Метод синтеза ахроматических объективов с пассивной атермализацией на основе двухкомпонентной схемы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат наук Иванов Степан Евгеньевич

• Иванов Степан Евгеньевич
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Иванов Степан Евгеньевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ПАССИВНАЯ АТЕРМАЛИЗАЦИЯ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

1.1 Температурное смещение приемника излучения

1.2 Температурное смещение плоскости изображения

1.2.1 Коэффициент дисперсии

1.2.2 Термооптический коэффициент

1.3 Условие ахроматизации-атермализации

1.4 Выводы к Главе

ГЛАВА 2. МЕТОДЫ ВЫБОРА ОПТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ПАССИВНОЙ АТЕРМАЛИЗАЦИИ И АХРОМАТИЗАЦИИ

2.1 Номограмма ц V

2.2 Номограмма II-V

2.3 Номограмма V- о

2.4 Выводы к Главе

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТЕЙ АХРОМАТИЗАЦИИ И АТЕРМАЛИЗАЦИИ В ДВУХКОМПОНЕНТНОЙ СИСТЕМЕ С ВОЗДУШНЫМ ПРОМЕЖУТКОМ

3.1 Условие ахроматизации атермализации двухкомпонентной системы с воздушным промежутком

3.2 Анализ ахроматической двухкомпонентной системы с воздушным промежутком

3.3 Анализ атермализованной двухкомпонентной системы с воздушным промежутком

3.4 Двухкомпонентные системы с пассивной атермализацией с учетом воздушного промежутка

3.4.1 Номограмма V- V

3.4.2 Номограмма V- со

3.5 Границы применимости

3.5.1 Оптические системы с воздушными промежутками, состоящие из трех или

большего количества компонентов

3.5.2 Воздушные промежутки между компонентами

3.5.3 Массогабаритные характеристики

3.6 Выводы к Главе

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИСПЕРСИОННЫХ И ТЕРМООПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДВУХ- И ТРЕХЭЛЕМЕНТНЫХ КОМПОНЕНТОВ

4.1 Двухэлементные компоненты

4.1.1 Номограмма U- v

4.1.2 Номограмма V- со

4.2 Двухэлементные афокальные компоненты

4.2.1 Температурная расфокусировка

4.2.2 Афокальный термокомпенсатор

4.2.3 Номограмма U- v

4.2.4 Номограмма V- со

4.3 Трехэлементные компоненты

4.3.1 Номограмма U- v

4.3.2 Номограмма V- со

4.3.3 Развитие многоэлементных компонентов

4.4 Выводы к Главе

Заключение по работе. Выводы

Список сокращений

Литература

Приложение А. Таблица коэффициентов теплового расширения некоторых

конструкционных материалов

Приложение Б. Номограммы некоторых каталогов оптических материалов

Приложение В. Примеры оптических систем

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

Объективы, применяющиеся в современных оптико-электронных приборах и комплексах, в процессе работы испытывают влияние изменяющихся температурных условий. Для сохранения качества изображения используются различные приемы, наиболее распространенные из них - это использование термобоксов и активная фокусировка изображения. Использование дополнительных устройств влечет за собой усложнение конструкции оптико -электронного прибора, снижение показателей надежности и увеличение его стоимости.

Разработкой объективов с пассивной атермализацией и проблемами расчета атермализованных оптических систем занимались с свое время такие ученые как Д.С.Волосов, Л.Н.Архипова, С.В.Солк, В.М.Тягур, ¥.Тота§а\¥а, К.8с1г\¥е1±2 и др.

Существующие методы разработки оптических систем с пассивной атермализацией имеют либо узкое применение (например, исключительно для инфракрасной области спектра), либо представляют собой набор рекомендаций неудобных для практического применения. Основная сложность при этом состоит в том, что одновременно с атермализацией необходимо обеспечивать высокое качество изображения объективов в достаточно широком спектральном диапазоне, что также выполняется за счет выбора материалов.

Поэтому в настоящий момент актуальной задачей является разработка универсального метода синтеза ахроматических объективов с пассивной атермализацией.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод синтеза ахроматических объективов с пассивной атермализацией на основе двухкомпонентной схемы»

Цель работы

Целью работы является разработка метода синтеза ахроматических объективов с пассивной атермализацией на основе двухкомпонентной схемы. При этом предусматривается решение следующих задач:

1. Анализ существующих методов разработки объективов с пассивной атермализацией в различных областях спектра.

2. Исследование взаимозависимости дисперсионных и тремооптических характеристик оптических и конструкционных материалов в двухкомпонентной системе с воздушным промежутком.

3. Исследование дисперсионных и термооптических характеристик тонких двух- и трехлинзовых компонентов.

Научная новизна работы

1. Аналитические соотношения, определяющие область решений для одновременной ахроматизации и атермализации в двухкомпонентной схеме с воздушным промежутком в общем случае.

2. Взаимосвязь оптических сил линз компонентов и характеристик материалов для получения начальной точки синтеза ахроматизованных атермализованных объективов на базе двухкомпонентной схемы с воздушным промежутком.

3. Метод расчета двухлинзовых афокальных модулей для пассивной компенсации терморасфокусировки в неатермализованных зеркально-линзовых объективах.

Практическая ценность

1. Разработанный метод синтеза позволяет создавать новые ахроматические атермализованные объективы, а также модифицировать уже разработанные ахроматические оптические системы с целью сохранения качества изображения во всем диапазоне рабочих температур.

2. Разработанные новые оптические системы с пассивной атермализацией для видимой области спектра, а также среднего и дальнего ИК-диапазонов.

Методы исследования

1. Численные методы и методы компьютерной алгебры для решения систем уравнений.

2. Числовые расчеты с использованием пакетов прикладных программ и соответствующего программного обеспечения.

3. Методы проектирования оптических систем с использованием современных программ расчета и проектирования оптики.

Положения, выносимые на защиту

1. В оптических системах из двух компонентов с воздушным промежутком, в случае использования различных конструкционных материалов для заднего отрезка и прокладного кольца между компонентами, позволяет расширить диапазон используемых оптических материалов для разработки ахроматических объективов с пассивной атермализацией.

2. Использование трех различных оптических материалов в составе тонкого компонента позволяет синтезировать любые эквивалентные значения термооптических и дисперсионных характеристик, в том числе для использования в двухкомпонентной системе с воздушным промежутком, что расширяет возможности разработки пассивно-атермализованных и ахроматических систем.

3. Использование оптических полимерных материалов совместно с оптическими стеклами дает возможность для создания афокального двухлинзового компенсатора терморасфокусировки в длиннофокусных объективах.

Достоверность подтверждается результатами компьютерного моделирования в пакете прикладных программ ZEMAX и OPAL-PC.

Личный вклад автора

Все выносимые на защиту научные положения, результаты и выводы получены лично соискателем. Цели и основные задачи диссертационного исследования сформулированы совместно с научным руководителем. Подготовка к публикации научных статей и докладов на конференциях проводилась вместе с соавторами.

Апробация работы

Основные положения диссертации докладывались на следующих конференциях:

II Всероссийский конгресс молодых ученых. СПб ИТМО - Санкт-Петербург, 2013.

XLIV научная и учебно-методическая Конференция Университета ИТМО. СПб ИТМО - Санкт-Петербург, 2015.

IV Всероссийский конгресс молодых ученых. СПб ИТМО - Санкт-Петербург, 2015.

V Всероссийский конгресс молодых ученых. СПб ИТМО - Санкт-Петербург, 2016.

SPIE Current Developments in Lens Design and Optical Engineering XVIII, San Diego, August 2017.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 3 научные статьи, входящие в перечень рецензируемых изданий, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 142 страницах машинописного текста, включающих в себя 59 рисунок, 6 таблиц и 3 приложения на 18 листах, а также список использованной литературы из 103 наименований.

ГЛАВА 1. ПАССИВНАЯ АТЕРМАЛИЗАЦИЯ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

При изменении температуры оптической системы изменяются воздушные промежутки, толщины линз, радиусы поверхностей, а также показатели преломления линз. Эти изменения вызывают смещение плоскости изображения (ПИ) и нарушение аберрационной коррекции оптических систем, что приводит к снижению качества изображения.

Для сохранения качества изображения в широком температурном диапазоне существуют различные активные и пассивные методы атермализации оптических систем (например, [1-7]).

Согласно исследованию Г.Г. Слюсарева, проведенного в работе [8], влияние изменения температуры на аберрации третьего порядка ничтожно мало, и в большинстве случаев им можно пренебречь. Поэтому основной причиной снижения качества изображения при изменении температуры является возникновение расфокусировки изображения или терморасфокусировки. Основная часть методов атермализации направлена на борьбу именно с этой аберрацией.

Активные методы атермализации основаны на смещении одного или нескольких компонентов оптической системы, либо приемника излучения, в зависимости от температуры эксплуатации прибора, для компенсации смещения ПИ. Смещение элементов производится при помощи электромеханических устройств (сервоприводов, шаговых двигателей и т.д.) на основе данных, поступающих от различных температурных датчиков, которыми оснащен прибор. Такие методы атермализации наиболее применимы в сложных оптических системах, таких как панкратические, в которых электромеханические устройства уже присутствуют [9]. Они относительно просты, потенциально обладают высокой точностью и могут быть адаптированы для применения в условиях нелинейных законов смещения оптических компонентов.

Основными преимуществами использования методов активной атермализации являются:

возможность справляться с температурным градиентом, присутствующим в приборе;

возможность осуществлять нелинейные законы движения компонентов и приемника излучения;

независимость от температурной инерции.

Однако в применении этих методов для компенсации терморасфокусировки имеются и значительные недостатки. Приборы, разработанные с применением методов активной атермализации, имеют большой вес и габариты, которые могут стать серьезной проблемой при эксплуатации, а также существенно снижают показатели надежности.

Некоторые из этих методов, а также принципы разработки оптических систем с применением этих методов приведены в списке литературы [10-19] и не рассматривается в данной работе.

Пассивные методы атермализации достигают результата без применения дополнительных приспособлений и основаны на тщательном подборе оптических и конструкционных материалов в соответствии с их дисперсионными и термооптическими свойствами. При изменении температуры оптической системы происходит смещение положения плоскости изображения относительно приемника излучения, которое является следствием двух независимых процессов

[3, 20].

Первый это изменение габаритных размеров деталей корпуса и конструкции крепления приемника излучения, которые вызывают физическое смещение приемника излучения от его номинального положения. Вторым является изменение формы и габаритных размеров оптических элементов, а также показателей преломления линз. Из-за изменения размеров оправ линз и промежуточных колец также изменяются воздушные промежутки. Эти явления приводят к смещению плоскости изображения от ее номинального значения, а в особенных случаях и аберрационной разбалансировке оптической системы.

Если эти два смещения не согласованы, то возникает остаточная терморасфокусировка, вследствие чего качество изображения снижается. Задача

пассивной атермализации состоит в том, чтобы на этапе разработки оптической системы заложить равные значения смещения приемника излучения и смещения ПИ, чтобы происходила их взаимная компенсация, и изображение оставалось сфокусированным на рассматриваемом диапазоне температурных изменений.

1.1 Температурное смещение приемника излучения

При разработке конструкции оптической системы с пассивной атермализацией необходимо добиться смещения приемника излучения, согласованного со смещением ПИ.

Конструкционные материалы имеют широкий спектр значений коэффициентов термического расширения (КЛТР), некоторые из них приведены в Приложении А. Однако не всегда удается подобрать материал с соответствующим значением КЛТР для компенсации смещения ПИ. В таких случаях обосновано использование сочетание двух материалов для создания различных общепринятых конструктивных решений, таких как биметаллические термокомпенсаторы, многослойные металлические конструкции, и механизмы компенсации положения приемника излучения [21-25].

Использование сочетания двух конструкционных материалов с различными значениями КЛТР может быть применено для получения различного итогового значения термического расширения конструкции, которая составлена из этих материалов [4]. Рассмотрим биметаллический термокомпенсатор, составленный из двух конструкционных материалов с различными значениями КЛТР а\ и а? [21, 24]. Общая длина такого элемента будет зависеть от дизайна конструкции. Возможно два случая изображенных на рисунке 1.

Для составляющих частей биметаллического термокомпенсатора справедливы следующие соотношения:

Общая длина Ь0=Ц+ Ь2

Изменение общей длины = + а2^2 = ао^о

где ¿]И Ь2~ длины двух составляющих элементов;

Ьо - общая (полезная) длина конструктивного элемента;

ао - эквивалентный коэффициент теплового расширения, описывающий изменение длины всего конструктивного элемента при изменении температуры.

При Ь}>Ьо, значение величины А? должно быть взято с отрицательным знаком.

Ьо, а0

а

Рисунок 1 - Биметаллической термокомпенсатор а - случай при Ь1 < Ьо; б - случай при Ь\>Ьо. Коэффициент щ может быть найден из следующего выражения:

и

ОС0 ОС-у (%2

А? ^о

ь

к

(2)

Для того чтобы определить диапазон достижимых значений коэффициента щ, перепишем выражение (2) для ао(Ьиспользуя выражение для общей длины ИЗ (1).

ь

а,

I

(3)

Вид графика для значений Ь1 в диапазоне О <Ъ\< 2Ьо, будет различным в зависимости от значений аг и а2 (рисунок 2).

При а1 < а2 (рисунок 2а) и расположении составляющих компонентов как показано на рисунке 1а, достижимы значения коэффициента ао в диапазоне значений КЛТР материалов а\ ^ а2, в зависимости от выбранных значений Д? и

Если значение Л/ превышают значение Ьо, как показано на рисунке 16, значения коэффициента ао продолжают уменьшаться, и могут принимать

отрицательные значения. То есть из графика на рисунке 2а следует, что возможны такие соотношения параметров а/, (Щ%1 и при которых:

полезная длина биметаллического термокомпенсатора (Ьо) уменьшается при увеличении температуры.

полезная длина биметаллического термокомпенсатора (Ьо) остается постоянной во всем диапазоне рассматриваемых температурных изменений. То есть возможна полная пассивная атермализация конструкции оптической системы. Соотношения параметров для атермализации конструкции йг/, а?, А? и /,?„ приведены в выражении (4).

щЦ = -«2^2 (4)

При &1 > 0(2 (рисунок 26) значения эквивалентного коэффициента ао

увеличиваются с увеличением длины первого составляющего биметаллического

термокомпенсатора. Максимальное значение коэффициента ао ограничивается

а б

Рисунок 2 Зависимость коэффициента ао, от длины первого компонента

термокомпенсатора а - зависимость при а\ <ещб — зависимость при щ > а$ Непрерывность графиков на рисунке 2 говорит о том, что двух различных

конструкционных материалов достаточно для создания любого результирующего

значения коэффициента щ. Наклон графиков характеризуется разницей КЛТР

материалов а и (*:■ Очевидно, что чем больше разница, тем больший диапазон

значений коэффициента ао может быть создан при одинаковых массогабаритных

характеристиках.

Рассмотренные случаи конструкции могут быть реализованы [26] в виде, изображенном на рисунке 3.

Рисунок 3 - Конструктивное решение с применением биметаллического

термокомпенсатора а - случай при < Ьо; б - случай при Л/ > Ьо.

Однако, в случаях, когда разница щ и а? невелика, а необходимое значение

ао много больше а; и а?, значение Ь2 может достигать недопустимо больших величин. В таких случаях могут применяться многослойные конструктивные элементы, как показано на рисунке 4.

Результирующее значение коэффициента ао может быть найдено из выражения:

а0 = т{а1 - а2) + ах (5)

где т - количество пар элементов конструкции.

Данное конструктивное решение характеризуется более также широким диапазоном значений коэффициента ао, который может принимать, в том числе и отрицательные значения, в зависимости от значений «у и а?, а также количества пар элементов конструкции. Значения коэффициента ао лимитированы лишь массовыми и габаритными ограничениями всей конструкции оптической системы. Такое конструктивное решение позволяет достичь большего диапазона значений коэффициента ао при одинаковых массогабаритных характеристиках.

а1

а2

Ь

Рисунок 4 - Конструкция многослойного конструктивного элемента Значения КЛТР различных конструкционных материалов варьируется в

довольно широких пределах, однако в реальности, массогабаритные ограничения

позволяют создать конструкцию с числом т не более 3, что в сумме с

возможными значениями КЛТР конструкционных материалов не позволяет

компенсировать смещения ПИ более 0,01 мм/°С, при длине Ь = 1000 мм.

В таких случаях, эффект от биметаллических и многослойных элементов

конструкции может быть усилен применением различных рычажных механизмов.

Рассмотрим пример такого механизма описан в патенте [27].

В данном патенте используются шарнирно-рычажный механизм,

взаимодействующий с оправой и компенсационный элемент, выполненный в виде

стержня, установленного в теле корпуса, из материала с КЛТР, отличным от

КЛТР материала корпуса, с соблюдением выполнения следующего условия:

где АЬ - величина линейного перемещения оправы; п - соотношение плеч рычага;

(а! - а2) - разность КЛТР двух конструкционных материалов; Ьст - длина стержня;

¿/Г - диапазон температурных изменений.

АЬ = п(ах -а2)1.стс1Т

(6)

6 4 5

Рисунок 5 - Объектив с подвижным оптическим компонентом 1 - корпус; 2 - компенсационный элемент (стержень); 3 - передаточный механизм (шарнирно-рычажный); 4 - оптический компонент; 5 - оправа; 6 - пружины. При увеличении температуры плоскость изображения смещается

относительно первоначального положения. При этом происходит температурное

изменение длины компенсационного стержня вдоль оптической оси. При

изменении длины, стержень взаимодействует с первым плечом рычага

передаточного механизма, который поворачивается вокруг шарнирной опоры,

закрепленной на корпусе, и вторым плечом взаимодействует с оправой, что

приводит к смещению оптического компонента. При обратном изменении

температуры оптический компонент занимает исходное положение под

воздействием пружины.

Данное техническое решение может быть реализовано следующим образом:

Примем, что активный элемент (компенсационный стержень) длиной

Ьст = 100 мм выполнен из титанового сплава ВТ 1-0 с КЛТР 8,6x10"6 °С-1.

Пассивный элемента (корпус) выполнен из алюминия (Д16) с КЛТР

22,7х10"6 °С~1. Передаточный механизм шарнирно закреплен на корпусе с

образованием неравноплечного рычага с соотношением плеч 1:5. При изменении

температуры окружающей среды на величину +80 °С длина стержня

увеличивается на 0,0688 мм, длина корпуса возрастает на 0,1816 мм.

Перемещение конца малого плеча рычага относительно точки шарнирного

закрепления АЬт. = 0,0688-0,1816 = -0,1128 мм. Перемещение конца длинного

плеча рычага, при соотношении плеч 1 : 5, составит АЫ = 0,1128x5 = 0,564 мм.

Следовательно, оптический компонент под воздействием пружин сместится на 0,564 мм относительно корпуса объектива.

Данный метод может быть с успехом применен для смещения не только оптических компонентов, но и приемника излучения.

Использование этого технического решения позволяет использовать стандартные конструкционные материалы для компенсации более широкого диапазона смещения ПИ. Кроме того, данная конструкция обеспечивает удобство и минимальную трудоемкость.

При расчете смещения плоскости приемника излучения вследствие изменения температуры необходимо учитывать все элементы конструктивной цепочки между последним оптическим элементом и плоскостью приемника излучения, а также их расположение.

Вывод:

Описанные приемы и конструктивные решения позволяют компенсировать значительные значения смещения ПИ, при этом возможны как нулевое смещение приемника излучения, так и отрицательные величины.

Однако в случаях, когда смещение ПИ достигает величин, которые невозможно компенсировать описанными методами, либо применение этих методов ограничено в силу объективных причин, необходимо на этапе расчета оптической системы «заложить» смещение ПИ, которое доступно для пассивной механической атермализации, либо конкретное значение, равное смещению приемника излучения в соответствии с выбранным типом конструкции корпуса оптической системы и крепления ее элементов.

1.2 Температурное смещение плоскости изображения

При разработке оптической системы необходимо добиться значений температурного смещения плоскости изображения, которое должно быть согласовано с температурным смещением приемника излучения. Смещение плоскости изображения определяется оптическими силами элементов оптической системы и материалами, из которых они изготовлены.

В большинстве работ при анализе смещения ПИ авторы используют законы параксиальной оптики и рассматривают компоненты как бесконечно тонкие линзы, без учета толщин и расстояний между ними. В первом приближении достаточно анализировать лишь изменение параксиальных характеристик оптических компонентов. То есть фактически каждый компонент характеризуется лишь одним параметром - оптической силой.

Необходимое смещения ПИ достигается путем придания оптическим компонентам определенных значений оптических сил, в соответствии с температурными свойствами оптических материалов, из которых они выполнены. Однако существует еще одна аберрация, для устранения которой оптическим компонентам придаются оптические силы в соответствии с характеристиками оптических материалов - это хроматизм положения. Необходимо таким образом подобрать оптические материалы, чтобы при придании компонентам оптических сил для исправления хроматизма положения температурное смещение ПИ имело заданное значение.

Как следует из сказанного выше, основная трудность при разработке ахроматических оптических систем с пассивной атермализацией состоит именно в тщательном подборе оптических материалов с соответствующими дисперсионными и термооптическими характеристиками.

В работах отечественных и зарубежных авторов присутствует несколько методов выбора оптических материалов для создания ахроматических объективов с пассивной атермализацией, и дальнейшего расчета оптических сил компонентов [2, 4, 22-23,28-41].

Авторами для описания характеристик оптических материалов используются две основные оптические характеристики, описывающие поведение показателя преломления оптического материала: коэффициент дисперсии у и термооптический коэффициент V.

1.2.1 Коэффициент дисперсии

При изменении длины волны для описания изменения оптической силы отдельного оптического элемента используется коэффициент дисперсии показателя преломления в рассматриваемом спектральном диапазоне у[23, 42]:

пт

у = ——, (7)

ПХ\ ПХ2

где пль пл2 - коэффициенты преломления для границы рассматриваемого спектрального диапазона (Л1 - Л2);

пло - коэффициент преломления для основной длины волны.

Изменение оптической силы одиночной линзы в спектральном диапазоне Л] - Л2'.

¿<р = —, (8) v

где (р - оптическая сила простой линзы.

Для ахроматизации оптической системы необходимо, чтобы суммарное изменение оптических сил компонентов, из которых состоит оптическая система, равнялась нулю. Для двухкомпонентной системы, составленной из линз, выполненных из разных оптических материалов, должна выполняться следующая система уравнений:

11. (9)

из которой следует, что оптические силы компонентов можно найти по следующим выражениям:

<Р\ = -

(10)

<Р2 = ~<Ро -~

Необходимо отдельно упомянуть о дифракционных оптических элементах (ДОЭ) и их дисперсионных характеристиках.

Дифракционные поверхности или дифракционные оптические элементы

(ДОЭ) могут являться дополнительным инструментом для разработки ахроматических атермализованных систем. Существует множество типов и методов изготовления ДОЭ [43], но по существу они являются периодическими решетчатыми структурами.

ДОЭ представляют собой очень тонкие элементы [44] с общей толщиной рельефа, равной л (п-1), где Я - рабочая длина волны и п - показатель преломления.

Рисунок 6 — Дифракционный оптический элемент В резул ьтате спектральные свойства ДОЭ совершенно отличны от свойств

обычной преломляющей линзы. Коэффициент дисперсии ДОЭ определяется

спектральным диапазоном, для которого он разработан и не зависит от

дисперсионных характеристик материала подложки [45].

Я,

'шд.

ДОЭ

АД

(11)

где ЛШи1 - рабочая длина волны;

АЛ- спектральный диапазон. Дисперсия ДОЭ противоположна по знаку дисперсии преломляющих элементов, то есть имеет отрицательную величину, и может быть в 7 раз больше, чем дисперсия самого сильного стекла типа флинт, имеющегося в настоящее время. Этот факт позволяет использовать такие элементы совместно с рефракционными, получая ахроматические системы.

Дифракционные и рефракционные элементы могут быть объединены в одном элементе, составляя гибридный элемент [46], чтобы устранить или, по крайней мере, значительно снизить хроматическую аберрацию (рисунок 7).

В ряде публикаций рассматривается использование ДОЭ в сложных многокомпонентных системах, содержащих не только дифракционные оптические элементы, но также и асферическую и градиентную оптику [47-52]. В работе [53] рассмотрен ряд примеров оптических систем, содержащих два и далее

три дифракционных элемента в одной системе. В связи с физической природой дифракционной оптики такие примеры имеют чисто академический интерес и не могут быть рекомендованы для производства, так как кривая эффективности ДОЭ имеет довольно узкий спектральный максимум. При использовании в системе двух и более ДОЭ значения эффективности для каждой длины волны перемножаются, и кривая становится еще более узкой, делая их применение в широкоспектральных оптических системах неэффективными.

Рисунок 7 - Оптические элементы, а - рефракционный оптический элемент; б - дифракционный оптический элемент; в -гибридный оптический элемент. Кроме того, если теоретический максимум такой кривой составляет почти

100%, то практически он всегда ниже из-за погрешностей формы дифракционного

профиля. Таким образом, включение каждого дополнительного дифракционного

элемента снижает пропускание системы.

Любые ошибки изготовления также снижают эффективность, что может

привести к множеству проблем, таких как снижение качества изображения и

появлению рассеянного излучения.

1.2.2 Термооптический коэффициент

При воздействии изменения температуры на оптический элемент, для описания изменения оптической силы отдельного оптического элемента используется термооптический коэффициент К [8, 54].

Термооптический коэффициент простой линзы равен:

где а - коэффициент теплового расширения оптического материала;

¡3 = — - коэффициент приращения показателя преломления при

(Лг

изменении температуры.

Тогда изменение оптической силы одиночного оптического элемента при изменении температуры на

(1<р = <р-¥-&. (13) Оптическая сила ДОЭ зависит от КЛТР материала подложки, но в отличие

от обычных преломляющих компонентов (линз) не зависит от изменения

показателя преломления материала подложки с1п/с1Т [55]:

Гдоэ =2адоэ. (14)

где адоэ - КЛТР материала подложки ДОЭ.

Оптическая сила зеркала, также, как и ДОЭ, зависит от материала, из которого оно изготовлено. Термооптический коэффициент зеркала может быть найден из выражения (15).

^Гзерк ^ зерк '

Используя выражения (11) и (14) можно получить основные хроматические и термооптические характеристики ДОЭ для их использования при расчете оптических систем наряду с другими оптическими элементами.

Исследуя термооптический коэффициент V, Г.Г. Слюсарев в работе [8] показывает, что значение этого коэффициента довольно заметно зависит от длины волны и что это необходимо учитывать при терморасчете оптических систем. Термооптический коэффициент для разных оптических материалов имеет разброс

значений от -2,9х10~4 (2ЕОЫ - 33(Ж) до 1,2х10~4 (германий), причем может принимать как положительные, так и отрицательные значения. Исходя из этого, подбирая комбинации различных оптических материалов, можно рассчитать атермализованную оптическую систему по аналогии с ахроматической. Для этого необходимо, чтобы выполнялась следующая система уравнений: Г (р^+(р2=(р0

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Иванов Степан Евгеньевич, 2017 год

— — -

— Ta]3.3II|(te)|

— iq 3.3Dtiq| t.560=q|

T;ii fi.+5|degr Sad 6.45ifegl

■si т. над

3.3

134.3

.4. '..'.:■• ~

2X3

3.3

134.3 Nf limita

0.9 3.B 3.7 3.6 0.5 0.4 3.3 3.2 3.]

-13.3

\ \

-v

~ ¿ici 3.ïï|deq|

" ¿ici

'lèl " ¿ici E.eidegi

3.3

1313 N, lÎËS/B

IjO

3.9

ЪЯ

3.7

3.6

3J

3.4

33

32

3.1

3.3 235.3

Фокусное расстояние, мм

Относительное отверстие

Параксиальные характе

Угловое поле, град

Осн. длина волны, мкм

Спектральный диап., мкм

Температурный диап., °С

ристики

53,1

1 : 4

±8,46

0,5461

0,43 - 0,66

-40 - ±60

Конструктивные параметры

№ пов.

Радиус, мм

Коническая постоянная

Св. высота, мм

Осевое расстояние, мм

Материал

1

24,770

0,0

9,71

40,023

0,0

9,17

3,00

СТКЗ

16,144

0,0

8,75

0,07

А1

47,423

0,0

8,28

3,00

СТКЗ

13,413

0,0

6,95

2,00

Ф1

6*

4,73

9,096

А1

7

-8,794

0,0

5,80

11.797

А1

8

-27,312

0,0

7,07

2,00

Ф1

■12,308

0,0

7,59

3,00

СТКЗ

10

-253,824

0,0

8,00

0,07

А1

11

-29,807

0,0

8,22

3,00

СТКЗ

13

Приемник излучения

**

7,90

32,40**

А1

* Апертурная диафрагма

** Приемник излучения: Semiconductor Components Industries NQIP1SN5000A

Качество изображения

Значения ЧКХ при Т = -40 °С

Значения ЧКХ при Т = +20 °С

Значения ЧКХ при Т = +60 °С

\

■N-;

- 1S1 - Sal 'i.yj ffeql 3.33|de;|

Sa 4.56|deq!l

- Sa 6.45

7.33 tte:| — —

з.о

104.0 81, ]i.'£ii'mi

1.0

0.3

0.8

0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0.0 233.3

\

- Таз 3.53|;tegf " ::=q 3.33|deg|

- iaj 156|3а;|

- Sa; 6.45|±C||

TiJ ?.?3l±c| 7. M Idegl

0.0

104.0 н. liiw»

1.0

0.3

0.8

0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0.0 233.3

" JrJl - S? J.JUIJcSF 3.IQ|;feq|

- Тая " 5Щ 4.36

- Tai - feq 6.{5[de3( E.Cldeqi 1 m a _L

Щ i. aJ |овд| - -

0.0

10t0 H, lifiSi'ra

1.0

0.3

0.8

0.7

0.6

03

0.4

03

02

0.1

0.0 203.3

Параксиальные характе ристики

Фокусное расстояние, мм 50,0

Относительное отверстие 1 : 2,0

Угловое поле, град ±6,84

Осн. длина волны, мкм 10,0

Спектральный диап., мкм 8,0 - 12,0

Температурный диап., °С -40 - ±60

Конструктивные параметры

№ пов.

Радиус, мм

Коническая постоянная

Св. высота, мм

Осевое расстояние, мм

Материал

49,763** 52,651 -387,370 -37,518

-0,739 0,0 0,0 -1,349

Приемник излучения

6,0 20,0 5,0 35,716

Ge Инвар CsBr AI

Параметры дифракционной

Порядок дифракции

Норм, радиус

коэфф р2

коэфф р4

поверхности

-10,428

-2,069

* Апертурная диафрагма

** Поверхность с нанесенной дифракционной решеткой

*** Приемник излучения: камера ULIS UL 03162_

Качество изображения

Значения ЧКХ при Т = -40 °С

Значения ЧКХ при Т = +20 °С

Значения ЧКХ при Т = +60 °С

N, ii:fiiix

N,

23.3 N, H.-Äi'niT

Фокусное расстояние, мм

Относительное отверстие

Параксиальные характе

Угловое поле, град

Осн. длина волны, мкм

Спектральный диап., мкм

Температурный диап., °С

Коэфф. экранирования

ристики

1200,0

1 : 5,0

±0,79

0,546

0 48 - 0,64

-40 - ±60

0,4

Конструктивные параметры

№ пов.

Радиус, мм

Коническая постоянная

Св. высота, мм

Осевое расстояние, мм

Материал

1

-1470.600**

■1,748

121,50

-1442,400**

-50,430

52,86

-456,0

ХН78Т

197,411

0,0

34,36

228,0

ХН78Т

133,181

0,0

32,97

10,0

LAH80

182,086

0,0

32,96

2,0

ХН78Т

449,295

0,0

32,35

10,0

AD-5503

7

Приемник излучения

16,59

207.893

ХН78Т

* Апертурная диафрагма ** Зеркало, материал - Ситалл

*** Приемник излучения: Semiconductor Components Industries KAF-6303

Качество изображения

Значения ЧКХ при Т = -40 °С

Значения ЧКХ при Т = +20 °С

Значения ЧКХ при Т = +60 °С

X—

у

\ %

/V

ТЕЛ 3. У: [degl Sq O.JOIdejl

-

- En J.ftlifc}!

- £q o.aij^i

'£=_': Э.79 hfel 3=q 3.79 - —

1.0 0.9 0.8 0.7 :.£ 3.5

а.|

3.2 3.]

3.3

3.3

ш.э

Бщ 0.«(feg|

- Tai 0.€5(tej|

- bq 0.£5tfeq| Та OiTtttejl

- aq 0.79 (3sj|

3.3

1.3 3.9 3.8 3.7 3.6 3J ЗЛ 33 32 3.1 3.3

4-

- Tan £a] 3.33 ffeql

- Таз Sag 3.4E№ql

- Tan Sag Тал iq I'.fMdrsr; O.E5|fea| Г, "J Ti

- j. ГУ t>eq| 0.79 (tql —

3.9 3.8 3.7 O.S 3.5 0.4 3.3 3.2 3.1

3.3

3.3 UI.3

.4, Ji-VATT

.4, ]i.-£a.'IX

N, IjBSjmi

Фокусное расстояние, мм

Относительное отверстие

Параксиальные характе

Угловое поле, град

Осн. длина волны, мкм

Спектральный диап., мкм

Температурный диап., °С

Коэфф. экранирования

ристики

400,0

1 : 2,0

±0,43

0,546

0 48 - 0,64

-40 - ±60

0,5

Конструктивные параметры

№ пов.

Радиус, мм

Коническая постоянная

Св. высота, мм

Осевое расстояние, мм

Материал

1

573,052

0,0

101,3

1010,642

0,0

100,3

20,0

Z330R

-410,768

0,0

100,2

18,0

AISI316

-601,195

0,0

101,2

14,0

E48R

-790,702**

0,0

100,2

208.86

AISI316

оо

**

0,0

52,0

-198,91

AISI316

7

Приемник излучения

3,00

197.018

AISI 304