CN107883816A - 一种成像导引头光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种能够满足总体指标要求的成像导引头光学系统，其由整流罩、镜片一、镜片二、镜片三、镜片四及探测器组成，各部分按光线入射顺序同轴设置。鉴于成像导引头的总体要求，本发明采用折射式结构，光学系统各镜片的参数见表1。本设计共采用三个非球面，用以校正各类像差。初始机构设计完成后，通过Zemax软件对该结构进行像差评价并以此判断成像光学系统是否满足设计要求。本发明的优点：高的空间分辨率，满足了成像导引头作用距离远的需要；成像光学系统可以在‑40°C～60°C温度范围内工作，与电子器件的工作温度范围相当；瞬时视场大，保证了导引头不易丢失目标。
Description
技术领域
本发明涉及一种成像导引头光学系统，属于光学设计技术领域。
背景技术
自海湾战争以来，精确制导武器在军事打击行动中的使用量越来越大，而且在未来战争中还有逐渐增大的趋势。红外成像制导技术是利用目标和景物的热辐射成像进行目标识别与跟踪，并引导导弹或制导炸弹(统称制导弹药)准确攻击目标的集光、机、电及信息处理于一体的一项专项技术。因其全天时、 对气象条件要求低等特点，近年来在精确制导领域占据着越来越重要的位置。
红外成像制导武器作战效能的不断提高是以红外成像制导技术的不断发展为基础的。首先，红外成像制导技术的高精度导引信号是其制导精度的重要保证。其次，近年发展起来的自动目标识别、自动目标捕获技术为增大导弹的射程提供了有力的技术保障，这些技术降低了导弹对数据链的要求，解决了导弹射程受数据链限制的问题。再次，相对于可见光成像制导而言，红外成像制导技术具有全天时工作能力。同时，红外成像的穿雾霾能力远远高于可见光成像，这使得红外成像制导武器在复杂气象条件下的作战能力得以大大提高。最后，红外成像导引头的高带宽、高数据率为红外制导武器系统提高其机动能力提供了技术保障。
成像导引头近年来发展非常迅速。它不同于通常所用的光学系统，受战场环境和导引头体积等因素的限制。它对光学成像系统的要求较高，既要有大的瞬时视场又要有高的空间分辨率、光学成像系统噪声等效温差（NETD）小、较宽的温度工作范围、大的动态范围以及较强的环境适应性。然而，目前的红外成像导引头光学系统无法满足上述要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够满足总体指标要求的成像导引头光学系统，解决成像光学系统在具备瞬时视场大的情况下同时兼备高分辨率、较宽的工作温度范围的问题。
为解决以上问题，本发明的具体技术方案如下：一种成像导引头光学系统，由整流罩、镜片一、镜片二、镜片三、镜片四、探测器六部分组成，各部分按光线入射顺序同轴设置，其中整流罩为导引头的光学窗口，在红外长波波段，即波长为8μm～12μm时，选择ZnS为整流罩材料，整流罩两个表面的曲率半径分别为35.97mm、34.04mm，厚度为1.93mm；镜片一选择GE_LONG材料制成，镜片一前后表面的曲率半径分别为28.908mm、31.026mm，厚度为4mm，镜片一的后表面与镜片二的前表面空气间隔为5mm；镜片二选择玻璃材料KRS5制成，镜片二为月凸型透镜，其前、后表面的曲率半径分别为35.657mm、60.92mm，厚度为4mm；镜片三选择玻璃材料ZNSE制成，镜片三为月凹型透镜，镜片三的前、后表面的曲率半径分别为15.431mm、10.515mm，厚度为2.293mm，镜片三前表面与镜片二后表面的空气间隔为8.777mm；镜片四选择玻璃材料AMTIR1制成，镜片四的前、后表面的曲率半径分别为63.15mm、-121.314mm，厚度为3mm，镜片四的前表面与镜片三的后表面空气间隔为10mm，镜片四到探测器光敏面的空气间隔为6mm；探测器采用非制冷型氧化钒，参数为320×240@20μm。
本发明采用折射式结构，其主要优点为无中心遮挡、像质优化潜力大、光学系统安装误差灵敏度低、结构设计简单，具体有益效果如下：
1)通过计算机应用Zemax光学软件对系统进行优化，通过对光学系统光焦度的分配，合理选择镜片数量和结构，对系统像差进行了平衡和校正，保证了光学系统的成像质量，满足了系统的指标要求，系统的MTF值在25lp/mm时接近衍射极限，全视场范围内大于0.5；
2)85%弥散圆能量集中在20μm范围内，能量集中度高，能够满足光学系统分辨率和成像要求；
3)工作波段全视场范围内，场曲小于0.2%，相对畸变小于2%，所以从光学系统的场曲和畸变曲线也可以看出系统成像质量良好；
4)从光学系统的波差图，可以看出PV值约为λ/5，根据瑞利判据我们知道，当实际波面与理想波面的差值为λ/4时，可以认为光学系统可完善成像，所以由此同样可以判断光学系统常温下成像质量良好；
5)成像光学系统在-40°C～60°C温度范围内，MTF值下降幅度很小，数值仍然大于0.5，可以满足不同温度环境下的使用要求；
从以上分析结果可知，该光学系统具有较高的分辨率、高成像质量、宽温度工作范围的特点，能够满足成像系统的使用要求。
附图说明
图1为发明光学系统的结构示意图。
图2为20°C时光学系统的传函曲线图。
图3为光学系统能量分布曲线图。
图4为光学系统场曲和畸变曲线图。
图5为光学系统的波差图。
图6为-40°C时光学系统的传函曲线图。
图7为60°C时光学系统的传函曲线图。
具体实施方式
如图1所示，红外成像光学系统由整流罩1、镜片一2、镜片二3、镜片三4、镜片四5、探测器6组成，各组成部分按光线入射顺序同轴设置。
红外成像光学系统，通光口径为38mm，F#为1，按光线入射顺序同轴设置整流罩1、镜片一2、镜片二3、镜片三4、镜片四5、探测器6，由物体发出的平行光通过整流罩依序透过各个透镜后，成像于探测器6上，光学系统结构参数见表1。
整流罩1位于导弹的最前端，为导引头的光学窗口，是光学系统的重要组成部分，在导弹高速飞行的过程中，整流罩1要承受高的气动加热温度和大的气动压力，因此要求整流罩1具有良好的光、机、热学性能。在红外长波波段，即波长为8μm～12μm时，选择ZnS为整流罩材料，为满足气动要求，整流罩1两个表面的曲率半径分别为35.97mm和34.04mm，厚度为1.93mm；
光线通过整流罩1后，通过透镜将其汇聚并进行像差平衡，最终成像于探测器6上，此时，需采用透镜组合对系统进行消像差设计。像差主要有球差、色差、彗差、像散、场曲和畸变，其中轴外像差占主导，对透镜组进行光焦度分配，并利用Zemax软件对其进行系统优化以达到像质要求。通过优化，确定镜片一2前后表面的曲率半径为28.908mm、31.026mm，厚度为4mm，镜片一2的后表面与镜片二3的前表面空气间隔为5mm；镜片二3为月凸型透镜，前、后表面的曲率半径分别为35.657mm、60.92mm，厚度为4mm，玻璃材料为KRS5；镜片三4采用月凹型透镜，前表面与镜片二3后表面的空气间隔为8.777mm，前、后表面的曲率半径分别为15.431mm、10.515mm，厚度为2.293mm，玻璃材料为ZNSE；镜片四5的前表面与镜片三4的后表面空气间隔为10mm，前、后表面的曲率半径分别为63.15mm、-121.314mm，厚度为3mm，玻璃材料为AMTIR1，镜片四5到探测器光敏面的空气间隔为6mm。
光学系统初始结构设计完成后，针对指标要求进行评价，本发明达到了如下的光学指标：
焦距：f′=38mm；相对口径：F=1；光谱范围：8μm～12μm；视场：最大像面高度为7.68mm；畸变：＜2%；MTF＞0.5（25lp/mm）。
如图2所示，在20℃时，系统全视场的MTF值均大于0.5，成像质量较好。
如图3所示，光学系统能量分布曲线，85%的能量集中在20μm以内，各视场能量集中度较为统一。
如图4所示，光学系统的场曲和畸变均校正的很好，全视场场曲均小于0.2%，畸变均小于2%。
如图5所示，系统PV值为λ/5，瑞利判据要求实际波面与理想波面的差值小于λ/4，本光学系统满足要求，可以认为光学系统可完善成像。
如图6、图7所示，在-40°C～60°C温度范围内，MTF值下降幅度很小，数值仍然大于0.5，可以满足-40°C～60°C环境下的使用要求。
本发明光学系统在进行设计时，包括以下关键步骤：
（1）采用设计软件为Zemax软件，系统输入波长取8μm、10μm和12μm，以10μm作为中心波长；系统半视场取像面高度0、2.4mm、3.39mm和3.84mm，权重均为1；EFFL=38mm，系统F数为1，总长50mm；
（2）对目标探测跟踪时，像点尺寸不小于五个像元，目标线性尺寸为H=7.26m，h=520=100μm，由此可得作用距离约为2.76Km；
（3）所选探测器的像元大小为20μm，为了保证光学系统的分辨率与探测器的分辨率相匹配，所以系统的分辨率为d=1/(2×20)=25lp/mm；
（4）经过优化设计后的系统，当目标成像面在理想成像面前后某一距离内时，仍能清晰成像，像面最大可移动范围我们一般称为焦深，本系统焦深为20μm；
（5）对于成像面在焦深内的目标,当目标前后移动量x时，如果像面的移动量不大于，系统仍可对其清晰成像，相应的目标可移动的量称为景深，可得系统景深为72.2m；
（6）成像光学系统初始结构设计完成后，又对其进行了无热化设计，使其能够在-40°C～60°C温度范围内工作，增强了环境适应性。
表1
。
Claims (1)
1.一种成像导引头光学系统，其特征在于：由整流罩（1）、镜片一（2）、镜片二（3）、镜片三（4）、镜片四（5）、探测器（6）六部分组成，各部分按光线入射顺序同轴设置，其中整流罩为导引头的光学窗口，在红外长波波段，即波长为8μm～12μm时，选择ZnS为整流罩材料，整流罩（1）两个表面的曲率半径分别为35.97mm、34.04mm，厚度为1.93mm；镜片一（2）选择GE_LONG材料制成，镜片一（2）前后表面的曲率半径分别为28.908mm、31.026mm，厚度为4mm，镜片一（2）的后表面与镜片二（3）的前表面空气间隔为5mm；镜片二（3）选择玻璃材料KRS5制成，镜片二（3）为月凸型透镜，其前、后表面的曲率半径分别为35.657mm、60.92mm，厚度为4mm；镜片三（4）选择玻璃材料ZNSE制成，镜片三（4）为月凹型透镜，镜片三（4）的前、后表面的曲率半径分别为15.431mm、10.515mm，厚度为2.293mm，镜片三（4）前表面与镜片二（3）后表面的空气间隔为8.777mm；镜片四（5）选择玻璃材料AMTIR1制成，镜片四（5）的前、后表面的曲率半径分别为63.15mm、-121.314mm，厚度为3mm，镜片四（5）的前表面与镜片三（4）的后表面空气间隔为10mm，镜片四（5）到探测器（6）光敏面的空气间隔为6mm；探测器（6）采用非制冷型氧化钒，参数为320×240@20μm。
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