廣角長波紅外物鏡環境適應性分析
發布時間：2017-09-01
引言
隨著紅外成像技術在航空航天以及軍事領域中的廣泛應用, 紅外光學系統需要適應不同的惡劣環境, 只有通過環境適應性分析, 才能充分保證可靠性。對于長波紅外物鏡, 其周圍環境溫度的變化引起的離焦效應是設計該物鏡時應該主要考慮的因素之一, 另外, 在光學裝調時也必須充分考慮到系統的抗振性能, 這兩個因素給光學與機械設計者提出了較高的要求, 必須設計高性能的光學系統才能適應惡劣的環境。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, 溫度變化對紅外光學系統性能的影響非常嚴重[1]。在很大溫度范圍內使任何紅外光學系統都保持良好的聚焦, 這項技術稱為透鏡無熱設計[2], 在光學設計時, 使用該技術保證物鏡的溫度適應性能, 要分析溫度效應的3 個因素:光學元件的折射率、曲率半徑和中心厚度以及光學元件之間的空氣間隔,并了解這3 個因素與溫度變化之間的關系, 還要在設計過程中使用機械主動式無熱技術, 以補償溫度變化對光機結構所產生的影響[3]。這是一個需要專門研究的新的領域[4- 8]。文中在不做特殊消熱處理的情況下, 對所設計的特殊光學參數的物鏡進行環境適用性能分析。
1 物鏡設計
針對衛星姿態控制中所使用的紅外光學系統, 根據光電系統整體的需求, 該系統要求光學系統的視場角為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, 對此物鏡光學系統進行優化設計, 得到如圖1 所示的光學系統, 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、探測器的像平面。
2 溫度適用性分析
2.1 溫度變化對焦點位置的影響
透鏡的焦點位置受溫度的影響, 首先考慮薄透鏡的聚光能力K 為[9]:式中: n1 是在溫度T1 時材料的折射率; C1 、C2 分別是透鏡兩面的曲率。假設溫度T1#T1 +"t 時, 透鏡的新的折射率:
如果要保證鏡頭的像質, 需要滿足馬歇爾誤差準則[9], 此誤差準則使用基于Strehl Intensity Ratio 的衍射極限標準化強度大于0.8, 等效于波相差小于#2 /180,此時的像質滿足衍射受限。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 溫度適用范圍計算與仿真結果
作為廣角長波紅外物鏡, 其參數見表1。把所有參數都帶入公式(8), 取n=4, 得%t=29.3°, 實際設計仿真值T=t+%t, %t=30°
圖2~圖4 分別為T=15°, 0°, 30°時的MTF。
由此可見, 在空間環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, 比如機械主動消熱設計等, 便可保證長波紅外光學系統可以接受的成像質量。成像試驗結果驗證了溫度在!t=±15°范圍內變化, 成像質量均良好。
3 抗振性能分析
裝配對產品的技術性能可產生直接影響。現代光學裝配工藝只有通過高速發展的調校式裝配,才能使達到物理極限的設計結構實體獲得內在的質量。在組合透鏡并將其膠合成同心光學系統時,必須滿足兩項重要的條件: (1) 所有光學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) 透鏡和透鏡組應在軸向按規定的頂點距離排放。
此長波紅外物鏡采用Alfa " 裝配法, 該方法是Rodenstock 在聯邦技術研究部的支持下研究出來的, 其原理是用光學調校儀對透鏡進行精確定位, 然后用彈性時效塑膠材料填充予定的環形間隙來固定透鏡。該裝配方法具有良好的圖像穩定性和旋轉對稱性; 在溫差較大的區域內被固定透鏡無應力和形變。
用此方法可滿足有特殊要求的光學系統裝配, 如軍事應用領域和空間技術環境。它可以解決常規裝調方法的常見問題,比如常規光學裝調中,光機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,因而對裝配結果產生一定影響。另外,在固定透鏡時,其夾持力可能導致光學零件工作面的畸變,或引起光學材料產生應力雙折射。這兩種現象都會影響到鏡頭的成像性能。另外, 還要求由外裝入鏡筒的機械鏡座具有穩定性。如嵌入透鏡后鏡座不穩定,會使圖像不穩定,產生光學像差,將明顯降低成像質量。最后,還應注意整個鏡頭系統結構中,各種不同材料的熱膨脹系數的影響。
實際結果驗證了此處所采用的Alfa " 裝配法的優良性能,突出表現在系統的抗振性能和優良的成像質量與上述計算和分析結果一致。圖5(a)、(b)分別為振動前后的結果。經過此量級振動后成像良好, 能夠滿足空間使用的要求。
4 結論
在惡劣環境條件下所使用的紅外物鏡首先要通過環境適應性分析, 才具有充分的可靠性。環境溫度的變化引起的離焦效應, 以及系統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, 對所設計的特殊光學參數的物鏡進行環境適用性能分析。通過理論計算長波紅外物鏡的溫度適用范圍, 光學設計結果仿真驗證了在該溫度范圍內物鏡的成像質量, 實際光學裝調考慮到光學物鏡抗振性能, 并對光學系統的抗振性能進行了試驗, 結果驗證了長波紅外物鏡的環境適用性。
摘自：中國計量測控網
