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低温光学系统设计须遵循无热效应的设计原则

发布时间: 2022-11-26  点击次数: 96次
    研制低温光学系统合理的途径是在室温下制造、检验合格,而使它在低温下工作时仍能保证其令人满意的成像质量。所以,低温光学系统实际上是一个在很大温度范围内能正常工作,并且维持衍射极限成像的特殊光学系统。低温光学系统设计必须遵循无热效应的设计原则,低温光学系统的构型可以分为全反射式光学系统和折射式光学系统两种类型。
  全反射式低温光学系统能在宽波段内消除色差,获得衍射极限的成像质量,并且全部的光学元件用相同的材料制成,低温制冷后能够在常温下进行光学装调。全反射光学系统的另一个优点是光线不进入光学元件内部,因此能够有效避免材料内部的光学特性在温度变化较大时的检测与控制问题。全反射式光学系统在降温处理过程中的关键是找准系统热致伸缩的基点/基面。为保证反射镜镜面冷却后的面型精度,需要机械设计人员着重设计反射镜与冷板相连接的部位。全反射式光学系统的缺点是通常只能采用离轴形式,因此设备尺寸相对较大,装调困难,故仅适用于结构简单的低温光学系统。
  折射式低温光学系统的优点是尺寸小,结构简单,缺点是不能保证所有材料相同,不同材料(包括光学镜片和镜框的材料)在冷却时热膨胀系数不同,而且不能用传统安装方法来安装透镜,必须采用柔性支撑,这会导致安装难度的增加。低温光学系统冷却后需要使光学装调能够正常进行,并且需要同时满足光学设计公差。对于含有折射元件的低温光学系统,光学设计给出的光学镜片的曲率半径、镜片中心厚度以及元件间隔等参数在加工装调时需换算到室温条件下的参数。换算后的曲率半径和镜片中心厚度值可以由ZEMAX光学设计软件的多重结构功能选项直接得到,而元件间隔只能手动计算,这是因为镜片的移动不是按顺序依次进行的,所以光学设计软件给出的结果往往有偏差,而且系统热致伸缩的基点或基面需要视杜瓦结构和制冷方案等具体情况而定。
  红外低温光学在天文望远镜、红外相机等方面都得到了广泛应用,可以发现光学系统在经过制冷以后,产生的辐射亮度降低了几个数量级,大大降低了系统内部热辐射和探测器背景噪声,有效提高了系统的探测能力以及光学系统信噪比。
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