影响,成像质量不好。深紫外光学系统初始结构的MTF如图3所示,由于深紫外光学系统的能量集中度与探测器的限制,采用像元拼接方法,将像素尺寸为2 pixel×2 pixel的像元当作一个像元进行处理,拼接后的像元尺寸为27 μm×27 μm,极限分辨为18.5 lp/mm,在空间频率为18.5 lp/mm时,MTF大于0.2,无法达到预期成像效果。为了使该结构在要求温度范围内得到良好的成像质量,只能增加镜片数量或加入其他特殊材料,但这样会导致系统的整体结构变重,增加设计成本,且使用的氟化镁等特殊材料会带来双折射问题。3.3 无热化深紫外折衍混合系统设计
【参考文献】：
期刊论文
[1]折衍射混合环形孔径超薄成像光学系统设计[J]. 孟禹彤,朴明旭,王琦. 光子学报. 2019(12)
[2]基于权重分组的可见光光学系统无热化设计[J]. 解娜,崔庆丰. 光学学报. 2018(12)
[3]0.4～1.7μm宽波段大相对孔径光学系统设计[J]. 曲锐,邓键,彭晓乐,曹晓荷. 光学学报. 2015(08)
[4]紧凑型无热化非制冷红外光学系统设计[J]. 曲贺盟,张新,张继真,王灵杰. 光学学报. 2014(05)
[5]8～12μm折-衍混合物镜超宽温度消热差设计[J]. 陈潇,杨建峰,马小龙,白瑜,何佶珂,何建伟. 光学学报. 2010(07)
[6]812μm波段折/衍混合反摄远系统消热差设计[J]. 韩莹,王肇圻,杨新军,吴环宝. 光子学报. 2007(01)
[7]可见光折/衍射混合光学系统消热差设计[J]. 王茜,许士文. 光学学报. 2004(12)
[8]消热差光学系统设计[J]. 胡玉禧,周绍祥,相里斌,杨建峰. 光学学报. 2000(10)
[9]折射/衍射红外光学系统的消热差设计[J]. 郭永洪,沈忙作,陆祖康. 光学学报. 2000(10)
[10]红外折射-衍射混合光学系统的热差分析[J]. 白剑,孙婷,沈亦兵,侯西云,杨国光. 光学学报. 1999(07)
博士论文
[1]多层衍射光学设计理论和应用研究[D]. 赵丽东.长春理工大学 2019
[2]多层衍射光学元件衍射效率的研究[D]. 杨亮亮.长春理工大学 2013
硕士论文
[1]日盲紫外告警光学系统设计[D]. 宋珊珊.长春理工大学 2014
[2]单点金刚石车削加工脆性光学材料表面粗糙度的控制研究[D]. 许宏淮.复旦大学 2012
本文编号：3587279
【文章来源】：光学学报. 2020,40(17)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
初始结构模型
平均分配系统光焦度可得,Ⅰ、Ⅱ组的焦距均为220 mm,且两组中各材料的光焦度所占比例适中,因此都采用三片式结构。由于光线近似从无穷远进入光学系统,Ⅰ组中第一块透镜为正透镜,所以将Ⅰ组作为组合光学系统的前组,根据光瞳衔接原则,将Ⅰ、Ⅱ组按照前后顺序组合成一个光学系统。对初始结构进行简单优化后,系统的横向色差、彗差、场曲、像散较大。且当光学系统的光焦度确定后,光阑的移动不会改变球差和轴向色差以及热差的大小,但对横向色差、像散、彗差有很大影响。因此,可通过移动光阑减小初始结构中的横向色差、彗差以及像散,最终发现,当光阑位于第八面(第四块镜片后表面)和第九面(第五块镜片前表面)之间时,效果最好。此外,由于Ⅰ、Ⅱ组都是正光焦度,像面为负场曲,所以在靠近焦平面处加入一负透镜的场镜,以增大光学系统视场角。最终优化后的深紫外光学系统初始结构如图2所示,光学系统的总长为134.64 mm,共7块镜片。该结构在温度为-60～100 ℃时成像稳定,可达到消热差的预期效果,但由于受像差影响,成像质量不好。深紫外光学系统初始结构的MTF如图3所示,由于深紫外光学系统的能量集中度与探测器的限制,采用像元拼接方法,将像素尺寸为2 pixel×2 pixel的像元当作一个像元进行处理,拼接后的像元尺寸为27 μm×27 μm,极限分辨为18.5 lp/mm,在空间频率为18.5 lp/mm时,MTF大于0.2,无法达到预期成像效果。为了使该结构在要求温度范围内得到良好的成像质量,只能增加镜片数量或加入其他特殊材料,但这样会导致系统的整体结构变重,增加设计成本,且使用的氟化镁等特殊材料会带来双折射问题。
该结构在温度为-60～100 ℃时成像稳定,可达到消热差的预期效果,但由于受像差影响,成像质量不好。深紫外光学系统初始结构的MTF如图3所示,由于深紫外光学系统的能量集中度与探测器的限制,采用像元拼接方法,将像素尺寸为2 pixel×2 pixel的像元当作一个像元进行处理,拼接后的像元尺寸为27 μm×27 μm,极限分辨为18.5 lp/mm,在空间频率为18.5 lp/mm时,MTF大于0.2,无法达到预期成像效果。为了使该结构在要求温度范围内得到良好的成像质量,只能增加镜片数量或加入其他特殊材料,但这样会导致系统的整体结构变重,增加设计成本,且使用的氟化镁等特殊材料会带来双折射问题。3.3 无热化深紫外折衍混合系统设计
【参考文献】：
期刊论文
[1]折衍射混合环形孔径超薄成像光学系统设计[J]. 孟禹彤,朴明旭,王琦. 光子学报. 2019(12)
[2]基于权重分组的可见光光学系统无热化设计[J]. 解娜,崔庆丰. 光学学报. 2018(12)
[3]0.4～1.7μm宽波段大相对孔径光学系统设计[J]. 曲锐,邓键,彭晓乐,曹晓荷. 光学学报. 2015(08)
[4]紧凑型无热化非制冷红外光学系统设计[J]. 曲贺盟,张新,张继真,王灵杰. 光学学报. 2014(05)
[5]8～12μm折-衍混合物镜超宽温度消热差设计[J]. 陈潇,杨建峰,马小龙,白瑜,何佶珂,何建伟. 光学学报. 2010(07)
[6]812μm波段折/衍混合反摄远系统消热差设计[J]. 韩莹,王肇圻,杨新军,吴环宝. 光子学报. 2007(01)
[7]可见光折/衍射混合光学系统消热差设计[J]. 王茜,许士文. 光学学报. 2004(12)
[8]消热差光学系统设计[J]. 胡玉禧,周绍祥,相里斌,杨建峰. 光学学报. 2000(10)
[9]折射/衍射红外光学系统的消热差设计[J]. 郭永洪,沈忙作,陆祖康. 光学学报. 2000(10)
[10]红外折射-衍射混合光学系统的热差分析[J]. 白剑,孙婷,沈亦兵,侯西云,杨国光. 光学学报. 1999(07)
博士论文
[1]多层衍射光学设计理论和应用研究[D]. 赵丽东.长春理工大学 2019
[2]多层衍射光学元件衍射效率的研究[D]. 杨亮亮.长春理工大学 2013
硕士论文
[1]日盲紫外告警光学系统设计[D]. 宋珊珊.长春理工大学 2014
[2]单点金刚石车削加工脆性光学材料表面粗糙度的控制研究[D]. 许宏淮.复旦大学 2012
本文编号：3587279
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