（光学工程专业论文）红外光学系统无热设计.pdf

浙江大学硕士学位论文y 一一一一，6 8 9 1 1 5- 摘要 近年来， 随着科学技术的迅猛发展， 特别是红外探测器技术及加工工艺的日 益完善， 红外系统越来越多地应用于各个领域， 特别是在军事领域， 红外寻的制 导已经成为世界各国军事应用中重点研究和发展的 精确制导项目 之一。 同时， 随 着使用环境越来越复杂，因此对红外系统性能的要求也越来越高。 红外光学系统是整个红外系统中一个非常重要的组成部分， 它能直接影响到 整个系统的性能， 而热效应又是影响红外光学系统性能的重要因素。 因此对于无 热效应红外光学系统的设计方法进行研究是非常有必要的。 本文从两个方面分析了红外光学系统的热效应。 首先， 分析了温度变化对光 学系统成像质量的影响， 详细讨论了材料折射率、 光学元件的曲率半径和厚度以 及光学元件之间的空气间隔等三个方面的因素以及它们与温度的关系， 并介绍了 无热设计技术以消除其影响。 然后， 分析了光学表面发出的热辐射对系统灵敏度 的影响， 给出了能合理描述表面热辐射的数学模型与计算方法， 编制了相应的软 件，以光线光学的方法计算系统中光学表面热辐射在探测器接收面上的能量分 布。最后，以 两个红外光学系统为例， 具体分析了 温度对红外光学系统的影响， 同时比较了两种得到1 0 0 %冷阑效率的方法的优劣性。 关键字:红外光学系统无热设计热效应表面热辐射冷阑效率 浙江大学硕士学位论文 ab s t r a c t i n r e c e n t y e a r s , w i t h t h e r a p i d d e v e l o p m e n t o f s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y , s p e c i a l l y w i t h t h e d e v e l o p m e n t in t h e m a c h i n i n g t e c h n i q u e o f in f r a r e d d e t e c t o r s , m o r e a n d m o r e i n fr a r e d s y s t e m s a r e a p p l i e d i n n e a r l y a l l o f t h e i n d u s t r i e s n o w a d a y s . s p e c i al l y , i n m i l i t a r y f i e ld , t h e i n f r a r e d s e e k in g g u i d a n c e t e c h n i q u e h a s a l r e a d y b e c o m e o n e o f t h e a c c u r a c y g u i d a n c e t e c h n i q u e s , w h i c h a r e s t u d i e d a n d d e v e l o p e d b y m o s t c o u n t r i e s . o n t h e o t h e r h a n d , d u e t o t h e i n c r e a s i n g c o m p l e x i t y o f c o n d i t i o n s i n w h i c h t h e i n fr a r e d s y s t e m w o r k s , t h e h i g h e r a n d h i g h e r p e r f o r m a n c e i s r e q u i r e d . i n fr a r e d o p t i c al s y s t e m i s o n e o f t h e i m p o rt a n t p a r t s i n i n fr a r e d s y s t e m , a n d i t w i l l al s o e x e rt g r e a t i n fl u e n c e o n t h e p e r f o r m a n c e o f t h e g e n e r a l s y s t e m . o n t h e o t h e r h a n d , t h e t h e r m a l e ff e c t i s a v e ry i m p o rt a n t i n t h e p e r f o r m a n c e o f t h e i n fr a r e d o p t i c al o p t i c al s y s t e m s . t h e r e f o r e , i t i s n e c e s s a ry t o s t u d y t h e m e t h o d o f d e s i g n i n g i n fr a r e d s y s t e m s w i t h o u t t h e r m a l e ff e c t t h i s p a p e r s t u d i e s o n t h e t h e r m a l e ff e c t fr o m t w o a s p e c t s . f i r s t , t h e i n fl u e n c e s o f t h e i m a g e q u a l i t y t h a t a r e g e n e r a t e d b y t h e c h a n g e o f t h e a m b i e n t t e m p e r a t u r e a r e a n al y z e d , i n w h i c h , t h r e e f a c t o r s s u c h a s r e fr a c t i v e i n d e x o f o p t i c a l m a t e r i al , t h e c u r v a t u r e r a d i u s o f t h e o p t i c a l s u r f a c e s a n d t h e t h ic k n e s s o f t h e o p t i c al e l e m e n t s , a n d t h e s p a c e b e t w e e n t h e o p t i c al e l e m e n t s , a n d t h e i r r e l a t i o n t o t h e a m b i e n t t e m p e r a t u r e a r e d i s c u s s e d i n d e t a i l . t h e n , t h e i n fl u e n c e s o f s y s t e m s e n s i t i v i t y b y t h e t h e r m al r a d i a t i o n s t h a t a r e e m i tt e d f r o m t h e o p t i c a l s u r f a c e s a r e a l s o a n a ly z e d . t h e m a t h e m a t i c m o d e l s a n d t h e c o r r e s p o n d i n g a r i t h m e t i c a r e p r e s e n t e d , a n d t h e a n a l y t i c a l s o ft w a r e i s p r o g r a m m e d , i n w h i c h t h e e n e r g y d i s t r i b u t i o n s o n t h e r e c e i v e r o f t h e i n f r a r e d d e t e c t o r b y t h e t h e r m a l r a d i a t i o n s a r e a n a l y z e d b y t h e m e t h o d o f g e o m e t r i c a l o p t i c s . f i n a l l y , t w o i n fr a r e d o p t i c a l s y s t e m s a r e t a k e n f o r e x a m p l e . b y t h e t w o e x a m p l e s , t h e i n fl u e n c e s o f t h e in f r a r e d o p t i c a l s y s t e m s b y t e m p e r a t u r e a r e a n a l y z e d i n d e t a i l , a n d t h e a d v a n t a g e a n d d i s a d v a n t a g e o f t w o m e t h o d s t h a t c a n o b t a i n 1 0 0 % c o l d s t o p e f f i c i e n c y a r e c o m p a r e d . 浙江大学硕士学位论文 k e y w o r d s : i n f r a r e d o p t i c a l t h e r ma l r a d i a t i o n s y s t e m a t h e r ma l i z a t i o nt h e r ma l e ff e c t c o l d s t o p e ff i c i e n c y i v 浙江大学硕十学位论文 第一章概述 互 1课题背景 红外寻的制导是当代红外技术的重要军事应用之一。 在过去二三十年间， 红 外寻的制导技术有了重大发展。 伴随着红外探测器技术的发展， 特别是红外焦平 面探测器的工程应用、计算机信息处理以及超大规模集成电路技术的飞速发展， 使红外寻的制导技术由点源发展到成像制导， 目 前红外成像寻的制导已 广泛应用 于精确制导武器系统。 川 红外成像寻的制导与电视、雷达和激光等制导方式相比具有许多显著的优 点， 它能提供二维图像信息， 采用计算机图 像信息处理实现制导智能化， 具有高 灵敏度、高空间分辨率、 大动态范围， 尤其适合探测较弱的目标信号和鉴别多目 标的需要; 制导精度高、 抗干扰能力强、 作用距离大、 全天候工作能力强，具有 在复杂背景条件下捕获、识别、 锁定和跟踪目 标的自 动决策能力等。因此，在高 技术兵器迅速发展的当今世界， 已成为世界各国军事应用中重点研究和发展的精 确制导项目 之一。 1 9 9 1 年的 海湾战争是一场高技术对抗的导弹攻防战， 红外成像寻的制导武 器在这场战争中所显示的威力令世人瞩目。 这场高技术战争带给人们的启示， 包 括美国在内的各国军方深深感到红外寻的导弹和配有热成像系统武器的严重威 胁。 因此， 再一次唤醒了世界各国对发展和装备智能化精确制导武器的重视， 其 研究、发展和应用的竞争更加激烈。 川 当前总的形势是在核威胁力量平衡的条件下打常规战争， 从战术使用观点出 发， 要以先进的技术基础改进常规力量， 精确制导武器在今后一个相当长的时期 内， 在军事上的地位将越来越显得重要， 寻的制导技术是精确打击的关键。 对下 一代精确制导武器、 对寻的制导的要求是能在复杂的地理环境、 复杂的气象环境、 复杂的电磁环境下有效作战。 红外成像寻的制导仍被认为是当今和未来一段相当 长时间内比较理想的寻的手段。 大力加快其研制步伐， 无疑对改进现代制导武器 的性能将起到重大的作用。 i 浙江大学硕十学位论文 互 2 红外热成像的发展 红外热成像系统是指接收面辐射源发出的红外辐射， 并将其转换成可见光图 像的装置。 热成像技术的发展综合了红外探测器、光学设计、扫描技术、 信息处 理等学科的进步成果。 热成像作为红外技术的一个新领域， 出现于2 0 世纪2 0 年代末， 其开拓性的 工作是m .c z e m y 等人在1 9 2 9 年的 研究成果 蒸发式热象仪: 当红外热图 像投 射到涂有挥发性液体的薄膜上时， 液体产生正比于吸收能量的挥发。 在日光照射 下则可看到干涉条纹。 这种热象仪由于对比度、 灵敏度及响应速度都很低， 没有 打的实用价值。3 0年代初，出现了 采用银一氧一艳光发射表面的红外变象管。 这种变象管在一端接收红外热图像， 在另一端显示可见光图 像。 随后的1 0 年间， 改进后的这种成像仪用作夜视镜及夜间瞄准具在美国普遍装备了军队。在此同 时， 研制出一种磷光表面的红外显示器。 该装置是根据红外辐射投射到磷光表面 时， 该表面受激产生可见光的机理。 但这种装置的灵敏度和分辨率较差。 这一时 期的红外成像装置均是直接显示方式， 在应用上受到限 制。 c ; 4 0年代，热成像的研究出现了两种不同的途径:一种是发展具有分立探测 器的光机扫描系统， 另一种是发展诸如红外光导摄像管一类的非光机扫描成像器 件。1 9 5 2年，美国陆军制成了第一台光机扫描的慢帧速热象仪， 所成的像被记 录在照相胶片上， 属非实时装置。 5 0 年代期间， 随着快速时间响应探测器件 ( 如 i n s b ) 的出现， 实时快帧速热象仪应运而生， 相继研制出了几种实时的光机扫描 热 象 仪 。 川 6 0 年代以 后， 是热成像技术飞速发展的时期。 据统计， 1 9 6 0 年至1 9 7 4 年间， 仅美国就研制出了6 0 余种快速光机扫描热成像系统。1 9 7 0 年前后，美国、前苏 联及一些西方国家相继在若干种类的军用飞机上安装了红外前视装置 ( f l i r ) o 民用方面， 热象仪己经广泛地应用于医疗诊断、 油、 气管道监漏、 电力设备监视、 金属、冶金工业测温等。6 0年代中期，出现了用热释电材料代替摄像管中光电 导靶面而制成的热释电摄像管。 随后这种摄像管不断得到改进， 使此类摄像仪的 浙江大学硕十学位论文 性能逐步提高，至今也已得到了比较普遍的应用。 7 0 年代中期以后，红外c c d成像器件的出现， 对热成像技术产生了巨大的 影响， 导致了新一代小体积、 高性能、 低功耗、 无光机扫描及电子束扫描的红外 热成像系统的出现。因此，采用红外c c d成像，将是今后热成像技术的发展趋 势。 3本课题的研究内容 图 1 . 1 是红外系统的典型框图，其中红外光学系统是整个系统中一个非常重 要的组成部分。 红外系统的精度主要取决于光学系统的成像分辨率和探测器的灵 敏度，同时，为了探测较弱的目 标，鉴别多目 标信号，还必须具有高的信噪比。 因而，提高光学系统成像质量并降低噪声是其中的两项重要工作。 图t - t 红外 系统示 意图 第一方面， 当光学系统的环境温度变化时， 光学系统的一些光学、 机械参数 将会发生相应的变化， 从而引起光学系统性能衰减， 因此必须采用一定的手段使 光学系统能够在一个相当大的环境温度变化范围内保持良 好的成像质量。 第二方面， 从光学方面来说， 红外成像系统噪声的来源主要有背景噪声和环 境条件的变化所引起的噪声。 环境条件包括多种方面， 这里主要研究由于温度变 化所引起的表面热辐射分析方法， 给出了能合理描述表面热辐射的数学模型与计 算方法， 编制了相应的软件，以光线光学的方法计算系统中光学表面热辐射在探 测器接收面上的辐照度分布，并进而探讨无温度效应红外光学系统的设计方法 浙江大学硕士学位论文 第二章红外光学系统 红外光学系统是指对光波中红外波段进行工作的系统， 即接受或者发射红外 光波的光学系统。 一般来说， 红外光学系统作为光学系统的一个类别， 它和其他 光学系统相比， 在光能接收、 传递、 成像等光学概念上没有原则上的区别。 但是， 由于红外光学系统工作波长在红外区域， 又多数以光电探测器作为接收元件， 因 此有其本身的特点，有别于一般光学系统。 1 红外光学系统的特点 由于红外辐射的 特有性能， 是红外光学系统具有下列与普通光学系统， 特别 是目 视和照相系统不同的特点。 【 ” 1 )红外辐射源的 辐射波段位于l , rm以 上的不可见区。 普通光学玻璃对2 .5 p m以 上的光波不透明。而在所有有可能透过红外波段的材料当中，只有几种材料 有必需的机械性能，并能够得到一定的尺寸，这就大大限制了红外光学系统 中所能采用的光学材料的品种， 使象差校正特别是色差校正十分困 难。因此 在红外光学系统多采用非球面或者二元面，以弥补这方面的缺陷。 2 )几乎所有的红外系统都属于光电 子系统，它的接收元件不是人眼或者照相底 片，而是各种光电器件。因此，相应光学系统的性能、质量，应以它和探测 器匹配的灵敏度、信噪比作为主要评定依据，而不是以光学系统的分辨率为 主。这是因为分辨率往往要受到光电器件本身尺寸的限制，因而相应地对光 学系统地要求有所降低。 3 )视场小、 孔径大。由 于红外探测器的接收面积比 较小， 所以 一般红外光学系 统的视场不太大，轴外象差通常可以少考虑。同时这类系统对象质要求不太 高，而要求具有较高的灵敏度，因此，大多数采用大相对孔径，即小f数的 光学系统。在一般情况下，由于加工等方面的限制，f 数取2 - 3 为宜。 4 )常用红外波段的 波长约为可见光的5 -2 0 倍。 这样在系统光孔尺寸比 较小时， 浙江大学硕士学位论文 山于衍射极限，使红外光学系统的分辨率较低，也就是说要得到高的分辨率 的红外光学系统必须有大的孔径。这使得红外系统的重量重、成本高。 2 红外光学系统的设计原则 鉴于上述特点 ，设计红外光学系统时， 应该遵循下列原则: ” 1 )光学系统应对所工作的 波段有良 好的透过性能，即具有高的光学透过率。 2 )光学系统在尺寸、象质和加工工艺许可的范围内， 应使接收口 径尽可能大， 同时应具有尽可能大的相对孔径，以保证系统有高的灵敏度。 3 )光学系统应对噪声有较强的抑制能力，以 提高系统的信噪比。 4 )光学 系统的 形 式和组 成应有 利于 充分发 挥探测器的 效能， 如合理 利用光敏面 面积， 保证高的光斑均匀性等。 5 )光学系统和组成元件力求简单，以 利于减少能量的损失。 3 红外光学系统中的一些器件和问 题 县 3 . 1杜瓦瓶和冷阑 效率 为了探测很小的温差，红外探测器必须在深冷的条件下工作，一般为 7 7 k 或者更低。 为了使探测器传感元件保持这种深冷温度， 探测器都集成于“ 杜瓦瓶” 组件中。这种杜瓦瓶尺寸虽小， 但由于制造困难， 所以价格特别昂贵。 杜瓦瓶实 际上就是绝热的容器，类似于 “ 保温瓶” 。图2 - 1 所示为通用探测器、杜瓦瓶组 件的剖视图。 “ 冷指”贴向探测器，并使之冷却;这种冷指是一种用气罐或深冷 泵冷却至深冷的元件。能够透过红外线的杜瓦窗起到真空密封的作用。 浙江大学硕士学位论文 图2 - 1 中所示还有“ 冷屏”( 或“ 冷阑” ， 它是杜瓦组件不可分割的一部分。 冷屏后表面上的低温呈不均匀分布 ( 尽管只比探测器阵列的温度略高 ， 因此会发 射少许热能，或不发射。冷屏的作用是限制探测器观察的立体角。 珊(斜闹 )探 9 器 抹 l 图2 - 1通用探测器、杜瓦瓶组件 此时很有必要强调可见光光学系统与红外热成像仪中的光学系统之间的区 别。 在可见光系统中， 探测器 如:照相底片、 眼睛等) 敏感于可见光，仪器内壁 的涂黑以及适当的挡光措施避免或减少来自 形成光锥的图像之外的光线射到探 测器上。 红外系统则敏感于热能， 任何来自 成像辐射锥之外并到达探测器的辐射 都会降低系统的灵敏度， 在某些情况下甚至造成图像异常。 在一定程度上我们可 以把可见光系统类比为红外系统， 比如一只机壳内壁照亮的照相机， 这自 然会使 底片灰雾， 并由 于相机内壁杂散光的反射而产生不需要的图像异常。 这种情况下 我们实施一种方案，即底片只能观察物方空间并且 “ 看不见”照亮的相机内壁。 冷阑。如果以上讨论的杜瓦组件内的孔径就是 “ 冷阑” ，那么它肯定就是系 统的孔径光阑， 探测器则只 “ 看见” 来自 物空间的辐射。探测器杜瓦瓶内的冷阑 通过下述两个方法之一而变成系统的孔径光阑: 我们可将传统的孔径光阑( 即系统前方的物镜或者主反射镜) 再次成像于冷 浙江大学硕十学位论文 阑平面土。 通过少许减少冷阑孔径的直径 ( 或者相反地， 将系统前方的孔径光阑 加大) ， 冷阑便能有效地成为系统的限制孔径光阑， 探测器只能看到物空间。 ( 注: 冷阑的这种尺寸减小必须计入公差积累、光瞳象差及其他效应中) 。如果冷阑是 系统的孔径光阑，那么可以说系统具有 “ 1 0 0 %的冷阑效率” 。 图2 - 2 a使用再次成像法得到1 0 0 % 冷阑效率 图2 - 2 6使用非再次成像法得到 1 0 0 %冷阑效率 我们可以直接使用非再次成像系统结构， 以冷阑作为系统的孔径光阑。 由于 此光阑距象差校正所要求的位置较远， 所以这种结构通常不可行。 此外， 这种远 离的光阑还会在系统的前方元件上造成明显的光瞳移动。 为了避免图像异常， 必 须消除渐晕， 因而多数情况下会导致光学系统的尺寸明显加大。 但对小视场应用 场合，这种方案还是可行的。 图2 - 2 所示为上述达到 1 0 0 %冷阑效率的方法举例。 冷屏。如果杜瓦瓶组件内的孔径是 “ 冷屏” ，它便大于射线束，来自 系统内 部的一些辐射将被位于系统孔径光阑之外的探测器所看到。 对之进行目 测检验的 最有效的方法是直观地将眼睛放在探测器的 位置上 ， 并注视物空间。 你所见到的 通常称为 “ 探测器眼睛视域” 。如果探测器看到孔径光阑之外的任何区域，那么 浙江大学硕士学位论文 该系统具有小于 1 0 0 %的 “ 冷阑效率” 。冷阑效率是观察景物能量的立体角与冷 屏内整个立体角的比率。 。 ， 3 .2 红外光学系统配置选择 选择最佳光学系统配置是一项重要的工作， 尤其在红外系统中更为关键， 这 是因为可用的折射材料数量有限， 还有环境灵敏度及其他因素。 光学系统主要由 折射或反射系统组成。折射系统和反射系统的相关优缺点分析如下: k 1o 1 折射式系统的优点: 通光孔径饱满，无中心遮蔽; 绝大多数为球形表面; 由于无中心遮蔽，更容易达到双视场配置: 折射式系统的缺点 材料品种有限; 材料昂贵; 材料难以 加工; 所要求的镀膜层昂贵: 对热敏感，测试困难。 反射式系统的优点 无色差，对热的潜在不灵敏性; 基底成本很低; 所要求的镀膜层很简单: 反射式系统的缺点 一般要求中心遮蔽 通过率降低; mt f下降; 浙江大学硕士学位论文 要求非球面; 次级反射镜的固定和校准都很困难; 对杂散辐射敏感。 红外折射式系统的配置要比可见光折射式系统简单， 这是因为材料自 身的折 射率高， 以及许多红外材料所固有的低色散。 因此我们很少需要类似双高斯透镜 这样复杂的可见光系统配置。 可见光典型的反射式系统配置通常也适用于红外系 统，比如卡塞格伦望远镜。 互 3 . 3红外材料的选择 尽 管 可 透 过3 一 5 p m 和8 一 1 2 f v n 波 带红 外 辐 射的 材 料有 许多 种， 但 现 存可 用 的却有限， 其原因在于受诸多因素制约，比如价格应合理、尺寸应适当、 易于加 工和检测以及不吸湿等等。 下表是几种常用红外光学材料的主要性能: 名称化学 组成 透射长波限 微米) 折射率( 4 .3 微米处) 熔点 ( ) 热膨胀系数 ( 1 0 / ) 特点和用途 硅s i 1 5 3 . 4 21 4 2 0 4 . 2 性能好，可作为窗 口、 透镜、 整流罩 锗ge2 5 4 . 0 29 4 0 6 . 1 软、 温度影响大， 宜 实验室用， 应用广泛 金刚石c3 0 2 . 4 大于 3 5 0 0 0 . 8 7 性能好，但单晶小、 加工难、 价格贵、 很 少实用 锑化锢i n s b 1 6 3 . 9 95 2 3 4 . 9 实验室用 硫化福u s 1 62 . 2 6 1 5 0 0 3 . 5( 平行 c 轴)5( 垂直 c轴) 软，实验室用 硒化锅cd s e2 5 2 . 4 0 t -135 0 同上 砷化稼ga as 1 6 3 . 3 41 2 3 8 5 . 7 4 作大功率 c 0 2 激光 器窗口 浙江大学硕士学位论文 表2 - 2某些热压多晶体材料的主要性能 名称化学 组成 透射波段 ( 微米) 折射率 (c 5 微米处) 缈 (_ ) 热膨胀系数 ( 1 0 - s / ) 特点和用途 性能好， 尺寸大，可作 为窗口、整流罩 同上 难热压、 波段短 性能好、 难镀牢 同上 尺寸小、透过 115一70-139-” 热压氟 化镁 热压硫 化锌 热压氧 化镁 热压硒 化锌 热压蹄 化锡 热压氟 化钥 mg f 2 zn s mg 0 z n s e cd t e la f 2 0 . 4 5 - - 9 . 5 0 . 5 7 1 52 . 2 5 1 3 9 6 1 0 2 0 0 . 3 9 1 01 . 7 0.48 222.0 30十 2.42.7 较软、 增透膜 1 . 0 - - 1 31 . 5 热性能特别好， 宜作窗 口和整流罩 锗是 应用在8 一 1 2 e u n 光谱带最常 用的 红外材 料。 尽管 锗也可 用于3 一 5 ,u m 谱 带， 但它比 硅要昂 贵很多，而硅最适用于3 一 5 e rm谱带。 这两种材料都具有高折 射率和低色散， 因此采用它们的设计具有相对小的象差， 甚至许多设计都无需消 象差。 锗和硅都经过诸如丘克拉斯基工艺这样的工艺过程而生长成晶体， 通过这 种工艺过程能生产出 单晶或多晶材料。 这些材料偶尔浇铸成较大的 块料， 这种块 料只能是多晶形态。 锗在高温下的吸收性限制了它在高温环境中的应用。 硫化锌和硒化锌均是通用材科， 可以通过化学汽相沉积或热压方法制得。 硒 化锌比硫化锌要贵得多，它特别适用于要求很低吸收的系统。 氟化镁和蓝宝石仅使用于3 一 5 1 ,tm 谱带。由 于氟化镁的折射率低，因而它通 常不要求镀抗反射膜层。 价格相当昂贵的蓝宝石非常坚硬， 散射小， 高温下辐射 率低。 三硫化二砷、 氟化钙和氟化钡不如上述材科应用广泛， 但还是应用于许多 场合。 3 . 4 二元光学元件 二元光学是指基于光波的衍射理论， 利用计算机辅助设计， 并用超大规模集 成 ( v l s i )电路制作工艺，在片基 ( 或者传统光学器件表面) 刻蚀产生两个或 浙扛大学硕士学位论文 者多个台阶深度的浮雕结构， 形成纯相位、同轴再现、 其有极高衍射效率的一 类 衍射光学器件。 它是光学与微电子学相互渗透和交叉的前沿学科。 二元光学不仅 在变革常规光学元件、 变革传统光学技术上具有创新意义， 而且能够实现传统光 学许多难以达到的目的和功能。 【 ” 二元光学器件除了具有体积小、 重量轻、 容易复制等显而易见的优点外， 还 具有如下许多独特的功能和特点: 1 ) 较高的衍射效率。二元光学元件是一种纯相位衍射光学元样，为了得到 高衍射效率，可以做成多相位阶数的浮雕结构。 一般使用n块模版可以 得 到 : 二 2 “ 个 相 位 阶 数 ， 其 衍 射 效 率 为 : 。 二 is in (z / l )/ (;r / 习 ， 。 由 此 计 算，当 l =2 , 4 , 8和 1 6时，分别有 17 =4 0 .5 %, 8 1 %, 9 4 .9 %和 9 8 .6 。利用亚波长微结构及连续相位面形，可达到接近 1 0 0 %的效率。 2 )独特的色散性能。在一般情况下二元光学元件多在单色光下使用，但是 正因为它是一个色散元件， 具有不同于常规光学元件的色散特性。a ) 对于一般的折射光学器件， 由于光波不同， 红光与蓝光聚焦的地方不同， 即存在色散，其与材料有关; 而二元光学器件，控制相位台阶的位置与 高度，也可使红光与蓝光聚焦在不同的地方，其色散与材料无关。b ) 一般光学器件的阿贝值是大于零的， 而二元光学器件的阿贝值是小于零 的，红光、蓝光的相对位置正好同折射器件相反。若将折射器件与三元 光学器件叠加在一起，红光、蓝光可聚焦在同一个点上，甚至白光也可 完全聚焦在一个点。所以可在折射光学系统中同时校正球差和色差，构 成混合光学系统，以常规折射元件的曲面提供大部分的聚焦功能，再利 用表面上的浮雕相位波带结构校正象差。 3 ) 有更多的参数选择性。在传统的折射光学系统或镜头设计中只能通过改 变曲面的曲率或者使用不同的光学材料来校正象差。例如，为了校正单 色象差，只能弯曲一些曲面，而为了校正色差，则需选择不同的玻璃搭 配。其参数的选择余地是很小的。而在二元光学元件中，则可通过波带 浙江大学硕士学位论文 片的位置、槽宽与槽深及槽形结构的改变来产生任意波面，大大增加了 设计变量，从而能够设计出许多传统光学所不能的全新功能光学元件， 这是对光学设计的一次新的变革。 4 ) 宽广的材料选择性。二元光学元件是将二元浮雕面形转移至玻璃、电介 质或者金属基底上，可用的材料范围大;此外，在光电系统材料的选择 中，一些红外材料，如z n s e 和s i 等，由于它们有一些不理想的光学特 j性，故经常被限制使用。而二元光学技术则可利用他们并在相当宽广的 波段做到消色差。 5 )特殊的光学功能。 二元光学元件可产生一般光学元件所不能实现的光学 波面，如非球面、环形面、锥面和镯面等，并可集成得到多功能元件; 使用亚波长结构还可得到宽带、大视场、消反射和偏振等特性;此外， 二元光学在促进小型化、陈列化、集成化方面更是不言而喻了。 因此可将二元光学这些优点运用于红外光学系统中， 构造混合系统， 不但大 大简化光学系统， 减轻重量， 减小体积。 这是因为红外系统的空间是有限的， 如 果能减轻重量，减小体积将是非常有实际意义的。 浙江大学硕士学位论文 第三章 温度效应对成像质量的影响及无热技术 1 概述 通常设计的光学系统， 都是考虑在一般条件即常温、 常压条件下使用的。 此 时温度和压力都假设是常数， 光学结构参数一经设计完成， 就假定完全固定不变 了， 折射率以及光学元件的固定机构等也都认为不变。 对于在正常条件下使用的 光学系统来说， 这样的处理方法是可行的。 而对于处于特殊环境下光学系统， 如 红外寻的制导导弹上的光学系统、遥感卫星上的摄像镜头、空间天文望远镜等， 它们所承受的温度、 压力及太阳辐射与地面相差极大， 此外由于空间环境中杂散 光、空间微尘的存在，以及它们随高度、 运行轨道、 气候和季节变化的特性， 使 得光学材料的折射率、 厚度、曲率半径等参数都将发生变化， 从而引起成像质量 的 变化。 因此， 对一个空间环境来说， 在地面上设计好的系统， 如果没有考虑在 这个环境中的温度、 辐射、 压力等因素变化所带来影响， 就会给系统工作的稳定 性带来很大的波动。而在以上诸多因素中， 温度是最主要的。 用于军事和航天器 上的现代光学仪器都期望在一个很大的温度环境范围内有稳定的性能。 通常， 典 型的温度范围是一2 0 一十7 0 0c 。 在此温度范围内， 某些光学材料的性能将随温 度的变化发生很大的改变。 因此， 光学系统的设计者必须探索在空间环境下系统 的性能指标的变化， 尤其是随温度的变化， 采取措施防止性能恶化， 以 满足要求。 从2 0 世纪4 。 年代开始， 泊里( j .m . p e r r y ) 等研究人员相继阐述了 均匀温度 场中，温度变化对光学系统成像质量的影响，进而提出透镜的无热设计 ( a t h e r m a l i s a t i o n )的概念。从7 0 年代中期到8 0 年代中期，无热设计取得了长 足的进展，出现了几种无热设计技术路线， 并涌现了一批成功的设计实例。 从此 无热设计开始进入可操作的阶段。 在光学设计软件方面， 美国o r a公司的c o d e v 软件、f o c u s 公司的z e m a x 软件和s i n c l a ir 公司的o l s o软件等相继增加了环境 温度分析模块， 帮助设计者进行温度变化时光学系统性能变化的分析计算。 ， ， 浙江大学硕士学位论文 2 影响因素 从木质上来讲， 温度变化对光学系统成像质量的影响主要表现在以下三个方 面 : 温度变化引起介质的折射率 ( 包括空气的折射率) 变化， 对通过光学系统传 播的 光线 来 说， 其 光 程也 随 之改 变。 光 学 材 料的 折 射 率 温 度 系 数d n / d t 是 一 个只 和介质有关的系数。 在一定的温度范围内， 对于特定波长的光线， 这是一个常数， 即便在一个很大的温度范围内，对有些介质而言，这个系数也只有微小的变化， 甚至没有变化。 温度变化引起光学系统中光学元件折射面的曲率半径和厚度发生了变化， 这 是由光学元件的热膨胀而带来的变化。介质的线性热膨胀系数为 a , = ( 1 / l ) d l i d t( 3 - 1 ) 在一定的 温度范围内，。 。 是常数， 只随介质的不同 而不同。 温度变化引起的光学系统中光学元件之间的间隔的变化， 这是由 装配材料的 热膨胀引起的。 “ 表3 - 1 分 别 列出 了 各 种常 用红 外 透 镜 材 料的 折 射率 温 度系 数咧d t 和 热 膨 胀 系 数a o 。 由 这 些 数 值 得 知， 红 外 材 料的 温 度参 数比 普 通 光 学 玻 璃的 数 值大 得多。 比 如 锗 单 晶 的 d n / d t 典 型 值 约 为3 9 6 x 1 0 6 一 ， ， 而k 9 玻 璃的 值 只 有2 .8 x 1 0 -6 一 ， 。 因此， 这种变化在红外光学系统中尤为明显。 在温度对成像质量的影响中折射率 的贡献最大，曲率半径贡献次之，而中心厚度和间隔的影响最小。 浙江大学硕十学位论文 表3 - 1一些常用红外材料的 温度特性参数 折射率热膨胀系数温度系数 材料 色散系数 v ( 1 0 p m) 4 . 0 0 3 2 2 . 4 9 7 6 2 . 6 0 0 0 2 . 1 9 8 6 2 . 1 9 8 6 2 .4 0 6 5 2 2 . 4 0 6 5 2 3 . 0 4 0 0 2 . 6 7 5 1 3 1 . 4 9 4 8 2 1 . 9 8 0 3 4 2 . 3 7 0 6 9 a , x 1 0 - 6 5 . 5 6 . 1 1 2 . 8 1 5 . 0 1 6 . 0 6 . 6 6 . 9 7 . 4 8 . 5 4 7 . 4 8 . 0 5 . 7 4 4 . 5 - 5 . 9 4 4 . 0 3 0 . 0 5 8 - 0 d n l d t x 1 0 - 6( 8 一1 2 ,u m) ge amt i r- 1 t i 1 1 7 5 zn s i r t r a n - 2 z n s e i r t r a n - 4 ga as c d t e na cl a g c l krs - 5 2 8 0 - - 3 9 6 7 2 . 0 8 0 . 0 4 3 . 3 5 1 . 0 1 0 0 . 0 4 8 5 8 1 4 9 . 0 1 0 7 . 0 - 2 5 . 0 - 6 1 . 0 - 2 3 5 . 0 8 3 4 3 1 1 5 2 1 0 2 . 6 2 2 . 9 2 2 . 9 5 8 . 0 5 8 . 0 1 6 . 3 1 5 0 . 6 1 8 . 7 5 3 . 3 1 6 4 . 9 2 . 1 介质折射率 一般的光学设计软件都是使用相对折射率， 而不用绝对折射率的。 这是因为 在光线追迹时， 仅与折射面两边的折射率比值有关， 因此没有必要使用绝对折射 率。所谓相对折射率，就是以空气为参考的折射率，即认为空气的折射率为t o 而绝对折射率则是以真空为参考的。这两种折射率之间的关系为 介质相对折射率=介质绝对折射率 空气折射率 ( 3 - 2 ) 所以在计算折射率随温度的变化量时，一般遵循以下几个基本步骤: i )计算在标准温度和压力条件下介质的相对折射率; 2 )计算在标准温度和压力条件下空气的折射率: 3 )计算在标准温度和压力条件下介质的绝对折射率; 4 ) 计算在指定温度和压力条件下介质的绝对折射率的变化值: 浙江大学硕士学位论文 5 )计算在指定温度和压力条件下空气的折射率; 6 )计算在指定温度和压力条件下介质的相对折射率。 对于在标准温度和压力条件下 介质的相对折射率， 我们可以使用玻璃厂商提 供的色散公式和数据。如 s c h o t t 公司提供的色散公式 n 2 = a . + a , 矛+ a 2 a _ 2 + a , 才 + a 4 护 + a 5 不 ， ( 3 - 3 ) 对于空气的折射率，可以使用下面的公式 n o= 1 + (n 、 一 1 - 1 .0 + ( t 一 1 5 ) x 3 .4 7 8 5 x 1 0 - 3 ( 3 - 4 ) 这 里， 口 - 0 ，l x 门leslesesj 一， 卜 432.8 + 2 9 4 9 8 1 0 矛2 5 5 4 0 矛 不 3 6 .1 2 石 一 十 4 1 2 石 ( 3 - 5 ) t是以 摄氏 度表示温度，p 是相对大气压力，2 为指定的波长，以 微米为单位。 这个空气 折射率公 式是从f k o h l r a u s c h , ( p r a k t i s c h e p h y s i k ) , 1 9 9 8 ， 第1 卷， 第4 0 8 页得到的。 介质的绝对折射率随着温度变化的变化值可以由下面的表达式给出 a n ,=n 2 二 1 d ,4 t 2 n l- + d ,a t 2 + d 2 4 t 3 + 凡a t 十 e ,a 尸 兄 ， 一 a ,k ( 3 - 6 ) 这里n 是在标准温度和压力条件下介质的相对折射率， o t 是相对于2 0 摄氏度的 温 度的 变 化 值 ( 如 果 温 度高 于2 0 摄氏 度， 这该 数 值为 正) ，a 为d o , d , , d 2 , e o , e 、 和丸等 六个常 数由 玻 璃厂商 提 供， 用 来描述 介质的 热 性能的。 浙江大学硕士学位论文 计算出介质的绝对折射率随着温度变化的变化值后， 我们就可以得到介质在 指定温度和压力条件下的绝对折射率， 再除以在该条件下的空气折射率， 则可以 得到介质的相对折射率。 2 . 2 光学元件的中心厚度和折射面的曲率半径 当温度发生变化时，由于材料的热胀冷缩， 使得光学元件表面的曲率半径和 元件的厚度也都发生了变化， 这些都将改变通过其中的光线的光程， 影响系统的 成像质量。 对于元件的中心厚度，当温度从t 分t = t 十 d t 时，其变化为 d - + d 二d+ d d= d ( 1 + a o - d t )( 3 - 7 ) 其中，。 。 为材料的 线性热膨胀系数。 对于元件表面的曲 率半径， 我们可以 从球面、 一般二次曲面和高次非球面等 方面分析它们的变化。 1 )球面的方程为: r二, 1 z + h 2 ( 3 - 9 ) 其中 人 = v x 2 + 夕 ， ( 3 - 9) 为垂轴坐标， x , y分别是子午和弧矢两个方向的坐标; r为表面的曲率半径; z 为轴向坐标。 当温度发生变化时，每个方向的坐标都将随之发生变化。当温度从 t - ) , t = t + d t a j ，有 浙江大学硕十学位论文 x . 今x y - y , z一 )2 ， = x + 去= x ( 1 + “ 。 . d t ) = y 十 d y = y ( 1 + a , - d t ) 二 z 十 d z = 或 1 十 “ 。 . d t ) ( 3 - 1 0 ) 对公式 ( 3 - 9 )微分，可得 d h= ( 3 - 1 1 ) 将d x = x - a , - d 1 、咖= y - a - d t 代 入 公 式 ( 3 - 1 1 ) ， 可 得 d h=( x i + ， ， ) 。 。 ， x 2 + 夕 z 一 办， + y 2 . a o - d t 二 h - a , - d t( 3 - 1 2 ) 同理，对公式 ( 3 一8 )微分，得 d r = z 塑 里 塑 z 2 +h 2 ( 3 - 1 3 ) 将d z = : 。 。 _ d t 、d h = h - a o - d t 代 入 公 式( 3 - 1 1 ) ， 可 得 d r =i z 2 + * ， ) 。 。 .* z 2 +h 2 二 v z 2 + h 2 。 。 . d t 二 r - a . - d t ( 3 - 1 4 ) 因此，球面的曲率半径的变化为 r- r =r + d r= r ( 1 + a o - d t ) ( 3 - 1 5 ) 2 )一般二次曲面的方程，我们可以表示成 c h 2 : = 二 一 ， 了 - 于 今 于芍斤 1 +-v i 一( 1 + k ) c - l 1 - ( 3 - 1 6 ) 浙江大学硕十学位论文 其中， h 为 垂轴坐 标， : 为 轴向 坐 标，c = 1 / r ， 为顶 点处的 基本曲 率， k 为圆