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基于被动无热化技术的红外双波段系统

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  • 发布时间:2017-04-05
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在现代军事战争中,具有全天候、高分辨率、打击精度高的军事武器显得越来越重要。单-波段的红外探测器系统获取的信息、探测精度已不能满足现代军事探测和军事打击的要求。而红外双波段系统能同时获取中波红外和长波红外的探测信息,对于提高探测精度、识别能力、打击精度有质的飞跃,应用会越来越广泛。

军用光学系统大都工作在较恶劣的环境温度范围内,红外光学材料的折射率温度系数较大,环境温度变化会造成红外光学系统产生热离焦并导致像质降低。-般被动无热化红外光学系统都是采用衍射元件或谐衍射元件来实现的。但是衍射或谐衍射元件在国内的加工能力,加工精度都有局限性,成本较高。因此本文在被动无热化技术的基础上,仅仅通过材料的合理选择,非球面系数的合理优化,就在中波和长波2个波段实现了系统的被动无热化,而且结构简单,尺寸较小,在成本降低的情况下可靠性还得到了提高嵋 。

1 光学被动式消热差设消热差系统由Ⅳ个单透镜组成,则光学被动消热差系统满足总光焦度、消轴向色差及消热差设收稿 日期 :2012-O9-21作者简介:赵翠玲(1985-),女,助理工程师,主要从事可见光和红外光学系统设计。

增刊 1 赵翠玲 ,等:基于被动无热化技术的红外双波段 系统 ·49·计 3个方程:1)光焦度分配满足Nh 0 0;f2)消色差满足: 0:i1 /Ji3)消热差满足daLL式中:h 为第-近轴光线在各透镜组的高度; 为系统的光焦度; 为各个透镜的光焦度。

由光学系统消色差理论可知,通过不同色散系数材料合理搭配、光焦度适当分配可以实现消色差,同理可以通过光学材料 的、材料膨胀 系数 、透镜面形合理选择、光焦度适当分配,利用系统中透镜热差相互补偿实现系统的被动无热化设计 。

2 红外双波段系统设计在国内外红外双波段光学系统的专利中,红外双波段镜头的结构形式多种多样,但主要有折衍式、反射式、离轴反射式、全折射式 (采用二次成像技术)等,虽然这些光学系统也都采用了被动无热化技术,但这些结构在工程化的实现过程当中都存在- 些自身缺点和技术难题H]。双波段红外镜头难以工程化的原因有 :①折衍式的国内衍射元件加工能力差,费用高;②反射式的结构较大,有遮拦,能量损失较大;③ 离轴反射式 的高度难度非 常大;④二次成像全折射式采用二次成像,系统过于冗长,能量损失较大 。

而本次光学系统设计,克服了以上系统在工程化实现过程中的-些难题,降低了调试难度和成本,甚至比单-波段的红外光学系统的结构都简单。

表 1 光学系统主要参数Tab.1 The main parameter of optical system工作波段/p,m峰值工作波长/p,m焦距/mm视场/(。),数工作温度/中波 :3-5;长波 :8~94.2,8.4486.10×6.102.O- - 45 ~ 。-712.2 设计结果根据指 标要求工作 波段为 3~5 m 和 8~9 m,选取常用红外材料 Ge,ZnS和 ZnSe作为光学系统的材料,镜筒材料用铝 ,其热膨胀系数为23.6 X 10~/C。通过 3种光学材料 和镜筒 材料 的匹配以及非球面的合理使用,在未采用衍射或谐衍射等特殊光学元件的前提下,实现了红外双波段全折射光学系统设计,其光学系统结构图如图 1所示 。

十 图 1 光学 系统 图Fig.1 Layout of optical system整个双波段系统采用 4个镜片,其中第 1面,第 6面和第 7面为非球面。光学系统无渐晕,并且达到 100%冷光阑效率。

2.3 像质评价2.3.1 全温度 范围内MTF分析传递函数系统在中波下 20C,-45℃和 71℃的 MTF如图 2~图4所示。系统在长波下 20C、- 45℃和71℃的 MTF如图 5~图7所示,截止频率为 16 lp/mm。从图中可以看出,在全温度范围内,系统的 MTF曲线均大于0.5并接近衍射极限,满足使用要求。

图 2 中波20C MTFFig.2 The MTF 2O℃ in mid-wave增刊 1 赵翠玲,等:基于被动无热化技术的红外双波段系统 ·51·2)长波焦深Al ≤±2A(f/#) ±2×8 400 nm(2) ±67.2 m。

对于不同波段设计系统的像面位移随温度变化关系以及不 同温度 (-40(2~70C)2个波段间的像面位移如表 2所示。从表 2的数据可以看出,对于2个波段在不同温度下设计系统的像面位移以及不同温度 (-40C~70℃)2个波段间的像面位移都 很小,都控 制在 10 m 以 内,满足 焦深要求。

表 2 焦移量Tab.2 The focus change of optical system温度/C 20 -2O -40 40 70中波焦移//.Lm O 6.7 10 3.5 8.8长波焦移/Ixm O.1 6.8 lO 3.3 8.63 结 语本文在分析现有可用的红外光学材料特性及红外宽波段光学系统设计特点的基础上,利用现在常见的红外材料实现了折射式、完全共光路红外双波段成像系统的设计,较好地解决了宽波段系统的色差校正问题。通过分析在 2个波段、不同温度下的MTF曲线,发现在 -40C~70C的温度范围内对于整个视场 2个波段的调制传递函数接近衍射极限,对应空间频率 16 lp/mm,都在 0.5以上;通过分析设计系统不同波段、不同温度的像面位移数据,发现在 -40cI~70℃的温度范围内不同波段的像面位移以及 2个波段间的像面位移都很小,可控制在微米量级,说明设计系统具有非常好的消色差、消热差能力以及 良好的成像质量和高的分辨率,并且公差分配后的 MTF也满足工程化要求。全折射系统可降低光学系统的加工和装配难度,提高系统的环境适应性,

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