中波红外高分辨率被动消热差匹兹伐物镜设计

中波红外高分辨率被动消热差匹兹伐物镜 苏州大学本科生毕业设计(论文) 中波红外高分辨率被动消热差匹兹伐物镜设计 现代光学研究所，南开大学，光电信息科学与技术重点， 教育部，天津，300071，中国 摘要:为了使红外光学系统有更宽的温度适应性，设计了含有衍射元件的中波红外高分辨率匹兹伐物镜，能够实现从-20?到+50?范围内的光学被动消热差。仅使用了硅和锗两种材料。全色MTF的理论值在20线对/毫米达到0.80，接近衍射极限;在温度变化范围内几何像斑的尺寸控制在20微米内。该镜头适合最新的像元尺寸为25微米的中波红外凝视阵列探测器使用。文章对衍射面的加工问题也进行了讨论。 关键词:折衍混合系统 ;计算机辅助光学设计;红外光学系统;消热差 1.介绍 现代光学系统，特别是军事系统和航空航天系统通常将在一个很大的温度范围内工作。环境温度的变化引起折射率、镜片形状、和镜头尺寸的变化。这种情况引起的热重点转移降低了一个成像系统图像质量。特别是对红外光学系统，因为红外材料折射率变化随温度()的变化很快，环境影响可以大大影响到光学系统的性能[1-3]。因此，当设dn/dt 计一个红外光学系统，我们必须考虑温度的影响。另一方面，伴随着红外探测器阵列技术的快速发展，探测器阵列的像素尺寸越来越小，分辨率越来越高。近年来，像素大小约50微米缩小至30~20微米[4，5]。因此，对于相关的高分辨率红外光学系统的需求也迅速增加。 红外光学系统消热方法已经讨论了[6，7]许多次。普遍认为通过正确的选择被动消热的光学系统的尺寸和功率将为许多领域提供好的解决[8,9]。但在某些情况下，是很难设计出消热差光学系统，因为现有的光学材料还是有限的。在过去的几年里，我们就衍射光学的红外消热差系统所提供的设计优点进行了多次讨论[10,11]。参考文献[10]展示了一种被动消热差的温度范围-20?至50?以内在3元混合匹兹伐物镜 oo(f=75mm,F/1,field)。但镜头只适合于56微米像素尺寸远红外成像仪。参考,5.5，,2.7 o文献[11]展示一种两个混合的高分辨率匹兹伐物镜设计(f=176mm,F/1.1,field)，,0.5其几何射线的直径控制在20微米。该设计应用于一个3~5微米的高分辨率成像凝视阵列但是稳定性较差。 在本文中，我们提出了一个被动消热差的高分辨率匹兹伐物镜设计，它以一种最新型 1 苏州大学本科生毕业设计(论文) 建立在25微米像素阵列探测器上的中波红外系统。为了满足高分辨率和热稳定性的要求，我们使用了两种材料和4个具有衍射表面的元素。 2.热性能的衍射元件 在厚镜片组成的多重系统间隔下，下列方程的纵向色差和热畸变将随着温度的变化而得到反馈，得到[12]: 11,,,,h, (1) iifh1 ,12i (2) fh,,,bi22i,,hi1 f,12b (3) h,,,,,iii22iTh,,1 h,,f在公式(1)，(2)，(3)中，代表在第i个镜头旁轴射线的高度，表示整体功率和ib ,fb,,,,f,系统的后焦点;分别指的是纵向色差和热畸变;分别代表第i个镜头的功率iib,T ,和阿贝数的;是第i个透镜材料热分散效率，效果由下式决定: i ,1,i , (4) ,i,T,i 光学系统的消色差和消热差要求，纵向色差由公式(2)引起的波长纵向集中变化为零，并伴随周围环境温度变化，在公式(3)中补偿光学元件热重心的转移是由于电池材料造成的。 对于屈光元素，光热材料色散功率由下式给出: 1,ni,,,a (5) rign,1,Ti ,ni它不仅依赖于材料的热膨胀系数，也随其指数随温度变化一起变化。 ag,T 2 苏州大学本科生毕业设计(论文) 对于衍射元件，其功率表示为: 2 (6) ,,2m,/rm r其中表示是m区的半径。随温度的变化，给出了功率的变化: m ,,,2m (7) ,(,2a),,(,2a)gg2,Trm 其中表示热膨胀系数的基板材料，相对于公式(4)，不同衍射元件的热功率表示为: ag (8) ,,,2adg 公式(8)结果显示，热透镜的衍射功率完全是由决定的;它是随温度指数的变化无关。ag 对于大多数红外材料，。公式(5)和(8)表明，热衍射元件色散功率可以,n/,T,,ag 忽略不计。混合光学可以提供额外的自由程度的色差校正的必要。如果我们能够合理分配为无热的屈光要素的权力，然后消色差和消热差可以同时在红外光学系统实现。 3.被动消热差匹兹伐物镜设计 我们的设计目标是高分辨率的匹兹伐物镜的光学稳定性和热稳定性，具体内容见表1。 我们从一个符合上述要求的传统4元素匹兹伐物镜开始设计，除此外材料热稳定性要符合热稳定性的客观要求即在指定的温度范围内性能不变。传统的匹兹伐元件布局见图1。第一次和第四件材料是硅，第二件材料是锗，第三个元素硒化锌。 接下来考虑其热稳定性，全色MTF的理论值在20线对/毫米达到0.80，在温度范围-20?至50?以内其几何射线的直径控制在20微米。如此我们容易看出，目前的设计不能满足要求，如图2和表2所示。从图2和表2中我们可以看到，如果工作范围超过+17?至+30?，其热散失将大大影响该光学系统成像质量。 考虑设计的质量和成本，在3~5微米波段范围内硅是首选的具有良好功率的光学材料。而且，硅的较低的折射率相比于锗具有更强大的镜头曲率。此外，硅的分布使得其他光学材料引入色彩校正，特别是使该系统有一个比较长的焦距和光圈高度。锗关系到负光功率，可以与锡想结合用于消热差，不过尚有待研究证实。由于在同一波段的折射和衍射元件的局部变化相对分散，衍射元件在二次光谱处需要纠正，这是设计系统的需要。 3 苏州大学本科生毕业设计(论文) 波段 3~5微米 焦距 176毫米 F-数值 1.1 半场角 0.5度 MTF 20线对/毫米达到0.80 几何光斑直径 少于20微米 工作温度范围 -20?至50? 相关成像仪 25毫米阵列探测器 表1.高分辨率匹兹伐物镜设计的要求 图1.光学设计的4元素匹兹伐物镜目标 4 苏州大学本科生毕业设计(论文) 图2.传统光学系统的多色MTF随温度变化的轴向图 我们选取4元素常规高分辨率匹兹伐物镜目标在图1中的显示作为原始结构，然后进行如下的更换和优化程序: 1)将第三个元素的材料改为锗，用衍射表面取代第四折射面; 2)使通过引入有效焦距的系统优化，球差和彗差到具有职能。在优化过程中，检查MTF的性能和系统的实验在不同温度下成像，并使其具有更稳定的成像质量; 3)通过追踪所有优化使系统优化。在优化过程中，检查MTF的性能和在不同温度下的该系统的实验图，使系统具有稳定的成像质量。 4.设计结果 根据表1所给定的约束，新的消热差高分辨率匹兹伐物镜设计如图3。第一和第四个材料是硅，提供有效功率;第二和第三个材料是锗，作为负电源材料。图4指出全色MTF的在温度范围-20?至50?以内达到20线对/毫米。离轴切向的MTF和衍射极限(0.88)的差额为0.05。离轴差异的MYF和衍射极限的差额为0.04。由于两者差异很小，MTF在制定的温度范围内几乎等于衍射极限。如此，光学系统的适应能力大大提高了。表3显示了消热差混合光学系统的几何点的直径随温度的变化。从表3中我们可以看到几何点的直径控制 5 苏州大学本科生毕业设计(论文) 在20毫米以内时的温度范围。 图3.光学混合消热差的高分辨率匹兹伐物镜目标。 表2.传统系统的几何点的直径随温度变化。 温度(摄氏度) -20 -10 0 10 20 30 40 50 几何光斑直径(微米) 49.054 41.188 33.378 25.613 17.885 15.154 23.261 31.351 表3.新型的消热差混合光学系统的几何点直径随温度变化。 温度(摄氏度) -20 -10 0 10 20 30 40 50 几何光斑直径(微米) 12.395 13.224 13.996 14.722 15.409 16.064 16.693 17.302 6 苏州大学本科生毕业设计(论文) 图4.消热差的MTF混合光学系统。 5.衍射元件的制作问题 在上面的消热差混合光学系统设计中，采用ZEMAX软件软件，相多项式是由公式(9)描述。在我们设计的情况下，当只有当前连个条件存在下衍射元素n环数由下式给出: 24,2,n,Ar，Ar (9) 12 在第n圈半径的一般化然后加以计算: 2AA8nA,,,,112 r (10) ,n2A2 该环的最大数量由下式给出: 24Ar，Ar1020 (11) n,Intmax2, r 其中的是归一化的径向孔径衍射元件，并诠释指的一体化运作。对于衍射表面，一0 般化半径60.5毫米。A1和A2的系数分别为20.6和2.3。衍射面实际半径为63.7。根据公式(9)至(11)，归径向孔径为1.05，总环数为4。当蚀刻水平为8，最小特征尺寸为875微米，这是相当大的制造标准。 7 苏州大学本科生毕业设计(论文) 6(结论 给出了一个折衍混合消热差的高分辨匹兹伐物镜的设计结果，由四块元件和一个衍射面构成。该镜头适合于新一代像元尺寸为25微米的凝视型探测器阵列使用。与传统系统相比，新的折衍混合系统使用了成本低的材料，在没有增加元件个数的情况下，其热稳定性的到了较大提高。全色MTF的理论值在20线对/毫米达到0.80，接近衍射极限; 在-2-20?至50?温度变化范围内几何像斑的尺寸控制在20微米内。随着金刚石车削工艺的发展，衍射元件在红外消热差光学系统将具有重要的应用价值。 8 苏州大学本科生毕业设计(论文) 相关文献: [1] Behrmann GP, Bowen JP: Influence of temperature ondiffractive lens performance. 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