红外导引头成像系统无热化设计及试验验证

红外导引头成像系统无热化设计及试验验证

第3 0卷第 3期

四川兵工学报

2 0 0 9年 3月

红外导引头成像系统无热化设计及试验验证黄秋，陈亦庆，高志峰，翟学锋，宋波(西南技术物理研究所，成都 6 1 0 0 4 1 )

摘要：介绍了光学被动无热设计原理，将其应用于 3~ 5 m红外导引头成像系统设计，完成光学系统与红外焦平

面探测器组装，进行高低温环境试验测试，试验验证了无热化设计效果；提出了在实验室条件下，高低温测试系统的构成和测试方法，具有操作简便、直观、可信度高等特点 .设计及试验结果表明，该红外成像系统结构紧凑，在宽温度范围内有很好的成像质量 . 关键词：无热设计；光学设计；红外成像系统；测试中图分类号： T N 2 1 6 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 6— 0 7 0 7 ( 2 0 0 9 ) 0 3—0 0 7 8— 0 3 无热技术一 7 3,在光学设计阶段，根据系统的工作温度范

红外成像制导技术是当今精确制导技术的重点，已广

泛应用于空地、地地、地空各型制导武器中，成像性能直接影响全系统的精度和效率… .由于军用装备严酷的使用环境，要求光学系统承受非常大的环境温度变化，典型的工作温度范围地面装备为一4 o℃一+6 o℃,空军装备为一

围要求，利用光学材料所固有的热特性之间的差异，通过不同材料的合理组合来消除温度的影响，不需增加额外的体积和成本，尤其适用于对体积和重量要求严格的红外成像导引头系统 .

4 5℃~+ 6 o℃ .由于光学、机械材料的热特性和折射率

温度特性等各种因素的影响，在光学系统中普遍存在热效应问题，温度的升降会导致光学系统特性参数如焦距、像面的漂移，成像质量下降甚至不能正常工作_ 2 J .这种光学系统的热不稳定性在红外系统中尤其严重，这主要是由于

1光学无热设计原理光学无热设计是在光学设计阶段实现，将热变化作为一

种像差，在系统优化过程中同几何像差一起进行校正 .

常用红外材料的折射率温度系数比一般光学材料高得多， 温度变化

引起光学性能变化数值上更大 .因此，红外光学系统的设计必须考虑温度变化对光学质量带来的影响，使

也可以将红外光学系统无热化设计过程等效为设计一个广义变焦距镜头的过程，即把温度变化看成是变焦距镜头

光学系统成像性能在宽范围内( 1 0 0 o C)保持稳定，即无热化设计( a t h e r m a l i z a t i o n o f o p t i c a l s y s t e m)[ 3 1 .

中的变倍组从一个位置移向另一个位置的过程，把一系列消除热效应的手段看成是变焦距镜头的补偿组进行补偿

红外光机系统作为一个整体，在无热化设计时应从光学和机械结构 2个方面考虑 .传统的无热设计主要采用被动机械式和主动机电式热补偿技术_ 4 J,已在某些红外光学

的过程 .一般而言，对某一定焦光学系统，要实现光学无热设计，组成的光学系统应同时满足系统焦距、消热差和消色差 3个要求，即应满足总光焦度、消热差、消色差 3个方程，要方程有解，一般需要 3种不同材料，设材料的光焦度分别为， , c,有

系统中有所应用 .但是机械式或机电式热补偿法，主要是补偿像面位移，系统的焦距和热像差变化很难给予校正； 而且，要加入补偿机构，不可避免地使系统复杂化，增加系统体积重量，且还带运动件、电路模块，需要供电，可靠性

1 )总光焦度要求^+ 日十 c= 1 ( 1 )

会降低 .导引头成像系统受空间限制，对红外光学系统体积重量要求严格，不允许增加额外的补偿元件 .因此，必须考虑采用既简单、有效，又不额外增加体积和重量的热补偿方法，来消除温度变化对成像特性参数的影响 .为了解决这一问题，在2 0世纪 9 0年代后期，国外提出光学被动式即

2 )消热差要求

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3 )消色差要求

收稿日期： 2 0 0 8一l 1— 2 7 作者简介：黄秋 ( 1 9 7 0一),女，重庆人，博士研究生，高级工程师，主要从事军用光学工程及制导技术研究

红外导引头成像系统无热化设计及试验验证

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其中： 7为玻璃的热光常数； v为阿贝数 . 理论上说只要能找到合适的材料，就可以实现无热化.但在红外波段，可选择的材料非常有限 .

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2设计实例下面我们通过一个实例介绍光学无热设计方法在红外成像系统设计中的应用 .系统设计参数：工作波段 3~5/ . t m;视场 2= 7 . 5。;焦距 9 0 m m;相对孔径 F 2 .o■… s

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为了满足系统轻量小型的要求，采用一次成像技术， 光学结构为 3片物镜，与整流罩一起组成红外成像系统，光学系统图见图 1 .物镜透镜材料选取中波常用的红外晶体硅、锗和硒化锌，其透过率高，制造工艺成熟 .在设计中同时考虑镜筒的热胀冷缩，选用膨胀系数较低的钢材料，机0.

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图 1光学系统腑

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图 3几个典型温度下的光学传函

3高低温试验验证为了验证该红外成像系统在要求的工作温度范围内

无热化效果，我们进行了高低温试验测试，测试装置组成见图 4,主要由目标模拟器、红外准直光学系统、窗口和环图 2红外成像系统结构

境试验箱等组成 .实物布置见图 5 . 红外目标模拟器为电阻阵列型图像发生器，位于红外准直光学系统的焦面上，产生红外辐射模拟无穷远目标 .

经计算，温度变化在一4 5℃~+6 o℃条件下，光学系统像面的漂移只有 4 - 0 . 0 2 5 m m,变化在 1/ 4波长焦深内，系

统在几个典型温度下的光学传函如图 3所示，在全温度范围内均接近衍射限 .

透红外窗口是利用环境试验箱侧壁的窗口改造而成，为避免低温结霜，采用透红外的中空双层硫化锌平板，中间抽真空.

由于红外成像系统固有的一些特性，在设计中还注意无渐晕设计和消冷反射设计，实现 1 0 0%冷屏匹配，以保证在大温度范围有均匀清晰的成像质量 .该物镜系统经装调

测试时 …… 此处隐藏：3216字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……