CN115236852B - 一种全光路低温系统光学补偿装置及设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种全光路低温系统光学补偿装置及设计方法。包括让光路聚焦的低温全光路系统、补偿在常温状态下像差的补偿装置及接受信号的探测器组件，补偿装置包括补偿透镜及支撑板，补偿透镜通过调整透镜的补偿参数，消除低温全光路系统在常温下的像差。通过补偿装置在常温下对于低温全光路系统的光路补偿后，其实现了全靶面例如，7°光学视场下的完善成像，常温下像面预制位置与低温下工作位置差值为0.233mm系统在降至低温后将自动收缩至低温设计焦面位置。
Description
技术领域
本发明涉及光学技术领域，特别是涉及光学系统补偿领域。
背景技术
低温光学系统工作在低温环境，但是如需在常温下要对光学系统进行校正，则低温光学系统原先的光学元件参数，如曲率、折射率、高次系以及低温光学系统中的机械结构会因为热胀冷缩引起刚性位移，会导致在常温下的低温光学系统无法正常工作，产生像差。
CN202975472U公开了一种方案，其通过在低温光学系统中增加一块具有合适厚度的相位板，该相位板采用的相位板具有特殊设计的衍射面，对低温光学系统常温装调后进入工作温度而产生的成像透镜表面变形进行补偿，可避免由于环境温度变化造成的像质恶化，实现常温装调的系统在低温环境中也可以清晰成像的效果。
然而，CN202975472U的方案在实践中也存在一些问题。首先，该方法补偿的方法只能解决简单的小量离焦及小视场(～1°)下的补偿成像。其次，在面对大离焦量和大视场的低温光学系统时，存在像质变差难以满足高精度低温光学系统清晰成像要求等问题。
发明内容
本申请实施例通过提供了一种全光路低温系统光学补偿装置及设计方法，解决了现有技术中在大离焦量和大视场的低温的环境下，光学系统像质变差的问题，实现了高精度低温光学系统的清晰成像。
本申请实施例提供了一种全光路低温系统光学补偿装置，包括：
低温全光路系统；
探测器组件，所述探测器组件用于接收信号；
补偿装置，所述补偿装置设置于低温全光路系统与探测器组件之间，所述补偿装置包括：
补偿透镜，所述补偿透镜为非球面结构，用以消除低温全光路系统在常温下的像差，所述补偿透镜包括：
预设调整参数的光学特征面，所述预设调整参数的光学特征面用以消除低温全光路系统在常温下的像差，所述预设调整参数的光学特征面包括：
第一表面半径；
第二表面半径；
厚度；
第一表面多项式二次项系数；
第二表面多项式二次项系数；
多项式系数。
优选地，所述的全光路低温系统光学补偿装置，所述预设调整参数的光学特征面计算表达式为：
其中，c曲率半径；
R为光学表面的圆半径；
k为二次项系数；
a1、a2、a3、a4及a5为多项式系数。
优选地，所述的全光路低温系统光学补偿装置，所述第一表面半径为544.512mm，所述第二表面半径为540.783mm，所述厚度为8mm，所述第一表面多项式二次项系数为14.94903，所述第二表面多项式二次项系数为14.58822。
优选地，所述的全光路低温系统光学补偿装置，所述补偿装置包括支撑板，所述支撑板包括挖孔，所述挖孔大小与所述补偿透镜相对应，所述补偿透镜安装于挖孔处。
优选地，所述的全光路低温系统光学补偿装置，所述挖孔周围设置有注胶孔槽，所述补偿透镜通过粘接剂注入注胶孔槽与所述挖孔连接。
优选地，所述的全光路低温系统光学补偿装置，所述补偿装置设置在低温全光路系统与探测器组件组成的系统前端。
优选地，所述的全光路低温系统光学补偿装置，所述补偿透镜为高次非球面。
优选地，所述的全光路低温系统光学补偿装置，所述补偿透镜为自由曲面。
本申请实施例还提供了一种用于所述的全光路低温系统光学补偿装置的设计方法，包含以下步骤：
S1)根据低温下原始设计通过热分析和光学分析获得常温下探测器组件相对低温全光路系统的位置及在整个探测器组件上的像差数据；
S2)根据所述相差数据调整所述补偿透镜的预设调整参数的光学特征面使得所述全光路系统在所述探测器组件下能够成像；
S3)调整不同视场情况下的补偿透镜的参数，得到全视场下的完善成像光路。
优选地，所述的光学补偿装置的设计方法，所述相差数据包括：常温下该光学系统的光学元件曲率、高次系数、厚度及元件间的间隔数据。
通过补偿装置在常温下对于低温全光路系统的光路补偿后，其实现了全靶面例如，7°光学视场下的完善成像，常温下像面预制位置与低温下工作位置差值为0.233mm系统在降至低温后将自动收缩至低温设计焦面位置。
本发明提供的一种全光路低温系统光学补偿结构，具体具有以下有益效果：
由于采用非球面光学元件的全光路低温系统光学补偿结构，使得低温光学系统在常温下的焦面位置与低温工况下焦面位置一致，并且能够实现全光路的低温光学系统在常温下的大视场全靶面成像，从而实现常温下对低温光学系统的光校。
附图说明
图1是本发明采用补偿装置的全光路低温系统光学补偿装置示意图；
图2是本发明补偿装置的示意图以及；
图3是本发明补偿装置的补偿透镜的设计流程图；
图4为补偿后的相差分布数据示意图；
图5为补偿后的光学传递函数数据图示意图。
附图标记：
1-低温全光路系统；
11-透镜；
12-透镜；
13-透镜；
14-透镜；
2-补偿装置；
21-补偿透镜；
22-支撑板；
221-挖孔；
222-注胶孔槽；
223-辅助支撑架；
3-探测器组件。
具体实施方式
图1是本发明实施例的优选实施方式，包括低温全光路系统1、补偿装置2及探测器组件3。低温全光路系统1用于让光路聚焦于探测器组件3上，探测器组件3为接收器用来接收低温全光路系统1的图像信号。补偿装置2在常温下优选地置于低温全光路系统1和探测器组件3之间。补偿装置2由一块非球面设计补偿透镜21及一块支撑板22组成。其中，补偿透镜21能够补偿低温光学系统在常温状态下的光束质量。支撑板22为铝合金材料，具备替换和复位设计。在常温时，补偿装置2可补偿低温全光路系统1在常温条件下由于热胀冷缩引起的刚体位移和形变导致光学系统的像差。
低温全光路系统1由多组镜片或者反射镜组成，本实施例优选为长波低温光学系统，工作波长为8um～12.5um，由四块透镜构成。透镜11至透镜14参数见下表1：
表1光学系统参数(单位：毫米)
| 表面半径 | 厚度 | 材料 | conic | |
| 透镜11 | 416.660 | 25.906 | 锗(Ge) | |
| 607.918 | ||||
| 透镜12 | 960.675 | 24.360 | 硒化锌(Znse) | |
| 771.049 | ||||
| 透镜13 | 687.578 | 14.796 | 锗(Ge) | |
| 496.212 | ||||
| 透镜14 | 136.765 | 13.130 | 锗(Ge) | -12.639 |
| 138.862 | -15.009 |
补偿装置2的补偿透镜21是一块非球面镜片采用旋转对称或非对旋转对称的高次面，本实施例优选的是非球面镜片采用旋转对称的高次面。具有预设调整参数的光学特征面，用以消除低温全光路系统1在常温下的像差。补偿透镜21的参数见下表2：
表2补偿透镜参数(单位：毫米)
补偿透镜21的第一表面半径R为544.512毫米，第二表面半径R为540.783毫米，第一表面半径R的第一表面二次项系数K是14.94903，第二表面半径R的第二表面二次项系数K是14.58822，材料为锗(Ge)。其中a1、a2、a3、a4和a5是多项式系数。
补偿透镜21能够补偿在常温下因为间距、折射率等参数与低温下有差异导致常温光路不可完善成像的问题，面型描述的计算公式定义为：
其中，c为曲率半径；
r为光学表面的圆半径；
k为二次项系数；
a1、a2、a3、a4及a5为多项式系数。
补偿透镜21可使低温全光路系统1在常温下特定的工作距离能够成像，并且可以保证光学系统在低温下与常温光路校正时成像距离一致且同时解决全视场的像质优于离焦和大像差导致的下降问题。
如图2所示，支撑板22为圆形铝合金结构，中间有挖孔221，挖孔221的大小与补偿透镜21的大小相对应。补偿透镜21固定于挖孔221中，本实施例优选补偿透镜21通过粘接剂与挖孔221连接。支撑板22的挖孔周围还设置有注胶孔槽222。注胶孔槽222可以对粘接剂进行导流并增加粘合的均匀性与牢固程度。
支撑板22的外径上还设置有至少两个辅助支撑架223，本实施例设置三个辅助支撑架223。辅助支撑架223可让补偿装置2的结构更加稳定。
在常温下矫正光路时，先将低温全光路系统1与探测器组件3按照低温下的离焦位置在光学平台上精确对准，再将补偿装置2按照设计的位置放至低温全光路系统1与探测器组件3之间。
补偿装置2依像差补偿原理对光学系统各个视场进行补偿，在预置的工作间距下弥补了温度与折射率变化带来的系统离焦以及各个视场的波像差偏离，使得全光路的光学系统能在293K条件下以低温像面位置成像。克服了低温全光路系统1在常温下热胀冷缩带来的刚性位移，为后续校准整个低温全光路系统提供了基础。
如图3所示，根据本发明第一实施例的一种全光路低温系统光学补偿装置的补偿透镜的21的设计方法，如图3所示，本发明提出的全光路低温系统光学补偿装置的补偿透镜的设计方法如下：
步骤S1)根据低温下原始设计通过热分析和光学分析获得常温下探测器组件3相对低温全光路系统1的位置及在整个探测器组件3上的像差数据；
步骤S2)根据所述相差数据调整所述补偿透镜21的预设调整参数的光学特征面使得所述全光路系统1在所述探测器组件3下能够成像；
步骤S3)调整不同视场情况下的补偿透镜21的参数，得到全视场下的完善成像光路。
其中，步骤S1)根据低温下原始设计通过热分析和光学分析获得常温下探测器组件3相对低温全光路系统1的位置及在整个探测器组件3上的像差数据。
步骤S1相差数据具体包括如下内容：
通过热分析和光学分析得到常温下该光学系统的光学元件曲率、高次系数、厚度及元件间的间隔数据，计算表达式包括：
pt2＝pt1+pt1·(t2-t1)·TCE；
其中，pt2为t2温度点下的物理量，pt1为t1温度下的物理量，TCE为该材料的热线胀系数，公式中物理量在本例中为透镜的表面半径、透镜的中心厚度、结构安装面之间的距离等。根据计算所得相差结果如表4及表5所示：
表4相差结果
表5透镜14的高次系数
步骤S2)根据所述相差数据调整所述补偿透镜21的预设调整参数的光学特征面使得所述全光路系统1在所述探测器组件3下能够成像。
如图4所示，为补偿后的像差分布数据。其中，本实施例优选所述全光路系统1最后一个光学面到探测器像面距离为30.453±0.05mm，补偿后在该距离下正常成像。步骤S2主要采用建立常温下光学光路模型对光路进行优化。本实施例优选采用商业光学设计软件Zemax，对建立的常温下光路模型进行自动优化。
步骤S3)调整不同视场情况下的补偿透镜21的参数，得到全视场下的完善成像光路。
如图5所示，为补偿后的光学传递函数数据图。在确定像面位置的前提下，以光学传递函数(MTF)为优化目标计算得到补偿后的光路参数，确定其补偿透镜的曲率、厚度及多项式次数等参数。
通过S1步骤的光学实验，表明常温和低温的下的折射率、曲率、间隔等差异导致的像差，通过S2步骤表明补偿透镜21能满足像差修正的要求，通过S3步骤表明补偿透镜21能满足视角及焦距调整的要求。
与该系统相关的其他参数包括：低温全光路系统1的设计工作温度为195K，在低温下低温全光路系统1在10.5um处的透镜材料为锗Ge的折射率为3.956240，硒化锌ZnSe材料的折射率为2.397475。该系统在常温293K下的锗材料的折射率为4.003895，ZnSe材料的折射率为2.403309；锗Ge材料的热膨胀系数为5.7e-6，硒化锌ZnSe材料的热膨胀系数为7.1e-6。低温全光路系统1的结构件材料为钛合金，钛合金热膨胀系数为8.8e-6。
通过补偿装置2在常温下对于低温全光路系统1的光路补偿后，其实现了全靶面例如，7°光学视场下的完善成像，常温下像面预制位置与低温下工作位置差值为0.233mm系统在降至低温后将自动收缩至低温设计焦面位置。
本发明提供的一种全光路低温系统光学补偿结构，具体具有以下有益效果：
由于采用非球面光学元件的全光路低温系统光学补偿结构，使得低温光学系统在常温下的焦面位置与低温工况下焦面位置一致，并且能够实现全光路的低温光学系统在常温下的大视场全靶面成像，从而实现常温下对低温光学系统的光校。
以上所述，仅为本发明较佳实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变。应理解的是，补偿结构2的位置可根据光学系统与探测器组件3的布局可以选在二者之间插入，或补偿结构可以布置于低温光学系统最前端。补偿机构2中光学透镜可以根据实际的像差校正需求，选用不同非球面表达式实现对常温相对低温下的离焦和全像面像差补偿，可以选用的光学特征面有且不限于高次非球面、自由曲面等。
Claims (5)
1.一种全光路低温系统光学补偿装置，包括：
低温全光路系统(1)；
探测器组件(3)，所述探测器组件(3)用于接收信号；
补偿装置(2)，所述补偿装置(2)设置于低温全光路系统(1)与探测器组件(3)之间，所述补偿装置(2)包括：
补偿透镜(21)，所述补偿透镜(21)为非球面结构，用以消除低温全光路系统(1)在常温下的像差，所述补偿透镜(21)包括：
预设调整参数的光学特征面，所述预设调整参数的光学特征面用以消除低温全光路系统(1)在常温下的像差，所述预设调整参数的光学特征面包括：
第一表面半径，为544.512mm；
第二表面半径，为540.783mm；
厚度，为8mm；
第一表面多项式二次项系数，为14.94903；
第二表面多项式二次项系数，为14.58822；
多项式系数；
所述预设调整参数的光学特征面计算表达式为：
其中，c曲率半径；
R为光学表面的圆半径；
k为二次项系数；
a1、a2、a3、a4及a5为多项式系数；
所述全光路低温系统光学补偿装置的设计方法包含以下步骤：
S1)根据低温下原始设计通过热分析和光学分析获得常温下探测器组件(3)相对低温全光路系统(1)的位置及在整个探测器组件(3)上的相差数据；相差数据包括：常温下该全光路系统的光学元件曲率、高次系数、厚度及元件间的间隔数据；
S2)根据所述相差数据调整所述补偿透镜(21)的预设调整参数的光学特征面使得所述全光路系统(1)在所述探测器组件(3)下能够成像；
S3)调整不同视场情况下的补偿透镜(21)的参数，得到全视场下的完善成像光路。
2.根据权利要求1所述的全光路低温系统光学补偿装置，其特征在于，所述补偿装置(2)包括支撑板(22)，所述支撑板(22)包括挖孔(221)，所述挖孔(221)大小与所述补偿透镜(21)相对应，所述补偿透镜(21)安装于挖孔(221)处。
3.根据权利要求2所述的全光路低温系统光学补偿装置，其特征在于，所述挖孔(221)周围设置有注胶孔槽(222)，所述补偿透镜(21)通过粘接剂注入注胶孔槽(222)与所述挖孔(221)连接。
4.根据权利要求1所述的全光路低温系统光学补偿装置，其特征在于，所述补偿透镜(21)为高次非球面。
5.根据权利要求1所述的全光路低温系统光学补偿装置，其特征在于，所述补偿透镜(21)为自由曲面。
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