環(huán)境溫度的變化會(huì)引起光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生熱離焦現(xiàn)象,導(dǎo)致系統(tǒng)像質(zhì)不穩(wěn)定。由于材料的限制,在深紫外波段內(nèi),光學(xué)系統(tǒng)的無(wú)熱化設(shè)計(jì)過程和結(jié)果十分復(fù)雜。因此,提出了拆分設(shè)計(jì)和單層衍射光學(xué)元件相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)深紫外光學(xué)系統(tǒng)的無(wú)熱化設(shè)計(jì)。該方法首先求解了消熱差、消色差方程組,并用結(jié)果對(duì)深紫外光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行拆分再組合,簡(jiǎn)化了無(wú)熱化設(shè)計(jì)過程。然后在組合系統(tǒng)中加入單層衍射光學(xué)元件以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)結(jié)果。用該方法對(duì)焦距為110 mm,F數(shù)為3.5,溫度為-60～100℃的深紫外偵察相機(jī)鏡頭進(jìn)行無(wú)熱化設(shè)計(jì),得到的系統(tǒng)在奈奎斯特頻率為18.5 lp/mm處,調(diào)制傳遞函數(shù)均大于0.65。結(jié)果表明,該方法能解決深紫外透射式光學(xué)系統(tǒng)在寬溫度范圍內(nèi)的熱離焦問題,同時(shí)能提升系統(tǒng)的光學(xué)性能。 

【文章來源】：光學(xué)學(xué)報(bào). 2020,40(17)北大核心EICSCD

【文章頁(yè)數(shù)】：9 頁(yè)

【部分圖文】：

初始結(jié)構(gòu)模型

平均分配系統(tǒng)光焦度可得,Ⅰ、Ⅱ組的焦距均為220 mm,且兩組中各材料的光焦度所占比例適中,因此都采用三片式結(jié)構(gòu)。由于光線近似從無(wú)窮遠(yuǎn)進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng),Ⅰ組中第一塊透鏡為正透鏡,所以將Ⅰ組作為組合光學(xué)系統(tǒng)的前組,根據(jù)光瞳銜接原則,將Ⅰ、Ⅱ組按照前后順序組合成一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)。對(duì)初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)單優(yōu)化后,系統(tǒng)的橫向色差、彗差、場(chǎng)曲、像散較大。且當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)的光焦度確定后,光闌的移動(dòng)不會(huì)改變球差和軸向色差以及熱差的大小,但對(duì)橫向色差、像散、彗差有很大影響。因此,可通過移動(dòng)光闌減小初始結(jié)構(gòu)中的橫向色差、彗差以及像散,最終發(fā)現(xiàn),當(dāng)光闌位于第八面(第四塊鏡片后表面)和第九面(第五塊鏡片前表面)之間時(shí),效果最好。此外,由于Ⅰ、Ⅱ組都是正光焦度,像面為負(fù)場(chǎng)曲,所以在靠近焦平面處加入一負(fù)透鏡的場(chǎng)鏡,以增大光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)角。最終優(yōu)化后的深紫外光學(xué)系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)如圖2所示,光學(xué)系統(tǒng)的總長(zhǎng)為134.64 mm,共7塊鏡片。該結(jié)構(gòu)在溫度為-60～100 ℃時(shí)成像穩(wěn)定,可達(dá)到消熱差的預(yù)期效果,但由于受像差影響,成像質(zhì)量不好。深紫外光學(xué)系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)的MTF如圖3所示,由于深紫外光學(xué)系統(tǒng)的能量集中度與探測(cè)器的限制,采用像元拼接方法,將像素尺寸為2 pixel×2 pixel的像元當(dāng)作一個(gè)像元進(jìn)行處理,拼接后的像元尺寸為27 μm×27 μm,極限分辨為18.5 lp/mm,在空間頻率為18.5 lp/mm時(shí),MTF大于0.2,無(wú)法達(dá)到預(yù)期成像效果。為了使該結(jié)構(gòu)在要求溫度范圍內(nèi)得到良好的成像質(zhì)量,只能增加鏡片數(shù)量或加入其他特殊材料,但這樣會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)變重,增加設(shè)計(jì)成本,且使用的氟化鎂等特殊材料會(huì)帶來雙折射問題。

該結(jié)構(gòu)在溫度為-60～100 ℃時(shí)成像穩(wěn)定,可達(dá)到消熱差的預(yù)期效果,但由于受像差影響,成像質(zhì)量不好。深紫外光學(xué)系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)的MTF如圖3所示,由于深紫外光學(xué)系統(tǒng)的能量集中度與探測(cè)器的限制,采用像元拼接方法,將像素尺寸為2 pixel×2 pixel的像元當(dāng)作一個(gè)像元進(jìn)行處理,拼接后的像元尺寸為27 μm×27 μm,極限分辨為18.5 lp/mm,在空間頻率為18.5 lp/mm時(shí),MTF大于0.2,無(wú)法達(dá)到預(yù)期成像效果。為了使該結(jié)構(gòu)在要求溫度范圍內(nèi)得到良好的成像質(zhì)量,只能增加鏡片數(shù)量或加入其他特殊材料,但這樣會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)變重,增加設(shè)計(jì)成本,且使用的氟化鎂等特殊材料會(huì)帶來雙折射問題。3.3 無(wú)熱化深紫外折衍混合系統(tǒng)設(shè)計(jì)

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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碩士論文
[1]日盲紫外告警光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]. 宋珊珊.長(zhǎng)春理工大學(xué) 2014
[2]單點(diǎn)金剛石車削加工脆性光學(xué)材料表面粗糙度的控制研究[D]. 許宏淮.復(fù)旦大學(xué) 2012



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