一种用于超音速制导的折射式红外光学系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种用于超音速制导的折射式红外光学系统，该系统由整流罩，第一片正光焦度弯月透镜，第二片负光焦度弯月透镜，第三片正光焦度弯月透镜，第四片双凸透镜，第五片负光焦度弯月透镜，第六片正光焦度弯月透镜，杜瓦瓶窗口，滤光片，冷光阑和探测器阵列组成。其特征是利用二次成像将入瞳位置设计在整流罩处，使不同视场的入射光从整流罩的同一位置进入成像系统，于是光学系统在气动环境下不同视场的红外背景干扰是相同的，减轻了气动热辐射效应对像面均匀性的影响。同时，不同视场的入射光经过整流罩表面的湍流混合层是相同的，因此减小了不同视场下由于混合层气体密度梯度的变化导致的图像畸变，提高了成像质量。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种光学系统，更具体地说，它涉及一种用于超音速制导的折射式红外光学系统。
技术介绍
红外光学系统是红外成像制导系统中的重要组成部分，在军事领域中有着广泛的应用。超音速制导的红外光学系统由于其高速飞行的过程中周围会产生很复杂的气流扰动，致使光学系统整流罩与大气发生剧烈的摩擦，整流罩温度升高，存在强烈的红外背景干扰。另外，在气流的扰动下，流场温度、密度的变化等气动光学传输效应会引起目标辐射传播路径上介质折射率的变化和波动，进而导致像面模糊、抖动、畸变、能量损耗和位置漂移等现象，因此会严重影响目标的捕获、目标质心轨道和目标形状，从而降低导引头对目标的探测、跟踪和识别能力，影响末制导精度，严重时可造成导弹制导系统完全失效。对于现有的红外折射一次成像光学系统，由于需要100%的冷光阑效率，通常将探测器的冷光阑设为系统的孔径光阑，这样便会使入瞳位置位于整流罩后，导致不同视场的入射光将沿着整流罩的不同位置进入成像系统中。由于超音速制导的整流罩在气动环境下的温度场分布是不均勻的，于是光学系统不同视场产生的红外背景干扰是不同的，从而造成光学系统成像均勻性严重下降。又因为气动环境下整流罩不同位置的流场折射率分布也是不均勻的，于是导致不同视场下的光线在焦平面上的偏移不同，进而产生畸变和位置漂移，从而影响光学系统的成像质量。
技术实现思路
基于上述技术中存在的一些问题，本技术的目的是提出一种有效减轻气动热辐射和气动光学传输效应，能够用于超音速制导的折射式红外光学系统，该系统的特征在于利用二次成像的方式将光学系统的入瞳位置设计在了整流罩处。本技术是采用以下技术方案实现的物方先由前组透镜群完成一次成像，然后再经后组透镜群、杜瓦瓶窗口、滤光片、 冷光阑完成二次成像于探测器阵列上。透镜组中的镜片可采用不同的红外材料来消除色差，并在适当的透镜表面采用非球面设计，用以减小系统镜片数、优化系统结构，提高成像质量。由于采用了二次成像的方式，可以在保证出瞳与探测器冷光阑匹配的前提下将入瞳位置提前至整流罩处，从而满足系统的100%冷光阑效率。本技术的优点是1、采用了红外折射式二次成像光学系统，使整流罩口径可以做到与入瞳大小相当，进入系统的杂散光少。2、入瞳位置设定在整流罩处，使得不同视场的入射光将从整流罩的同一位置进入成像系统中，于是光学系统在气动环境下不同视场的红外背景干扰是相同的，减轻了气动热辐射效应对像面均勻性的影响。同时，不同视场的入射光经过整流罩表面的湍流混合层是相同的，因此减小了不同视场下由于混合层气体密度梯度的变化导致的图像畸变，提高了成像质量。附图说明图1是本技术折射式红外光学系统的结构示意图；图2是本技术折射式红外光学系统的光学传递函数曲线图；图3是本技术折射式红外光学系统的点列图。图中前组透镜群1整流罩2透镜3透镜4透镜5透镜6透镜7透镜 8杜瓦瓶窗口 9滤光片10冷光阑11探测器阵列12后组透镜群13。具体实施方式以下结合附图与具体实施方式对本技术作进一步详细描述图1中，光学系统物方先由前组透镜群1完成一次成像，然后再经后组透镜群13、 杜瓦瓶窗口 9、滤光片10、冷光阑11完成二次成像于探测器阵列12上。前组透镜群1由整流罩2，正光焦度透镜3和负光焦度透镜4组成，整流罩2采用低成本的氟化镁材料，透镜 3和透镜4采用弯月型透镜，两者均弯向像方。后组透镜群13由四片透镜组成，其中透镜 5为正光焦度弯月型透镜，弯向物方，其作用是使斜光束发生偏折，用以减小光学系统的直径，透镜6为双凸型透镜，透镜7和透镜8为弯向物方的弯月形透镜，其中透镜7为负光焦度透镜，透镜8为正光焦度透镜。透镜3和透镜6采用了非球面，用以减小系统中的像差， 提高成像质量。为了消除色差，透镜组采用了锗和硅两种不同的光学材料，其中透镜3、透镜 5、透镜6和透镜8为硅材料，透镜4和透镜7为锗材料。杜瓦瓶窗口 9为硅材料，滤光片10 为锗材料。由于需要考虑100%的冷光阑效率，以保证探测器阵列具有良好的性能，将探测器的冷光阑11作为系统的孔径光阑。利用光学设计软件保证光学系统的入瞳在整流罩处， 并优化系统参数以保证成像质量，最终得到光学系统的具体设计参数如表1所示。图2中出示了本技术0°视场、4°视场、6°视场、9. 6°视场和20°视场对空间频率为0 16线对/毫米的MTF曲线，所有视场下的MTF均大于0. 72，接近衍射极限。图3中出示了本技术0°视场、4°视场、6°视场、9. 6°视场和20°视场的点列图，弥散斑直径的均方根值最大为11. 352 μ m，满足一般探测器单个像元尺寸面积 301mX30ym 的要求。本系统的技术指标如下工作波段3. 7 4. 8 μ m，视场角20 °，F数2，焦距 33. 5mm，入瞳位置距整流罩0. 016mm，基本与整流罩的位置重合，达到了设计要求。表1光学系统的设计参数权利要求1.一种用于超音速制导的折射式红外光学系统，其特征在于所述的光学系统从物方至像方依次由前组透镜群(1)、后组透镜群(13)、杜瓦瓶窗口(9)、滤光片(10)、冷光阑(11) 和探测器阵列(12)组成。2.根据权利要求1所述的一种用于超音速制导的折射式红外光学系统，其特征是， 所述的前组透镜群(1)包括整流罩O)、正光焦度弯月型透镜C3)和负光焦度弯月型透镜 G)，所述的后组透镜群(1 包括正光焦度弯月型透镜(5)、双凸型透镜(6)、负光焦度弯月型透镜(7)和正光焦度弯月型透镜(8)；正光焦度弯月型透镜C3)和双凸型透镜(6)采用了非球面设计；正光焦度弯月型透镜C3)、正光焦度弯月型透镜( 、双凸型透镜(6)和正光焦度弯月型透镜(8)为硅材料，负光焦度弯月型透镜(4)和负光焦度弯月型透镜(7)为锗材料。专利摘要本技术公开了一种用于超音速制导的折射式红外光学系统，该系统由整流罩，第一片正光焦度弯月透镜，第二片负光焦度弯月透镜，第三片正光焦度弯月透镜，第四片双凸透镜，第五片负光焦度弯月透镜，第六片正光焦度弯月透镜，杜瓦瓶窗口，滤光片，冷光阑和探测器阵列组成。其特征是利用二次成像将入瞳位置设计在整流罩处，使不同视场的入射光从整流罩的同一位置进入成像系统，于是光学系统在气动环境下不同视场的红外背景干扰是相同的，减轻了气动热辐射效应对像面均匀性的影响。同时，不同视场的入射光经过整流罩表面的湍流混合层是相同的，因此减小了不同视场下由于混合层气体密度梯度的变化导致的图像畸变，提高了成像质量。文档编号G02B27/00GK201945744SQ20102053590公开日2011年8月24日 申请日期2010年9月20日 优先权日2010年9月20日专利技术者康为民, 张建隆 申请人:哈尔滨工业大学本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种用于超音速制导的折射式红外光学系统，其特征在于：所述的光学系统从物方至像方依次由前组透镜群（１）、后组透镜群（１３）、杜瓦瓶窗口（９）、滤光片（１０）、冷光阑（１１）和探测器阵列（１２）组成。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：康为民，张建隆，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：实用新型
国别省市：93