被动热补偿型折衍混合红外光学系统的研制

摘要

大多数军用和空间光学仪器的工作环境温度变化范围都较大，温度变化时光学元件的曲率、厚度和间隔都将发生变化，同时元件基体材料的折射率及所在介质的折射率也将发生变化。由于红外光学材料的折射率温度系数dn/dT较大，环境温度对红外光学系统的影响显得尤为严重。因此在红外成像系统中不得不加入主动或被动补偿机构，以补偿温度变化造成像面移动所引起的系统性能的降低。补偿的方式有机械式、机电式和光学式三种。其中光学被动补偿方式由于具有结构相对简单、尺寸小、重量轻和系统可靠性高等特点而受到特别的重视，且已发展了多种设计理论和方法。近年来，由于衍射元件（或二元光学元件）在理论和加工工艺上取得了进展，采用衍射元件的折衍混合光学系统，凭借衍射元件独特的温度特性，可以用更为简单的结构实现系统像面的自动温度补偿。 本文论述了环境温度对光学系统性能的影响及补偿方法，衍射光学元件的成像理论及像差分析。推导了物面位于有限远和无限远时，实现热补偿的通用条件；并阐述了利用归化T-C图设计消热差和消色差的红外光学系统的原理和方法。设计了波段为8～12 m、视场为2ω＝16°的折衍混合红外光学系统，该系统使用硒化锌和锗两种红外材料，在20～50℃的温度范围内的成像质量接近衍射极限。 文中还叙述了用英国Taylor Hobson公司的NANOFORM 250型纳米级金刚石车床在单晶锗平面基体上加工衍射面的主要工艺过程，并给出了加工结果。最后给出了用美国OPTIKOS公司的传递函数仪测出的系统在不同温度下测试结果。测试结果表明系统在20-50℃的温度范围内性能稳定。