长波红外光学系统无热化检测仪的光学系统设计

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1、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章绪论1.1课题研究的背景和意义随着红外成像导引技术越来越快速的发展，对其导引头的测试与实验技术发展的需求也更加迫切。可以说二者之间的发展是相互影响，相互制约的。为此世界各个国家包括我国，对此投入了大量的人才和资金，以便使导弹能够适应未来战争的需要。鉴于近些年来，红外成像导引头开始引入焦平面技术、长波红外技术、智能化处理技术以及应用空域的不断扩展等，并且采用这些技术的导弹渐渐成为主流，使得红外导引头测试与实验技术走上新的台阶。在实际的军事应用中，导引头光学系统成像质量和能量分布对提高红外导引头对目标的搜索、识别、捕获、跟

2、踪能力及增加制导精度等方面起着至关重要的作用。因此，导引头光学系统在设计、生产过程中要进行严格测量及控制，研制相应有效的检测仪器，对其进行成像质量检测，以保证质量[1,2]。由于导弹技术的进步，先进导弹的飞行速度越来越高，要求其能正常工作的条件也越来越恶劣。通常导弹要求正常工作的温度范围较宽。当导弹随飞机高速飞行时，由于环境因素和气动加热产生的热效应使光学材料的折射率、厚度等都发生了变化。光学系统的面形及光学元件之间的间隔也会发生变化，这些变化都会影响焦距的变化，进而影响光学系统的成像质量，导致探测系统输出信号质量下降，因此，从20世纪80年代以来，光学

3、系统无热化技术在导引头光学系统设计上得到了广泛的应用。无热化设计，即通过一定的补偿技术，使光学系统在一个较大的温度范围内保持焦距不变或变化很小，从而保证光学系统在该温度范围内都有较好的像质。因为温度变化对光学系统的直接影响就是使系统产生焦移，从而使成像质量变差[3]。目前从无热化的实现方式来说，无热化技术分机械式、机电式和光学式三类[4]～[9]；从人为因素介入程度来说，无热化技术可分为“主动式”、“被动 式”和“混合式补偿方法”三类[10]～[12]。1、主动式补偿由组合光学系统的理论可知，改变光学系统中某一镜组的轴向位置，可 以改变系统的像面位置，主

4、动式补偿即通过这一原理补偿像面离焦。为保证 系统的密封性，调节镜组一般选择在镜筒内部。调节的方式有手动和电动。-1-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文一般情况下，为提高调节灵敏度和保持系统光轴的稳定，这种方式需要精密、复杂的机械传动机构。2、被动式补偿根据补偿的机理，被动式补偿又可分为机械被动式、机电被动式和光学被动式。机械和机电被动式的补偿原理类似于变焦距光学系统，即通过改变光学系统中某一镜组的轴向位置补偿像面离焦，以保持像面的稳定，只是改变镜组的方式不是人工调节，而是利用某些特殊性能的材料或机构实现自动调节。(1)机械被动式补偿：这种技术的核心是通过使一

5、个或一组透镜产生轴向位移，从而补偿由于温度变化引起的像面位移。这种轴向位移可以通过使用以下方法来获得：a采用高膨胀系数的材料做镜筒的内筒；b内筒由两种不同膨胀系数的材料组成；c采用液压装置的补偿方式；d采用形状记忆合金做温度传感部件；机械被动方式不需要人为操作，简化了系统。采用高膨胀系数材料作为镜筒的补偿方法，结构简单，不增加仪器的尺寸和质量，但是对有些系统难于找到合适的材料与光学系统匹配。采用液压装置以及形状记忆合金的补偿方法，需要复杂的机械传动机构，大大增加了仪器的外形尺寸和复杂程度。(2)机电被动式补偿：采用温度传感器测得环境温度后!将信号传至控制

6、器!控制器根据温度值得到所需的移动量并驱动电机动作，完成温度补偿。(3)光学被动式补偿：这种技术利用光学材料热特性之间的差异，通过合理选择透镜材料、分配光焦度，在保证成像质量的同时，使整个光学系统像面位置随温度的变化量与仪器壳体随温度的变化量一致，这样系统将在设计的温度范围内具有稳定的性能。3、混合式补偿一种方式为在系统设计阶段使系统具有一定的被动补偿能力（机械或光学），对残留的少许像面离焦则用主动方式进行调节。另一种方式是将光学与机械被动方式结合起来，对采用部分光学被动补偿的系统残留的少许像面离焦用机械被动方式进行补偿。这种方式降低了完全采用某种方式补

7、偿的设计难度[13]。目前，国内常用的是“主动式无热化”技术，它是机械式和机电式的结 合，即在光学系统中外加测温反馈系统和机械调焦机构。这种技术会造成系-2-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文统的体积和复杂性变大，重量增加，使系统的可靠性下降。国外先进国家已成功地采用了“被动式无热化”技术，即光学式无热化技术。该技术通过匹配光学材料的dndt、膨胀系数和光学机械材料的膨胀系数，使各影响因素的温度焦移互相抵消、补偿，使光学系统的成像质量在工作环境温度范围内始终保持可以接受的水平。由于红外光学材料的dndt是造成热焦移的主要因素，因此“被动式无热化”技术需采用多

8、种红外光学材料，有时还需要借助特殊结构才能实现[28]。光学补偿方式无论与机械被