广角长波红外物镜环境适应性分析
发布时间：2017-09-01
引言
随着红外成像技术在航空航天以及军事领域中的广泛应用, 红外光学系统需要适应不同的恶劣环境, 只有通过环境适应性分析, 才能充分保证可靠性。对于长波红外物镜, 其周围环境温度的变化引起的离焦效应是设计该物镜时应该主要考虑的因素之一, 另外, 在光学装调时也必须充分考虑到系统的抗振性能, 这两个因素给光学与机械设计者提出了较高的要求, 必须设计高性能的光学系统才能适应恶劣的环境。最为常用的红外材料―――锗单晶, 其折射率温度变化率#n/$t=396×10- 6 ℃, 所以, 温度变化对红外光学系统性能的影响非常严重[1]。在很大温度范围内使任何红外光学系统都保持良好的聚焦, 这项技术称为透镜无热设计[2], 在光学设计时, 使用该技术保证物镜的温度适应性能, 要分析温度效应的3 个因素:光学元件的折射率、曲率半径和中心厚度以及光学元件之间的空气间隔,并了解这3 个因素与温度变化之间的关系, 还要在设计过程中使用机械主动式无热技术, 以补偿温度变化对光机结构所产生的影响[3]。这是一个需要专门研究的新的领域[4- 8]。文中在不做特殊消热处理的情况下, 对所设计的特殊光学参数的物镜进行环境适用性能分析。
1 物镜设计
针对卫星姿态控制中所使用的红外光学系统, 根据光电系统整体的需求, 该系统要求光学系统的视场角为145°, 波长范围为13~16.5 !m, 因此, 可以称之为广角长波红外物镜, 对此物镜光学系统进行优化设计, 得到如图1 所示的光学系统, 图中1、2、3 是3 片透镜, 4、5、6 分别是带通滤光片、焦平面窗口、探测器的像平面。
2 温度适用性分析
2.1 温度变化对焦点位置的影响
透镜的焦点位置受温度的影响, 首先考虑薄透镜的聚光能力K 为[9]:式中: n1 是在温度T1 时材料的折射率; C1 、C2 分别是透镜两面的曲率。假设温度T1#T1 +"t 时, 透镜的新的折射率:
如果要保证镜头的像质, 需要满足马歇尔误差准则[9], 此误差准则使用基于Strehl Intensity Ratio 的衍射极限标准化强度大于0.8, 等效于波相差小于#2 /180,此时的像质满足衍射受限。离焦引起的离焦公差为:"W220 /12≤$2 /180 或者%W20 ≤$/4
式中: "W20 是由于焦距或者出瞳处曲率的改变所引起的波像差的改变。
式中: D 为透镜的通光口径。
2.2 温度适用范围计算与仿真结果
作为广角长波红外物镜, 其参数见表1。把所有参数都带入公式(8), 取n=4, 得%t=29.3°, 实际设计仿真值T=t+%t, %t=30°
图2~图4 分别为T=15°, 0°, 30°时的MTF。
由此可见, 在空间环境中使用温度控制范围大致保持在!t≤±15°, 不需特殊的消热处理, 比如机械主动消热设计等, 便可保证长波红外光学系统可以接受的成像质量。成像试验结果验证了温度在!t=±15°范围内变化, 成像质量均良好。
3 抗振性能分析
装配对产品的技术性能可产生直接影响。现代光学装配工艺只有通过高速发展的调校式装配,才能使达到物理极限的设计结构实体获得内在的质量。在组合透镜并将其胶合成同心光学系统时,必须满足两项重要的条件: (1) 所有光学作用球面的曲率中心和通过球面的光轴都必须在同一直线上。(2) 透镜和透镜组应在轴向按规定的顶点距离排放。
此长波红外物镜采用Alfa " 装配法, 该方法是Rodenstock 在联邦技术研究部的支持下研究出来的, 其原理是用光学调校仪对透镜进行精确定位, 然后用弹性时效塑胶材料填充予定的环形间隙来固定透镜。该装配方法具有良好的图像稳定性和旋转对称性; 在温差较大的区域内被固定透镜无应力和形变。
用此方法可满足有特殊要求的光学系统装配, 如军事应用领域和空间技术环境。它可以解决常规装调方法的常见问题,比如常规光学装调中,光机装配精度只能近似满足参加装配的零件,总存在一定的加工误差,因而对装配结果产生一定影响。另外,在固定透镜时,其夹持力可能导致光学零件工作面的畸变,或引起光学材料产生应力双折射。这两种现象都会影响到镜头的成像性能。另外, 还要求由外装入镜筒的机械镜座具有稳定性。如嵌入透镜后镜座不稳定,会使图像不稳定,产生光学像差,将明显降低成像质量。最后,还应注意整个镜头系统结构中,各种不同材料的热膨胀系数的影响。
实际结果验证了此处所采用的Alfa " 装配法的优良性能,突出表现在系统的抗振性能和优良的成像质量与上述计算和分析结果一致。图5(a)、(b)分别为振动前后的结果。经过此量级振动后成像良好, 能够满足空间使用的要求。
4 结论
在恶劣环境条件下所使用的红外物镜首先要通过环境适应性分析, 才具有充分的可靠性。环境温度的变化引起的离焦效应, 以及系统的抗振性都必须充分考虑。文中在不做特殊消热处理的情况下, 对所设计的特殊光学参数的物镜进行环境适用性能分析。通过理论计算长波红外物镜的温度适用范围, 光学设计结果仿真验证了在该温度范围内物镜的成像质量, 实际光学装调考虑到光学物镜抗振性能, 并对光学系统的抗振性能进行了试验, 结果验证了长波红外物镜的环境适用性。
摘自：中国计量测控网
