專利名稱：采用相位板補償?shù)牡蜏毓鈱W常溫裝調(diào)方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種采用相位板補償?shù)牡蜏毓鈱W常溫裝調(diào)方法和裝置。
背景技術(shù)：
低溫光學系統(tǒng)工作于較低的溫度環(huán)境下，當其由常溫環(huán)境變?yōu)檎９ぷ鳡顟B(tài)的低溫環(huán)境時，光學元件的折射率、曲率半徑、非球面系數(shù)、機械結(jié)構(gòu)熱脹冷縮產(chǎn)生的應(yīng)力等都會發(fā)生變化，從而導致低溫光學系統(tǒng)相對于常溫狀態(tài)產(chǎn)生各種問題，然而低溫光學系統(tǒng)在低溫環(huán)境進行裝調(diào)還很難實現(xiàn)，因此需要采取一定方法使得在常溫裝調(diào)的系統(tǒng)進入低溫工作環(huán)境時仍舊滿足成像要求。低溫光學系統(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，一種方法在溫度變化時，通過光學材料、結(jié)構(gòu)材料的選取，使離焦量為零。一般采用光學反射鏡與結(jié)構(gòu)框架選用同一種材料的方法，從而保證光學零件與機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望遠鏡與Spitzer望遠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望遠鏡與歐洲Herschel望遠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格。另一種方法為利用調(diào)焦裝置來主動控制一片或多片光學零件的位置，在光學系統(tǒng)降低至低溫后通過電機驅(qū)動機構(gòu)來改變光學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系統(tǒng)。需采用復雜且難度較大的低溫調(diào)焦結(jié)構(gòu)，特別是低溫光學系統(tǒng)工作溫度低于100K時，對調(diào)焦機構(gòu)的環(huán)境適用性挑戰(zhàn)大。目前對于像面離焦問題的一種較易實現(xiàn)的方法是在低溫光學系統(tǒng)中增加一塊具有合適厚度的光學平板，在常溫下裝調(diào)，進入工作溫度后去除光學平板，以實現(xiàn)補償離焦量的目的。然而，這類方法僅解決了離焦問題，由于空間環(huán)境的復雜性，常溫裝調(diào)的光學系統(tǒng)進入空間低溫環(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)進行離焦補償，難以滿足高精度的光學系統(tǒng)清晰成像要求。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)中低溫光學系統(tǒng)在常溫裝調(diào)完進入工作環(huán)境中像質(zhì)下降的問題，本發(fā)明提供了一種采用相位板補償?shù)牡蜏毓鈱W常溫裝調(diào)方法和低溫光學常溫裝調(diào)裝置。一方面，本發(fā)明的采用相位板補償?shù)牡蜏毓鈱W常溫裝調(diào)方法包括常溫時，在低溫光學系統(tǒng)的成像透鏡組和探測器焦平面之間插入相位板，將探測器焦平面裝調(diào)至焦面位置；其中，所述相位板的一個或者兩個表面設(shè)置有衍射面，相位板經(jīng)所述衍射面引入一預(yù)定的相位變化，以補償?shù)蜏毓鈱W系統(tǒng)由工作溫度升至常溫后的表面變形；取出所述相位板，將所述低溫光學系統(tǒng)降溫至工作溫度后，低溫光學系統(tǒng)的焦面位置和成像質(zhì)量自動補償?shù)脚c常溫裝調(diào)時一致，低溫光學裝調(diào)完成。其中，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。進一步地，對于所述預(yù)定的相位變化，經(jīng)熱分析和光學分析獲得所述低溫光學系統(tǒng)由工作溫度升至常溫后的表面變形量，基于該表面變形量計算對此表面變形量進行補償?shù)乃鲅苌涿嫘枰难苌鋮?shù)，所述預(yù)定的相位變化與該衍射參數(shù)的值相對應(yīng)。進一步地，將所述相位板的厚度d設(shè)置為d = xn/ (n-1)，其中x為所述低溫光學系統(tǒng)由工作溫度升至常溫后的離焦量，η為所述相位板的材料在常溫下的折射率。另一方面，本發(fā)明的采用相位板補償?shù)牡蜏毓鈱W常溫裝調(diào)裝置包括機械支架、成像透鏡組和探測器焦平面，成像透鏡組安裝在機械支架上，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，所述相位板的一個或者兩個表面設(shè)置有衍射面，所述衍射面引入的相位變化用于補償?shù)蜏毓鈱W系統(tǒng)由工作溫度升至常溫后的表面變形。本發(fā)明有益效果如下I.本發(fā)明采用的相位板具有特殊設(shè)計的衍射面，對低溫光學系統(tǒng)常溫裝調(diào)后進入工作溫度而產(chǎn)生的成像透鏡表面變形進行補償，可避免由于環(huán)境溫度變化造成的像質(zhì)惡化，實現(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.通過進一步調(diào)整相位板的厚度，對低溫光學系統(tǒng)常溫裝調(diào)后進入工作溫度而產(chǎn)生的像面離焦進行補償，使光學系統(tǒng)在低溫工作條件下的成像質(zhì)量和焦面與常溫下的成像質(zhì)量和焦面一致，可同時解決低溫光學系統(tǒng)的像質(zhì)下降和像面離焦問題?！?br>

圖I是本發(fā)明的采用相位板補償?shù)牡蜏毓鈱W常溫裝調(diào)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是現(xiàn)有技術(shù)中的光學平板結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明實施例中的帶有衍射面的相位板結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本發(fā)明采用相位板補償?shù)牡蜏毓鈱W常溫裝調(diào)方法流程圖。其中，I-成像透鏡組，2-機械支架，3-光學相位板，4-探測器焦平面。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖以及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不限定本發(fā)明。圖I所示為本發(fā)明的采用相位板補償?shù)牡蜏毓鈱W常溫裝調(diào)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，在機械支架2上安裝成像透鏡組1，常溫裝調(diào)時，在系統(tǒng)中引入光學相位板3，相位板3的一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，來補償光學系統(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)后的光學系統(tǒng)在進入工作狀態(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，本實施例中以兩片透鏡為例。本發(fā)明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I中虛線為未加相位板時成像光束的像面，實線為加入相位板調(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所示為常見光學平板的結(jié)構(gòu)示意圖，圖3為本發(fā)明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)，使其可以補償?shù)蜏叵到y(tǒng)的表面變形，從而保證常溫裝調(diào)的光學系統(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分析等方法推導計算，首先算出光學系統(tǒng)在由常溫到低溫后將發(fā)生的表面變形量，再計算補償這個表面變形量所需要的衍射參數(shù)值即可。以下通過具體實施例詳細描述本發(fā)明，基于圖I所示的低溫光學裝置，本實施例以低溫長波紅外光學系統(tǒng)為例，光學系統(tǒng)的口徑為102. 8mm，焦距為308mm(溫度為77K時)，視場為± 1°，工作波段為8. O μ πΓ 2. O μ m，低溫工作溫度為77K。本實施例的球面透鏡I和球面透鏡2的材料均為鍺，機械支架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. Imm,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. Imm,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 μ m處折射率n=3. 916860 ;常溫293K時，鍺材料在10 μ m處折射率η’ =4. 003263。鍺材料熱膨脹系數(shù)為
5.7 X 10_6，硬鋁合金的熱膨脹系數(shù)為23. 6 X 10_6/Κ。結(jié)合系統(tǒng)參數(shù)，通過熱分析和光學分析軟件計算出該光學系統(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
I衍射級次 Ici 一階衍射參數(shù)|C2 二階衍射參數(shù)^
前表面~I1.283618Θ-4 -5.543649e-8
后表面~I-I. 311441e-4 5. 902790e-8其中，C1，C2，…，ClO為一階到十階衍射參數(shù)。為方便加工，通常選用2到3階衍射參數(shù)，本實施例選用一階衍射參數(shù)Cl和二階衍射參數(shù)C2這兩個衍射參數(shù)，衍射級次為I。經(jīng)計算，對于相位板的前表面，Cl=L 283618e-4, C2=_5. 543649e_8，對于相位板的后表面，Cl = -L 311441e-4, C2=5. 902790e_8，C3 到 ClO 衍射參數(shù)均為 O。這里 Cl，C2，—,C10 是本實施例的旋轉(zhuǎn)對稱衍射面衍射參數(shù)的表示方法，還可以有其他種類的表示方法。對該光學系統(tǒng)進行裝調(diào)時，如圖4所示流程圖，首先在常溫293K下裝調(diào)，在光學系統(tǒng)探測器焦平面前插入具有表I衍射參數(shù)的相位板3，將探測器焦平面4裝調(diào)至焦面位置。然后，將光學系統(tǒng)降溫至工作溫度77K，取出相位板3，則由于常溫時相位板3的補償作用，此時探測器焦平面4將自動位于77K時的低溫焦面上，從而成像質(zhì)量自動得到補償，低溫光學裝調(diào)完成。進一步地，對于上述實施例，還可通過對相位板3的進一步設(shè)置，對系統(tǒng)的低溫下像面離焦進行補償。具體地，通過調(diào)整相位板3的厚度補償像面離焦，將相位板3的厚度d設(shè)置為, xn, t 、d =---( I )
n -1其中X為低溫光學系統(tǒng)由工作溫度升至常溫裝調(diào)溫度時的離焦量，n為相位板4的材料在常溫下的折射率。應(yīng)用中，利用常規(guī)光學設(shè)計軟件進行熱分析和光學分析，先確定系統(tǒng)在常溫293K時的焦面位置和在工作溫度77K時的焦面位置，得到系統(tǒng)由常溫降至工作溫度后的離焦量x=9. 94mm,再利用公式(I),計算補償該離焦量的適合的相位板厚度d = 13. 25_。對光學系統(tǒng)進行裝調(diào)時,加入具有表I所示衍射參數(shù)并且厚度d = 13. 25mm的相位板，在常溫下將探測器焦平面4裝調(diào)至最佳焦面位置，對光學系統(tǒng)進行降溫至工作溫度后，去除相位板，則低溫成像質(zhì)量和焦面位置由于相位板補償自動實現(xiàn)與常溫裝調(diào)的一致·性，完成低溫光學裝調(diào)，光學系統(tǒng)在進入工作狀態(tài)后成像清晰，且焦面位置符合要求。本發(fā)明通過在常溫環(huán)境的裝調(diào)光路中引入特定設(shè)計的相位板，使得光學系統(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，使一般常溫裝調(diào)造成低溫光學系統(tǒng)的像質(zhì)下降和像面離焦問題同時得到解決。盡管為示例目的，已經(jīng)公開了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將意識到各種改進、增加和取代也是可能的，因此，本發(fā)明的范圍應(yīng)當不限于上述實施例。
權(quán)利要求
1.一種采用相位板補償?shù)牡蜏毓鈱W常溫裝調(diào)方法，其特征在于，包括 常溫時，在低溫光學系統(tǒng)的成像透鏡組和探測器焦平面之間插入相位板，將探測器焦平面裝調(diào)至焦面位置；其中，所述相位板的一個或者兩個表面設(shè)置有衍射面，相位板經(jīng)所述衍射面引入一預(yù)定的相位變化，以補償?shù)蜏毓鈱W系統(tǒng)由工作溫度升至常溫后的表面變形； 取出所述相位板，將所述低溫光學系統(tǒng)降溫至工作溫度后，低溫光學系統(tǒng)的焦面位置和成像質(zhì)量自動補償?shù)脚c常溫裝調(diào)時一致，低溫光學裝調(diào)完成。
2.如權(quán)利要求I所述的采用相位板補償?shù)牡蜏毓鈱W常溫裝調(diào)方法，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I所述的采用相位板補償?shù)牡蜏毓鈱W常溫裝調(diào)方法，其特征在于，對于所述預(yù)定的相位變化，經(jīng)熱分析和光學分析獲得所述低溫光學系統(tǒng)由工作溫度升至常溫后的表面變形量，基于該表面變形量計算對此表面變形量進行補償?shù)乃鲅苌涿嫘枰难苌鋮?shù)，所述預(yù)定的相位變化與該衍射參數(shù)的值相對應(yīng)。
4.如權(quán)利要求I所述的采用相位板補償?shù)牡蜏毓鈱W常溫裝調(diào)方法，其特征在于，將所述相位板的厚度d設(shè)置為d = xn/(n-l)，其中χ為所述低溫光學系統(tǒng)由工作溫度升至常溫后的離焦量，η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償?shù)牡蜏毓鈱W常溫裝調(diào)方法，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, 二階衍射參數(shù)C2=_5. 543649e_8，對于相位板的后表面，Cl=-L 311441e-4, C2=5. 902790e_8，相位板的其余各階衍射參數(shù)均為O。
6.一種采用相位板補償?shù)牡蜏毓鈱W常溫裝調(diào)裝置，包括機械支架、成像透鏡組和探測器焦平面，成像透鏡組安裝在機械支架上，其特征在于，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，所述相位板的一個或者兩個表面設(shè)置有衍射面，所述衍射面引入的相位變化用于補償?shù)蜏毓鈱W系統(tǒng)由工作溫度升至常溫后的表面變形。
7.如權(quán)利要求6所述的采用相位板補償?shù)牡蜏毓鈱W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。
8.如權(quán)利要求6所述的采用相位板補償?shù)牡蜏毓鈱W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)熱分析和光學分析獲得所述低溫光學系統(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)。
9.如權(quán)利要求6所述的采用相位板補償?shù)牡蜏毓鈱W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χ為所述低溫光學系統(tǒng)由工作溫度升至常溫后的離焦量，η為所述相位板的材料在常溫下的折射率。
10.如權(quán)利要求9所述的采用相位板補償?shù)牡蜏毓鈱W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. Imm,厚度為6mm ;遠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, 二階衍射參數(shù)C2=_5. 543649e_8，對于相位板的后表面，Cl=-L 311441e-4, C2=5. 902790e_8，相位板的其余各階衍射參數(shù)均為O。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種采用相位板補償?shù)牡蜏毓鈱W常溫裝調(diào)方法和裝置。采用的相位板具有特殊設(shè)計的衍射面，對低溫光學系統(tǒng)常溫裝調(diào)后進入工作溫度而產(chǎn)生的成像透鏡表面變形進行補償，可避免由于環(huán)境溫度變化造成的像質(zhì)惡化，實現(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。通過進一步調(diào)整相位板的厚度，對低溫光學系統(tǒng)常溫裝調(diào)后進入工作溫度而產(chǎn)生的像面離焦進行補償，使光學系統(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系統(tǒng)的像質(zhì)下降和像面離焦問題。
文檔編號G02B27/00GK102902063SQ201210431589
公開日2013年1月30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:中國電子科技集團公司第十一研究所