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廣角長波紅外物鏡環(huán)境適應(yīng)性分析
發(fā)布時(shí)間：2017-09-01
引言
隨著紅外成像技術(shù)在航空航天以及軍事領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用, 紅外光學(xué)系統(tǒng)需要適應(yīng)不同的惡劣環(huán)境, 只有通過環(huán)境適應(yīng)性分析, 才能充分保證可靠性。對(duì)于長波紅外物鏡, 其周圍環(huán)境溫度的變化引起的離焦效應(yīng)是設(shè)計(jì)該物鏡時(shí)應(yīng)該主要考慮的因素之一, 另外, 在光學(xué)裝調(diào)時(shí)也必須充分考慮到系統(tǒng)的抗振性能, 這兩個(gè)因素給光學(xué)與機(jī)械設(shè)計(jì)者提出了較高的要求, 必須設(shè)計(jì)高性能的光學(xué)系統(tǒng)才能適應(yīng)惡劣的環(huán)境。最為常用的紅外材料―――鍺單晶, 其折射率溫度變化率#n/$t=396×10- 6 ℃, 所以, 溫度變化對(duì)紅外光學(xué)系統(tǒng)性能的影響非常嚴(yán)重[1]。在很大溫度范圍內(nèi)使任何紅外光學(xué)系統(tǒng)都保持良好的聚焦, 這項(xiàng)技術(shù)稱為透鏡無熱設(shè)計(jì)[2], 在光學(xué)設(shè)計(jì)時(shí), 使用該技術(shù)保證物鏡的溫度適應(yīng)性能, 要分析溫度效應(yīng)的3 個(gè)因素:光學(xué)元件的折射率、曲率半徑和中心厚度以及光學(xué)元件之間的空氣間隔,并了解這3 個(gè)因素與溫度變化之間的關(guān)系, 還要在設(shè)計(jì)過程中使用機(jī)械主動(dòng)式無熱技術(shù), 以補(bǔ)償溫度變化對(duì)光機(jī)結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的影響[3]。這是一個(gè)需要專門研究的新的領(lǐng)域[4- 8]。文中在不做特殊消熱處理的情況下, 對(duì)所設(shè)計(jì)的特殊光學(xué)參數(shù)的物鏡進(jìn)行環(huán)境適用性能分析。
1 物鏡設(shè)計(jì)
針對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)控制中所使用的紅外光學(xué)系統(tǒng), 根據(jù)光電系統(tǒng)整體的需求, 該系統(tǒng)要求光學(xué)系統(tǒng)的視場角為145°, 波長范圍為13~16.5 !m, 因此, 可以稱之為廣角長波紅外物鏡, 對(duì)此物鏡光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì), 得到如圖1 所示的光學(xué)系統(tǒng), 圖中1、2、3 是3 片透鏡, 4、5、6 分別是帶通濾光片、焦平面窗口、探測(cè)器的像平面。
2 溫度適用性分析
2.1 溫度變化對(duì)焦點(diǎn)位置的影響
透鏡的焦點(diǎn)位置受溫度的影響, 首先考慮薄透鏡的聚光能力K 為[9]:式中: n1 是在溫度T1 時(shí)材料的折射率; C1 、C2 分別是透鏡兩面的曲率。假設(shè)溫度T1#T1 +"t 時(shí), 透鏡的新的折射率:
如果要保證鏡頭的像質(zhì), 需要滿足馬歇爾誤差準(zhǔn)則[9], 此誤差準(zhǔn)則使用基于Strehl Intensity Ratio 的衍射極限標(biāo)準(zhǔn)化強(qiáng)度大于0.8, 等效于波相差小于#2 /180,此時(shí)的像質(zhì)滿足衍射受限。離焦引起的離焦公差為:"W220 /12≤$2 /180 或者%W20 ≤$/4
式中: "W20 是由于焦距或者出瞳處曲率的改變所引起的波像差的改變。
式中: D 為透鏡的通光口徑。
2.2 溫度適用范圍計(jì)算與仿真結(jié)果
作為廣角長波紅外物鏡, 其參數(shù)見表1。把所有參數(shù)都帶入公式(8), 取n=4, 得%t=29.3°, 實(shí)際設(shè)計(jì)仿真值T=t+%t, %t=30°
圖2~圖4 分別為T=15°, 0°, 30°時(shí)的MTF。
由此可見, 在空間環(huán)境中使用溫度控制范圍大致保持在!t≤±15°, 不需特殊的消熱處理, 比如機(jī)械主動(dòng)消熱設(shè)計(jì)等, 便可保證長波紅外光學(xué)系統(tǒng)可以接受的成像質(zhì)量。成像試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了溫度在!t=±15°范圍內(nèi)變化, 成像質(zhì)量均良好。
3 抗振性能分析
裝配對(duì)產(chǎn)品的技術(shù)性能可產(chǎn)生直接影響。現(xiàn)代光學(xué)裝配工藝只有通過高速發(fā)展的調(diào)校式裝配,才能使達(dá)到物理極限的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)實(shí)體獲得內(nèi)在的質(zhì)量。在組合透鏡并將其膠合成同心光學(xué)系統(tǒng)時(shí),必須滿足兩項(xiàng)重要的條件: (1) 所有光學(xué)作用球面的曲率中心和通過球面的光軸都必須在同一直線上。(2) 透鏡和透鏡組應(yīng)在軸向按規(guī)定的頂點(diǎn)距離排放。
此長波紅外物鏡采用Alfa " 裝配法, 該方法是Rodenstock 在聯(lián)邦技術(shù)研究部的支持下研究出來的, 其原理是用光學(xué)調(diào)校儀對(duì)透鏡進(jìn)行精確定位, 然后用彈性時(shí)效塑膠材料填充予定的環(huán)形間隙來固定透鏡。該裝配方法具有良好的圖像穩(wěn)定性和旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性; 在溫差較大的區(qū)域內(nèi)被固定透鏡無應(yīng)力和形變。
用此方法可滿足有特殊要求的光學(xué)系統(tǒng)裝配, 如軍事應(yīng)用領(lǐng)域和空間技術(shù)環(huán)境。它可以解決常規(guī)裝調(diào)方法的常見問題,比如常規(guī)光學(xué)裝調(diào)中,光機(jī)裝配精度只能近似滿足參加裝配的零件,總存在一定的加工誤差,因而對(duì)裝配結(jié)果產(chǎn)生一定影響。另外,在固定透鏡時(shí),其夾持力可能導(dǎo)致光學(xué)零件工作面的畸變,或引起光學(xué)材料產(chǎn)生應(yīng)力雙折射。這兩種現(xiàn)象都會(huì)影響到鏡頭的成像性能。另外, 還要求由外裝入鏡筒的機(jī)械鏡座具有穩(wěn)定性。如嵌入透鏡后鏡座不穩(wěn)定,會(huì)使圖像不穩(wěn)定,產(chǎn)生光學(xué)像差,將明顯降低成像質(zhì)量。最后,還應(yīng)注意整個(gè)鏡頭系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中,各種不同材料的熱膨脹系數(shù)的影響。
實(shí)際結(jié)果驗(yàn)證了此處所采用的Alfa " 裝配法的優(yōu)良性能,突出表現(xiàn)在系統(tǒng)的抗振性能和優(yōu)良的成像質(zhì)量與上述計(jì)算和分析結(jié)果一致。圖5(a)、(b)分別為振動(dòng)前后的結(jié)果。經(jīng)過此量級(jí)振動(dòng)后成像良好, 能夠滿足空間使用的要求。
4 結(jié)論
在惡劣環(huán)境條件下所使用的紅外物鏡首先要通過環(huán)境適應(yīng)性分析, 才具有充分的可靠性。環(huán)境溫度的變化引起的離焦效應(yīng), 以及系統(tǒng)的抗振性都必須充分考慮。文中在不做特殊消熱處理的情況下, 對(duì)所設(shè)計(jì)的特殊光學(xué)參數(shù)的物鏡進(jìn)行環(huán)境適用性能分析。通過理論計(jì)算長波紅外物鏡的溫度適用范圍, 光學(xué)設(shè)計(jì)結(jié)果仿真驗(yàn)證了在該溫度范圍內(nèi)物鏡的成像質(zhì)量, 實(shí)際光學(xué)裝調(diào)考慮到光學(xué)物鏡抗振性能, 并對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的抗振性能進(jìn)行了試驗(yàn), 結(jié)果驗(yàn)證了長波紅外物鏡的環(huán)境適用性。
摘自：中國計(jì)量測(cè)控網(wǎng)
