專利名稱：采用相位板補(bǔ)償?shù)牡蜏毓鈱W(xué)常溫裝調(diào)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及ー種采用相位板補(bǔ)償?shù)牡蜏毓鈱W(xué)常溫裝調(diào)裝置。
背景技術(shù)：
低溫光學(xué)系統(tǒng)工作于較低的溫度環(huán)境下，當(dāng)其由常溫環(huán)境變?yōu)檎９ぷ鳡顟B(tài)的低溫環(huán)境時，光學(xué)元件的折射率、曲率半徑、非球面系數(shù)、機(jī)械結(jié)構(gòu)熱脹冷縮產(chǎn)生的應(yīng)カ等都會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致低溫光學(xué)系統(tǒng)相對于常溫狀態(tài)產(chǎn)生各種問題，然而低溫光學(xué)系統(tǒng)在低溫環(huán)境進(jìn)行裝調(diào)還很難實(shí)現(xiàn)，因此需要采取一定方法使得在常溫裝調(diào)的系統(tǒng)進(jìn)入低溫エ作環(huán)境時仍舊滿足成像要求。低溫光學(xué)系統(tǒng)的裝調(diào)主要解決系統(tǒng)由常溫環(huán)境裝調(diào)完成之后，在進(jìn)入低溫環(huán)境工作后產(chǎn)生的如像面離焦、成像質(zhì)量下降等問題。本領(lǐng)域傳統(tǒng)的調(diào)整方法有兩類，ー種方法在溫度變化時，通過光學(xué)材料、結(jié)構(gòu)材料的選取，使離焦量為零。一般采用光學(xué)反射鏡與結(jié)構(gòu)框架選用同一種材料的方法，從而保證光學(xué)零件與機(jī)械零件均勻地膨脹和收縮，而不產(chǎn)生離焦。該方法主要適用于全反射系統(tǒng)中，例如歐洲IRAS望遠(yuǎn)鏡與Spitzer望遠(yuǎn)鏡的反射鏡與主要結(jié)構(gòu)零件都采用金屬鈹制成；日本的ASTRO-F望遠(yuǎn)鏡與歐洲Herschel望遠(yuǎn)鏡的反射鏡與主要結(jié)構(gòu)零件均采用SiC材料制成，我國中科院成都光電所研制的低溫紅外光學(xué)系統(tǒng)全部采用鋁合金材料。這種方法對材料選擇要求十分嚴(yán)格。另ー種方法為利用調(diào)焦裝置來主動控制一片或多片光學(xué)零件的位置，在光學(xué)系統(tǒng)降低至低溫后通過電機(jī)驅(qū)動機(jī)構(gòu)來改變光學(xué)元件間隔未消除溫度變化引起的離焦量，這種方法適合用于折射式、反射式或折反式光學(xué)系統(tǒng)。需采用復(fù)雜且難度較大的低溫調(diào)焦結(jié)構(gòu)，特別是低溫光學(xué)系統(tǒng)工作溫度低于100K吋，對調(diào)焦機(jī)構(gòu)的環(huán)境適用性挑戰(zhàn)大。目前對于像面離焦問題的ー種較易實(shí)現(xiàn)的方法是在低溫光學(xué)系統(tǒng)中增加ー塊具有合適厚度的光學(xué)平板，在常溫下裝調(diào)，進(jìn)入工作溫度后去除光學(xué)平板，以實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償離焦量的目的。然而，這類方法僅解決了離焦問題，由于空間環(huán)境的復(fù)雜性，常溫裝調(diào)的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)入空間低溫環(huán)境后除了像面離焦，還會產(chǎn)生像質(zhì)下降的問題，只對系統(tǒng)進(jìn)行離焦補(bǔ)償，難以滿足高精度的光學(xué)系統(tǒng)清晰成像要求。
發(fā)明內(nèi)容為了解決現(xiàn)有技術(shù)中低溫光學(xué)系統(tǒng)在常溫裝調(diào)完進(jìn)入工作環(huán)境中像質(zhì)下降的問題，本實(shí)用新型提供了一種采用相位板補(bǔ)償?shù)牡蜏毓鈱W(xué)常溫裝調(diào)裝置。本實(shí)用新型的采用相位板補(bǔ)償?shù)牡蜏毓鈱W(xué)常溫裝調(diào)裝置包括機(jī)械支架、成像透鏡組和探測器焦平面，成像透鏡組安裝在機(jī)械支架上，其特征在干，還包括:位于成像透鏡組和所述探測器焦平面之間的相位板，所述相位板的ー個或者兩個表面設(shè)置有衍射面，所述衍射面引入的相位變化用于補(bǔ)償?shù)蜏毓鈱W(xué)系統(tǒng)由工作溫度升至常溫裝調(diào)環(huán)境后的表面變形。進(jìn)ー步地，所述衍射面為旋轉(zhuǎn)對稱式衍射面或非旋轉(zhuǎn)對稱式衍射面[0008]進(jìn)ー步地，所述衍射面引入的相位變化與所述衍射面的衍射參數(shù)相對應(yīng)，其中，根據(jù)熱分析和光學(xué)分析獲得所述低溫光學(xué)系統(tǒng)由工作溫度升至常溫后的表面變形量，基于該表面變形量獲得所述衍射面的衍射參數(shù)進(jìn)ー步地,所述相位板的厚度d為d = xn/(n_l),其中x為所述低溫光學(xué)系統(tǒng)由エ作溫度升至常溫后的離焦量，n為所述相位板的材料在常溫下的折射率。本實(shí)用新型有益效果如下:1.本實(shí)用新型采用的相位板具有特殊設(shè)計的衍射面，對低溫光學(xué)系統(tǒng)常溫裝調(diào)后進(jìn)入工作溫度而產(chǎn)生的成像透鏡表面變形進(jìn)行補(bǔ)償，可避免由于環(huán)境溫度變化造成的像質(zhì)惡化，實(shí)現(xiàn)常溫裝調(diào)的系統(tǒng)在低溫環(huán)境中也可以清晰成像的效果。2.通過進(jìn)ー步調(diào)整相位板的厚度，對低溫光學(xué)系統(tǒng)常溫裝調(diào)后進(jìn)入工作溫度而產(chǎn)生的像面離焦進(jìn)行補(bǔ)償，使光學(xué)系統(tǒng)在低溫工作條件下的成像質(zhì)量和焦面與常溫裝調(diào)時的成像質(zhì)量和焦面一致，可同時解決低溫光學(xué)系統(tǒng)的像質(zhì)下降和像面離焦問題。

圖1是本實(shí)用新型的采用相位板補(bǔ)償?shù)牡蜏毓鈱W(xué)常溫裝調(diào)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是現(xiàn)有技術(shù)中的光學(xué)平板結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例中的帶有衍射面的相位板結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本實(shí)用新型采用相位板補(bǔ)償?shù)牡蜏毓鈱W(xué)常溫裝調(diào)方法流程圖。其中，1-成像透鏡組，2-機(jī)械支架，3-光學(xué)相位板，4-探測器焦平面。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖以及實(shí)施例，對本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一歩詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本實(shí)用新型，并不限定本實(shí)用新型。圖1所示為本實(shí)用新型的采用相位板補(bǔ)償?shù)牡蜏毓鈱W(xué)常溫裝調(diào)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，在機(jī)械支架2上安裝成像透鏡組1，常溫裝調(diào)時，在系統(tǒng)中引入光學(xué)相位板3，相位板3的ー個或者兩個表面上設(shè)置有衍射面，利用衍射面引入相位變化，來補(bǔ)償光學(xué)系統(tǒng)由工作溫度升至常溫裝調(diào)溫度后的表面變形，以此確保常溫裝調(diào)后的光學(xué)系統(tǒng)在進(jìn)入工作狀態(tài)后能夠清晰成像。其中，成像透鏡組I可包含一片或者多片透鏡或者反射鏡，可依情況具體設(shè)置，本實(shí)施例中以兩片透鏡為例。本實(shí)用新型通過控制相位板的表面引入相位變化，需在相位板的一個或者兩個表面引入衍射面，圖1中虛線為未加相位板時成像光束的像面，實(shí)線為加入相位板調(diào)整后的像面位置，加入相位板后，像面位置恰好在探測器焦平面上。圖2所示為常見光學(xué)平板的結(jié)構(gòu)示意圖，圖3為本實(shí)用新型引入衍射面之后的相位板結(jié)構(gòu)示意圖，衍射面可以是各種形式的衍射面，比如旋轉(zhuǎn)對稱式，非旋轉(zhuǎn)對稱式等。通過優(yōu)化衍射面的衍射參數(shù)，使其可以補(bǔ)償?shù)蜏叵到y(tǒng)的表面變形，從而保證常溫裝調(diào)的光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量與低溫下的成像質(zhì)量一致。關(guān)于衍射面的衍射參數(shù)的計算，可利用熱分析和光學(xué)分析等方法推導(dǎo)計算，首先算出光學(xué)系統(tǒng)在由常溫到低溫后將發(fā)生的表面變形量，再計算補(bǔ)償這個表面變形量所需要的衍射參數(shù)值即可。[0023]以下通過具體實(shí)施例詳細(xì)描述本實(shí)用新型，基于圖1所示的低溫光學(xué)裝置，本實(shí)施例以低溫長波紅外光學(xué)系統(tǒng)為例，光學(xué)系統(tǒng)的口徑為102.8mm，焦距為308mm(溫度為77K吋)，視場為±1°，エ作波段為8.0111^12.011111，低溫エ作溫度為771(。本實(shí)施例的球面透鏡I和球面透鏡2的材料均為鍺，機(jī)械支架3采用硬鋁材料。在工作溫度77K時，透鏡I的前表面曲率半徑為299.5mm,后表面曲率半徑為490.1mm,厚度為6mm ;透鏡2的前表面曲率半徑為1296.6mm,后表面曲率半徑為983.1mm,厚度為6mm ;透鏡I和透鏡2的間隔距離為11.9mm。其它相關(guān)的系統(tǒng)參數(shù)還有:工作溫度77K時，鍺材料在10 ii m處折射率n=3.916860 ;常溫293K時，鍺材料在10 y m處折射率n’ =4.003263。鍺材料熱膨脹系數(shù)為
5.7 X 10—7K，硬鋁合金的熱膨脹系數(shù)為23.6 X 10_6/K。結(jié)合系統(tǒng)參數(shù)，通過熱分析和光學(xué)分析軟件計算出該光學(xué)系統(tǒng)由常溫到低溫后將發(fā)生的表面變形，計算相位板3表面衍射面的衍射參數(shù)，本實(shí)施例中的衍射面為旋轉(zhuǎn)對稱衍射面，衍射參數(shù)計算結(jié)果見表I。表I
權(quán)利要求1.一種采用相位板補(bǔ)償?shù)牡蜏毓鈱W(xué)常溫裝調(diào)裝置，包括機(jī)械支架、成像透鏡組和探測器焦平面，成像透鏡組安裝在機(jī)械支架上，其特征在干，還包括:位于成像透鏡組和所述探測器焦平面之間的相位板，所述相位板的ー個或者兩個表面設(shè)置有衍射面，所述衍射面引入的相位變化用于補(bǔ)償?shù)蜏毓鈱W(xué)系統(tǒng)由工作溫度升至常溫裝調(diào)環(huán)境后的表面變形。
2.如權(quán)利 要求1所述的采用相位板補(bǔ)償?shù)牡蜏毓鈱W(xué)常溫裝調(diào)裝置，其特征在于，所述衍射面為旋轉(zhuǎn)對稱式衍射面或非旋轉(zhuǎn)對稱式衍射面。
3.如權(quán)利要求1所述的采用相位板補(bǔ)償?shù)牡蜏毓鈱W(xué)常溫裝調(diào)裝置，其特征在于，所述衍射面引入的相位變化與所述衍射面的衍射參數(shù)相對應(yīng)，其中，根據(jù)熱分析和光學(xué)分析獲得所述低溫光學(xué)系統(tǒng)由工作溫度升至常溫后的表面變形量，基于該表面變形量獲得所述衍射面的衍射參數(shù)。
4.如權(quán) 利要求1所述的采用相位板補(bǔ)償?shù)牡蜏毓鈱W(xué)常溫裝調(diào)裝置，其特征在于，所述相位板的厚度d為d = xn/(n-l)，其中X為所述低溫光學(xué)系統(tǒng)由工作溫度升至常溫后的離焦量，n為所述相位板的材料在常溫下的折射率。
5.如權(quán)利要求4所述的采用相位板補(bǔ)償?shù)牡蜏毓鈱W(xué)常溫裝調(diào)裝置，其特征在于，所述成像透鏡組由兩片透鏡組成，位于所述相位板的同一側(cè)，其中，接近所述相位板的球面透鏡的前表面曲率半徑為299.5mm,后表面曲率半徑為490.1mm,厚度為6mm ;遠(yuǎn)離所述相位板的球面透鏡的前表面曲率半徑為1296.6mm，后表面曲率半徑為983.1mm，厚度為6mm ；接近所述相位板的球面透鏡和遠(yuǎn)離所述相位板的球面透鏡的材料均為鍺，間隔距離為.11.9mm ;工作溫度為77K ；d=13.25mm ;所述相位板的衍射參數(shù)為:對于相位板的前表面，一階衍射參數(shù)Cl=L 283618e-4，ニ階衍射參數(shù)C2=-5.543649e_8，對于相位板的后表面，Cl=-1.311441e-4，C2=5.902790e_8，相位板的其余各階衍射參數(shù)均為O。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種采用相位板補(bǔ)償?shù)牡蜏毓鈱W(xué)常溫裝調(diào)裝置。采用的相位板具有特殊設(shè)計的衍射面，對低溫光學(xué)系統(tǒng)常溫裝調(diào)后進(jìn)入工作溫度而產(chǎn)生的成像透鏡表面變形進(jìn)行補(bǔ)償，可避免由于環(huán)境溫度變化造成的像質(zhì)惡化，實(shí)現(xiàn)常溫裝調(diào)的系統(tǒng)在低溫環(huán)境中也可以清晰成像的效果。通過進(jìn)一步調(diào)整相位板的厚度，對低溫光學(xué)系統(tǒng)常溫裝調(diào)后進(jìn)入工作溫度而產(chǎn)生的像面離焦進(jìn)行補(bǔ)償，使光學(xué)系統(tǒng)在低溫工作條件下的成像質(zhì)量和焦面位置與常溫裝調(diào)時的成像質(zhì)量和焦面位置一致，可同時解決低溫光學(xué)系統(tǒng)的像質(zhì)下降和像面離焦問題。
文檔編號G02B27/42GK202975472SQ20122057228
公開日2013年6月5日 申請日期2012年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月1日
發(fā)明者彭晴晴, 駱守俊, 何伍斌, 溫慶榮 申請人:中國電子科技集團(tuán)公司第十一研究所