消热差的红外目标模拟器投影光学系统设计

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

警 鬟红外制导导弹以其探测手段的隐秘性及抗干扰 是收集来 自目标模拟器的红外图像，并将经过准直能力强等优点不断受到人们的重视，随着成像制导 的图像投射到成像导引头处，以便模拟来 自无穷远导弹的不断发展，红外目标模拟器作为测试与评估 处的红外图像。为适应多通道的复杂 目标模拟系收稿日期：2012-05-21作者简介：乔杨(1985-)，女，博士研究生。E-mail：qiaoyangmilier###hotmail.tom徐熙平(1969-)，男，教授，博士生导师。E·mail：xxp###cust.edu.ca432 兵 工 学 报 第34卷统，通常在设计时使投影光学系统的出瞳距尽量长些 ，与导引头的入瞳相匹配，这就对景象生成器件提出了更高的要求，景象生成器件的尺寸越小，设计的难度相对就越高。目前长出瞳距的红外投影光学系统多采用大尺寸的液 晶光 阀作为景象生成器件 ，但由于它的帧速慢，约30～50 Hz，效率低，投射效果并不理想 。

基于数字微镜器件(DMD)的动态红外景象仿真系统以全数字化、高图像质量等优越的性能，在红外成像系统半实物仿真性能测试中得到越来越广泛的关注。DMD 的帧频 可达 230 Hz，分 辨率最 高为1 280像素 ×1 024像素，空间均匀性大于98%，这些性能指标均优于液晶光阀。但是由于 DMD尺寸的限制增加 了投影系统的设计难度 ，目前利用 DMD作为景象生成器件的红外投影系统的出瞳距基本都小于 600 mm.本文提出-种基于 DMD动态红外 目标模拟器的准直光学系统 ，为匹配某导引头的入瞳，设定其 出瞳距 为 1 000 mm.出瞳 口径为 120 mm。

该系统旨在模拟地面 目标，故拟定模拟温度范围为 -40℃ ～300℃.考虑到需要模拟的最低温度为 -40℃，故整个系统需要放置在制冷环境 中，而实际加工装调是在室温 20℃下完成 的。由于红外材料的折射率对温度比较敏感，其折射率温度变化梯度 dn/dt较大，-般为10 数量级 ，比可见光材料普遍高出两个数量级，所以在设计的初期就要考虑光学系统的无热化设计〖虑到投影系统与黑体辐射 源 有 -定 的距 离 ，且 整个 系统 的工 作 温 度 为- 40℃，投影系统在工作时受黑体辐射温度影响不大，由于装调温度为20℃，因此只需在 -40℃ ～20℃范围内考察光学系统的热稳定性即可。

本文设计的光学系统，在保证 1 000 mm长出瞳距的同时，利用正负光焦度与阿贝数和热离焦系数相匹配的方式同时实现了消色差和消热差。

1 红外投影光学系统的技术要求和指标分析由于该红外投影光学系统需要与导引头相匹配，其参数如表 1所示。

为保证导引头可以获得更大的动态范围，拟定投影系统的出瞳距为 1 000 mm.为 了真实模拟导引头接收到的红外嘲，红外投影光学系统的出瞳还要与导引头匹配。故拟定出瞳口径为6120 mm.同时要根据导引头的视嘲探测波段选择投影光学系统的视惩设计波段。分别为2to±2.43。和3～5 Ixm。

根据DMD最大偏转角度为12。，计算投影光学表 1 导引头光学系统参数Tab.1 The optical parameters of the seeker参数 数值入瞳直径/ram视场 2w/(。)工作波段/Ixm仿真温度/℃系统的 F/#F/#舌 2.4. (1)由Dtan∞ 可得 DMD斜边的半高度hF/Dtanw 2.4×120×0.042 4 l2.22 mm. (2)则转换为英制的斜边全高度为 -0.96 inch. (3)即选择 0.95 inch的 DMD即可 。

根据视惩 DMD的尺寸可以计算系统的焦距为厂 12.22 -287. 96 mmtanw tan2 43 . (4) J。

。 。 。 、 /该系统所要模拟的最低温度是 -40℃ ，整个系统需要放置在制冷环境中，制冷温度取 -40 cI.而在装调的时候是在常温下，所以要控制投影光学系统的需要在 -40 cI～20℃消热差，保证成像质量的- 致性。

表2 投影光学系统设计指标Tab.2 The parameters of projection optical system参数 数值出瞳距/mm出瞳直径/ram视场 2to/(。)工作波段/IxmF，饕DMD尺寸/inch焦距/mm工作温度/℃2 光学系统设计光学系统设计过程中，采取反向设计，则技术指标中的出瞳在设计过程中为光学系统的入瞳。由于本光学系统与-般的光学系统不同，入瞳不在第-块透镜处，也不在光学系统内，而在距第-块透镜前1 000 mm处。通常 ，此类光学系统 的边缘视场的主第4期 消热差的红外目标模拟器投影光学系统设计 433光线入射到透镜表面的高度较大，会产生较强的像散、场曲和畸变，并且这些轴外像差会随着出瞳距的增加而增大。因此对于长出瞳距的投影光学系统，除了初级像散、场曲等三级像差，需要校正的高级像差也大大增加 ，系统 的结构也 比较复杂 。如果仅用球面透镜来校正像差，常常需要采用多个透镜组合的复杂结构。但是透镜过多会降低光学系统的透过率。因此采用非球面可以很好地消除像差，同时简化光学系统的结构，进而保证了系统的透过率。

由于大多数红外光学材料的折射率温度变化梯度 dn/dt比较大 ，红外光学系统的热效应更加 明显。

为了在全工作温度范围内均获得满意的像质，光学系统通常需要利用无热化技术对其进行消热差。为了便于比较，举例来说 BK7玻璃有的 dn/dt为 3.6 X10～/C，而锗是 0.000 396/% ，这是 BK7的 110倍以上 。

单透镜光学系统透镜 的热离焦可 以用(5)式表示 ： -fAtT，T dn/ dt- L ， (5)式中： 为焦距 的变化量 ；，为透镜焦距 ；At为温度的变化量；T为热离焦系数；n为透镜 的折射率；ot。.为透镜 的热膨胀系数。

假设镜筒的长度等于透镜的焦距。则单透镜镜筒 的热离焦量 可以用如下公式表示为af.fAtcH， (6)式中 为镜筒的长度； 为镜筒的热膨胀系数。本镜筒采用铝合金材料，其热膨胀系数 Ot 23.6×10-。。

针对此单透镜光学系统 ，为达到消热差的 目的 ，须满足(7)式af△.厂H-△ fhta -(-fAtT)fat( H )0. (7)对于中波红外光学材料参数如表3所示。

表3 中波红外光学材料参数Tab.3 The parameters of midwave infrared optical materials由(7)式及表 3可知，单透镜很难通过使光学材料的热离焦系数与镜筒材料的热膨胀系数相匹配的方法来消热差。必须通过不同材料的多个透镜进行光焦度分配来消热差。由多个薄透镜密接组成的透镜组 ，要想 同时满足 消色差 和消热差 ，须满足(8)式 ～(10)式J . ， (8)，∑ (T 咖 )-OlH ， (9)J ， 、. f l0， (10) -t 1 、 . ，式中： 为透镜的光焦度 ； 为透镜 的阿贝数。

(8)式 ～(10)式仅适用于多个薄透镜密接组成的透镜组。实际透镜组中透镜之间有空气间隔，消色差 和消 热差 的公 式 更加 复 杂。不 过 ，(8)式 ～(10)式可以指导光学设计过程 中红外材料 的选择。

从(8)式 ～(10)式可 以看出 ，为 了通过正负光焦度组合的方法来消热差 ，正光焦度的透镜 ，宜选用热离焦系数较低的光学材料 ；负光焦度的透镜 ，宜选用热离焦系数较高的材料。为了达到消色差的目的，正光焦度的透镜，宜选用阿贝数较高的光学材料；负光焦度的透镜 ，宜选用 阿贝数较低 的材料。根据 以上分析并结合表 3，可以发现 si和 AMTIR1在中波红外波段的阿贝数 较高，适合用于正光焦度的透镜来消 色 差 。但 是 在 消 热 差 方 面 ，相 同正 光 焦 度AMTIR1透镜 比 Si透镜引起 的热离焦更小 ，这是 因为硫系玻璃 AMTIR1的热离焦系数 更校此外AMTIR1还具有 两个 明显优 势 ：1)在 3～12 m波段 AMTIR1折射率较高，作为正光焦度透镜，可以减少高阶像差；2)AMTIR1可采用精密模压技术进行制备 ，批量生产 的成本低 。

光学透镜的后面，需要两个棱镜组成全反射棱镜组将黑体发出的辐射照到 DMD上进行图像调制。作为景象生成器件的 DMD通过把黑体辐射的红外光反射回投影光学系统，进而产生红外图像。

由于在会聚光路中平行平板也会产生像差，所以在光学系统设计过程中也要校正全反射棱镜所产生的像差量。

针对 DMD投影光学系统，要保证系统各视场的主光线与光轴平行，所以本系统在设计过程中应满足像方远心光路。同时在优化过程中，需要全面分析系统像差的校正情况，利用光学设计软件 Zem-ax 对其进行优化。设计结果如图 1所示。

由图2可以看出，本光学系统满足像方远心光 嚣 萎毫 ： 。 兰 詈的 乍相 专暮 靠 好地 4所示。 光学系统设计结果的透镜爹戳 衣3 设计结果分析 露 ：Ge。 m 3.9 xl0-5.007 382 65 透镜s AMT R 。 ： ：：z。

x 。-5透镜4 Ge -。·0n2O 5。。 .O XI.U， 2.6 x10-5Z nS 。02 .0 x2 0 1.1 1o-堡垦 --- 二--- 主 而 3粪 表面，透镜 的后表面，透镜 4的Bu衣 ” 。

项0 - 7.507 x10-to透 ： 二 -1.8810-s透镜 竺旦 -6.016 x10。 4的前枣塑- - 二----- 6次项系数.399 x10-1.811 x10本系统中的非球面次数最高为 6次，且系数不大 十结 口表6所示。 光学系统设计 果，如 肌表6 光学系统设计结果塑------ ---入瞳直径/ 288.466 6有效焦距/ 2.403 889，祷1 nnn堕里塑 ----------------- 由表6可知，该系统基本满足设计指标的要求。

OO呈椰 光-第 4期 消热差的红外 目标模拟器投影光学系统设计 435头的各结构参数在不同温度下的变化。并计算出相应温度下的光学系统的调制传递函数(MTF)值.为考查系统的消热差效果，查看不同温度下的 MTF值，如图2所示。

本系统在 -40℃ ～20℃时，MTF值在 16 lp/mm处均优于0.4，成像质量良好。

为全面分析光学系统的设计结果，按视城设定了 10个视场，如表 8所示〖察每个视场下的弥散斑均方根半径 r ，如图 3所示 。

由图 3可以看 出，各视场的弥散斑均小于 DMD微反射镜的尺寸 25 m，保证了系统的分辨率。满足系统的使用要求。

表7 不同温度不同视场下MTF值(16 lp/mm)Tab.7 MTFs of diferent fields at differenttemperatures(1 6 lp/mm)由图 5可以看出，本系统的畸变小于 1% ，满足成像要求。

分析光学系统的热稳定性，考察在 -40℃ -20℃时热离焦量，如表 9所示。

表 8 10个视场分布Tab.8 Ten fields of view(h)rRMs19.287 m a)rRMs-16.170 Ixm (g)rRMs19.178 trm图 3 10个视场下的弥散斑Fig.3 RMSs often fields of view畸变/%图4 光学系统畸变曲线Fig.4 Distortion of the optical system表 9 不 同温度下的像面离焦量Tab.9 Defoeusing of the image plane at differenttemperatures温度/℃ 离焦量/ m- 40- 20O203521160按照光学系统像差的瑞利判据”的标准，在- 40 cI～20℃温度范围内，最大波像差应小于 1/4波长。根据波像差和焦深的关系式：A≤A/2n u 436 兵 工 学 报 第34卷2A(F) ，系统焦深 为 50 txm，本系统最大离焦量 为35 m(-4O cC时)，小于系统焦深，达到消热差 目的。

4 结论目前以DMD作为景象生成器件的投影光学系统，其出瞳距大多小于 600 mm.本文创新性地设计了-个基于 DMD的中波红外投 影光学 系统 ，出瞳距可达 1 000 mm，出瞳 口径为 4，120 mm.利用正负光焦度与阿贝数和热离焦系数相匹配的方式，通过引用非球面技术，仅使用4片透镜，在保证了高透过率的同时实现消色差和消热差。本文对投影光学系统做了热稳定分析，系统在 -40 qC-20℃的范围内的最大离焦量小 于光学系统 的焦深。并 且分析表明，系统各视 场 MTF在 -40℃ ～20℃的范 围 内，16lp/mm处均优于 0.4，说明本系统在 -40℃ ～20℃时热稳定性良好。该光学系统结构紧凑，并提升了红外动态模拟器在各温度场下对复杂目标模拟的可靠性。长出瞳距，大出瞳口径投影光学系统的研究，增加了导引头的动态范围，为导引头的调试与评估提供了保障。