Теория и расчет оптико-электронных приборов - Якушенков Ю.Г.
ISBN 5-88439-035-1
Скачать (прямая ссылка):
128 Глава 5. Оптическая система оптико-электронного прибора
Таблица 5.6
Характеристики некоторых силикатных и металлических материалов
Материал Плотность, TClf3 Модуль упругости Е, ГПа Коэффициент температурного расширения (средний в интервале температур), а 10', K1 Коэффициент теплопроводности при 20°С, Вт м1 К1 Удельная теплоемкость прн 20°С, Джкг'К1
Ситалл С0-115М 2,44 102 2,5 (+20...+ 120°С) 1,05 755
Плавленный кварц КУ,КВ 2,2 74 5,5 (+20...+200°С) 1,38 742
Легированный плавленный кварц 2,21 69 0,4 (-200...+200°С) 1,30 760
Бериллий 1,86 300 130 (0...+200°С) 155 1780
Алюминий 2,6 70 240 (+20...+200°С) 201 880
Инвар 8,0 145 12 10,9 419
Сталь 7,7 210 106 (0...+ 100°С) 46,1 502
Титан 4,5 118 81 (+20...+200°С) 15,5 471
5.10. Атермализация и ахроматизация оптической системы оптико-электронного прибора путем выбора надлежащих оптических материалов
Для ОЭП, работающих в условиях значительных перепадов температуры окружающей среды и, следовательно, изменений температуры оптических компонентов, очень важно обеспечить стабильность параметров оптической системы. Для ОЭП инфракрасного диапазона это особенно важно, так как большинство прозрачных в этом диапазоне материалов обладают большими температурными коэффициентами показателя преломления ? = dn/dT, нежели обычные оптические стекла, работающие в видимом диапазоне.
Исключение или ослабление влияния изменений температуры T на параметры и характеристики оптической системы («атермализация») может быть достигнуто с помощью механических, электроме-
5 Якушенков ю г
129 Ю.Г. Якушенков. Теория и расчет оптико-электронных приборов
ханических и чисто оптических средств. В первом случае применяется механическое перемещение отдельных компонентов оптической системы при расфокусировке вследствие изменения температуры. Во втором случае с помощью системы датчиков температуры, устанавливаемых, например, вдоль оптической оси, осуществляется управление электромеханическим приводом, компенсирующим расфокусировку. Такие способы успешно применяют в ряде оптических адаптивных систем (см. гл. 12). В третьем случае подбирают надлежащую комбинацию оптических материалов, из которых изготавливают отдельные компоненты оптической системы; при этом для устранения или ослабления расфокусировки подбирают материалы с различными ? и компоненты с разным знаком изменения оптической силы B0=IЦ' или фокусного расстояния f'.
Первые два способа атермализации (механический и электромеханический) более сложны в своей конструктивной реализации по сравнению с третьим (оптическим). Рассмотрим более подробно этот способ, достаточно полно описанный в работе [38].
Пусть R и R' — радиусы передней и задней поверхностей линзы нулевой толщины при какой-то номинальной температуре T0, а а —коэффициент термического (теплового) расширения (KTP) материала, из которого изготовлена линза. Тогда относительное изменение радиуса при изменении температуры на AT равно
AR/R = aAT.
Пусть UltU2HTi3 — показатели преломления материала линзы для средней и граничных длин волн XltX2ViX3B рабочем спектральном диапазоне X2...X3 при температуре T0, а ? определяется для центральной длины волны X1, т.е. для U1. Можно принять, что
An = ? AT.
Если f' — фокусное расстояние тонкой линзы при T0, то D0 = (U1-I)(IIR-IIR).
Дифференцируя выражение для D0 по температуре, получим
dD0/dT = yD0,
где
P
Y = —--а .
п-1
Так как dD0/D0 = -df '/f', то
=-L
у f dT0'
130 Глава 5. Оптическая система оптико-электронного прибора
т.е. у — относительное изменение фокусного расстояния (обычно рассматриваемое при изменении температуры на 1 К).
В большинстве случаев а — положительная и достаточно заметная величина, хотя, например, для кварца а очень мала, а для воды при низких температурах а отрицательна. В то же время ? и у для известных оптических материалов бывают положительными, отрицательными и очень близкими к нулю.
К сожалению, большинство оптических материалов, обладающих хорошим пропусканием в ИК области спектра, имеют довольно большие значения ?, что приводит к высоким у в реальных системах. Если фокусное расстояние f' линзы конструктивно определяется какой-то оправой (корпусом, основанием), составляющей с линзой единую конструкцию, то условием атермализации f' является
Y = -Cton,
где аоп— KTP материала оправы (корпуса, основания).
Оптическая атермализация сложной системы может быть осуществлена подбором двух или более оптических материалов отдельных ее компонентов, взаимно компенсирующих изменения f' всей системы.
Наряду с атермализацией в оптической системе должны быть обеспечены и другие условия. К их числу относятся, в первую очередь, условие сохранения ПОСТОЯННОЙ оптической СИЛЫ всей системы D0o6ai, состоящей из у элементов,
і
HD0i= oO06m' (5.15)
1=1
а также условие ахроматизации
= (5.16)
Ы1 Г і
где Vi = ——— — число Аббе, характеризующее дисперсию мате-
ПХІ2 ~ ПХІЗ
риала г-го элемента; пш, пш, пш — показатели преломления г-го элемента на средней (X1)Vi граничных (Хг, X3) длинах волн рабочего спектрального диапазона.
