消热差的红外目标模拟器投影光学系统设计_乔杨

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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 本光学系统与一般的光学系统不同， 入瞳不在第一 块透镜处， 也不在光学系统内， 而在距第一块透镜前 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
Abstract ： Based on digital micro mirror device （ DMD） ，an innovative wellathermalized projection optical system with long exit entrance distance and big exit entrance aperture for infrared target simulator was designed． The exit pupil distance of the system could reach 1 000 mm，the entrance pupil aperture is 120 mm，and the distortion is better than 1% ． In order to simulate a target of － 40 ħ ，the projection optical system needs to work in the cooled environment， thus the optical system needs to be athermalized． The projection optical system uses three kinds of materials and four lenses． In the range of － 40 ħ 20 ħ ，the maximum defocus amount is less than the system ’ s the depth of focus． Analysis shows that this system could work stably at － 40 ħ 20 ħ ，with MTF of all fields being better than 0. 4 at 16 lp / mm． RMS is smaller than the size of micromirror，and the distortion is better than 1% ． The system has a long exit pupil distant，meanwhile it is well athermailized． Key words： optics； digital micro mirror device； athermalization； infrared target simulator 导引头的有效手段亦随之不断更新 。红外投影光学 系统是红外目标模拟器的重要组成部分， 其作用就 是收集来自目标模拟器的红外图像， 并将经过准直 的图像投射到成像导引头处， 以便模拟来自无穷远 处的红外图像。 为适应多通道的复杂目标模拟系
2. 4 ˑ 120 ˑ 0. 042 4 ≈12. 22 mm． 则转换为英制的斜边全高度为 2h 24. 44 H in = = ≈0. 96 inch． 25. 4 25. 4
即选择 0. 95 inch 的 DMD 即可。 根据视场和 DMD 的尺寸可以计算系统的焦距 12. 22 h = ≈287. 96 mm． tanω tan2. 43ʎ （ 4）
导引头光学系统参数
数值 120 ʃ 2. 43 3 － 40 5 300
The optical parameters of the seeker
系统的 F / # F /# = 由 Dtan ω = h f 1 = = 2. 4 ． D 2tan 12ʎ （ 1）
1 可得 DMD 斜边的半高度 F /# h = F / #Dtanω = （ 2） （ 3）
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兵
工
学
报
表1
Tab． 1
参数 入瞳直径 / mm 视场 2 ω / （ ʎ ） 工作波段 / μm 仿真温度 / ħ
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 约 30 50 Hz， 效率低， 投射效果并 由于它的帧速慢， 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 ˑ 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 目前利用 DMD 限制增加了投影系统的设计难度， 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． 本文提出一种基于 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 ħ 300 ħ ． 考虑到需要模拟的最低温度 为 － 40 ħ ， 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 ħ 下完成的。 由于红外 其折射率温度变化 材料的折射率对温度比较敏感， －4 梯度 dn / dt 较大， 一般为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。考虑到投影系统与黑体辐 射 源 有 一 定 的 距 离， 且整个系统的工作温度为 － 40 ħ ， 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 ħ ， 因此只需在 － 40 ħ 范围内考察光学系统的热稳定性即可 。 20 ħ 为
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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 同时简 率。因此采用非球面可以很好地消除像差， 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 d n / dt 比较大， 度 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 ˑ 10 － 6 / ħ ， 而锗是 0. 000 396 / ħ ， 这是 BK7 的 110 倍 ［4 ］ 以上 。 单透镜光学系统透镜的热离焦可以用 （ 5 ） 式 表示： Δf c = － fΔtT，T = dn / dt － αL ， n －1
投影光学系统设计指标
数值 1 000 120 ʃ 2. 43 3 5 2. 4 0. 95 287. 96 － 40 20
The parameters of projection optical system
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 。
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引言
红外制导导弹以其探测手段的隐秘性及抗干扰 能力强等优点不断受到人们的重视， 随着成像制导 导弹的不断发展， 红外目标模拟器作为测试与评估
收稿日期： 2012 － 05 － 21
mail： qiaoyangmilier@ hotmail． com； 作者简介： 乔杨（ 1985 —） ， 女， 博士研究生。Email： xxp@ cust． edu． cn 徐熙平（ 1969 —） ， 男， 教授， 博士生导师。E-
j
∑ i =1
= 0， ( ν )
i
式中： 为透镜的光焦度； ν 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 （ 8） 式 色差和 消 热 差 的 公 式 更 加 复 杂。 不 过， （ 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 宜选用阿贝数较高的光学材料； 负光 光焦度的透镜， 焦度的透镜， 宜选用阿贝数较低的材料。 根据以上 可以发现 Si 和 AMTIR1 在中波红 分析并结合表 3 ， 外波段的阿贝数 ν 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 T 更小。 此外 AMTIR1 还具有两个明显优势： 1 ） 在 3 12 μm 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 ［7 ］ 批量生产的成本低 。 制备， 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 进而产生红外图像。 红外光反射回投影光学系统， 全反射棱镜组在投射光路中相当于一个平行平板 。 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 Zemax［8］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