小视场红外光学系统设计

0. 067 0
- 0. 005615472 0. 032308539
0. 067 0
- 0. 007429982 0. 045764288
0. 067 0
- 0. 020994972 0. 05510644
0. 067 0
0. 030415892 0. 064956797
0. 067
0. 040351871
第220204卷年 1第0 月5 期
文章编号 :100623242 (2004) 0520085203
航 天 控 制 Aerospace Control
小视场红外光学系统设计 3
Oct12004 Vol122 ,No. 5
黄心耕
北京控制工程研究所 , 北京 100080
摘 要 从红外光学系统的视场设计出发 ,分析了浸没透镜的厚度和曲率半径对光学特性的影 响 ,介绍了小视场红外光学系统的设计方法 ,给出了弯月镜和浸没透镜的设计结果 ,试验表明小视 场红外光学系统的设计是成功的 。 主题词 红外光学系统 视场 弯月镜 浸没透镜 中图分类号 : V44 文献标识码 : A
算结果和点列图可知 ,该设计弥散斑较小 ,光能分布 均匀 ,若偏离最佳焦平面 ±011mm 或 ±012mm 时 ,弥 散斑将迅速增大 ,则充分说明该小视场红外光学系 统像差小 、像质好 ,设计指标达到要求 。
图 3 空间光线点列图
4. 4 结构设计 光学系统的结构设计是保证光学设计的主要技
术指标达到设计要求的有效手段 。为提高结构的设 计精度 ,在设计中首先考虑弯月镜和红外探测器在 镜筒中的定位面和基准面的垂直度和同轴度 ,选择 合理的公差配合 ,如弯月镜与镜筒采用Φ26 ( H8/ g7) 常用配合 ,红外探测器与镜筒采用Φ17 ( H7/ f7) 优先 配合 ,保证了光轴和机械轴的一致 ;第二 ,设计了消 杂散光光阑 ,有效防止视场以外的无效光线和光学 系统 ———镜筒内壁的反射光线进入热敏电阻红外探 测器 ;第三 ,设计了调焦垫圈 ,使热敏电阻红外探测 器安装在弯月镜的焦平面上 ,提高安装精度 。该小 视场红外光学系统的结构如图 4 所示 ,它设计合理 , 结构简单 ,安装方便 ,完全满足光学设计要求 。
are researched based on the field design of inf rared optical system . Then the design procedures of inf rared optical system for small field is described . Finally the result of the meniscus and immersion lens design is given. The experiment results show that the design of inf rared optical system for small field is successf ul .
入瞳高 h (mm) 12 10. 2
8. 484 6 3. 6 0
- 3. 6 -6 - 8. 484 - 10. 2 - 12
表 1 光线追迹结果
入射角 u (度)
像高 h′(mm)
0
- 0. 064956797
0. 067 0
- 0. 090464338 - 0. 05510644
0. 067
根据弯月镜和浸没透镜的初始设计参数 ,我们 对不同入射角 u 入射到通光孔径为Φ024mm 的弯月 镜第一面上的不同入射高度 h 的光线进行光路计 算 。通过对子午面反复进行光线追迹及参数调整 , 确定浸没透镜的最佳位置为 d2 = 23015mm ,中心厚 d3 = 61707mm , 得到焦距 f′= 23417093mm , 视场角 2ω= 01067°×2 = 01134°光学系统的光线追迹结果见 表 1 ,其全视场空间光线点列图见图 3 。从光路计
本研究工作目前已经取得较为理想的结果 ,一 些重要的实验结果表明设计方案和硬件选择都是正 确的 。由于时间关系 ,还有一些实验 ,包括单轴气浮 台验证转速过零特性和速度 、力矩控制精度等 ,还没 有完成 ,这些将是我们在下阶段的重要任务 。
1 镜筒 2 保护罩 3 压紧圈 4 垫圈 5 弯月镜 6 光阑 Ⅰ 7 光阑 Ⅱ 8 红外探测器 9 调焦垫圈
10 压紧螺母 11 屏蔽罩 图 4 小视场红外光学系统结构示意图
5 结果与讨论
小视场红外光学系统是在结构严格限制的情况 下 ,以视场角为出发点进行设计的 ,在方案设计中选 用焦距 f′= 22617157mm 进行设计 ,结果视场角超过 较多 ,难以满足技术要求 。
由于光学系统位于空气中 , n0 = 110 ,根据公式 计算得到 :
1 f
=
(n
-
1)
(
1 r1
-
1) r2
+
( n - 1) 2 d1 = 01004224591
n1 r1 r2
所以 ,弯月镜的实际焦距为 f′= 23617093 ,浸没增益
第 22 卷 第 5 期
黄心耕 :小视场红外光学系统设计
高 , a 为 a1 经浸没透镜被缩小后的半高 。 由像高与视场角的关系式可知 a1 = f′·tgω
由此可得 ,浸没增益
G=
a1 a
=
1 a
Biblioteka Baidu
f′·tgω
=
D a
·F·
tgω ,式中
:
F
=
f′。
D
图 2 红外光学系统光路图
在设计中 ,选定弯月镜的焦距 f′,就可算出光 学系统的浸没增益 G 和 F 数 。若考虑焦距取 f′= 200mm ,视场角将大于 0115°,不能满足技术要求 ,所 以选择焦距 f′= 220mm～240mm 来设计小视场红外 光学系统 ,以满足视场角 2ω= 011°～0114°的要求 。
图 1 小视场红外光学系统
在航天技术中红外探测的背景信号很小 ,为减 少能量损失 ,提高光学系统的性能 ,光学系统的物镜 应选择单透镜结构 ,在设计中按最小球差原则来设 计 ;浸没透镜采用超半球结构 ,利用它产生的恒负球 差来抵消物镜所产生的正球差 。由于小视场红外光 学系统的工作波段为 14～16125μm ,所以红外光学 系统选择在这个波段折射率较高且透过性能良好的 高纯锗单晶材料 ,以满足使用小型热敏电阻红外探 测器的要求 。
为了在限制条件下设计出比较理想的小视场红 (下转第 92 页)
·92 ·
航 天 控 制
2004 年
了转速超调很小或无超调 ,且上升时间短 ,即实现了 快速和高精度的速度伺服控制 。
6 结束语
图 6 系统误差响应曲线 (ω= 45r/ s)
由系统误差响应曲线可见 ,基于本控制系统实 现了对动量轮的瞬态与稳态速率控制 。本系统做到
Design of Infrared Optical System for Small Field
Huang Xingeng Beijing Institute of Control Engineering , Beijing 100080
Abstract In this paper , the effect of immersion lens thickness and radius of curvature on optical characteristics
4 小视场红外光学系统的设计
由于小视场红外光学系统是用于对地球模拟器 进行性能标定 ,视场角的大小必将影响标定精度 ,所 以在设计中必须重点考虑 。
对红外光学系统来说 ,热敏电阻是个能量转换 器件 ,从这一点考虑 ,必须把热敏电阻设计在弥散斑
最小的位置上 ,使视场内光线 100 %到达热敏电阻
探测器的敏感面上 ,以接收目标发出的尽可能多的
小视场红外探头的主要技术指标如下 : 视场角 2ω= 0. 1°～0. 14°; 焦距 f′= 200～240mm ; 物镜的外形尺寸 : a. 外径 ≤Φ30mm ; b. 通光孔径 ≤Φ028mm ; 镜筒长 L = 250～270mm ; 工作波段 14～16. 25μm ; 热敏电阻敏感面尺寸 0. 13mm ×0. 13mm ; 采用 r3 = 5. 5mm 的超半球浸没透镜 。
由于总体对结构的限制 ,红外探头的镜筒长度 应 < 270mm ,也因热敏电阻红外探测器研制工艺的 限制 ,热敏电阻敏感面面积不可能太小 ,在设计中优 先考虑采用 0113mm ×0113mm 的方案 ,所以在光学 系统的设计中没有选择余地 ,只能在这些限制条件 下合理考虑视场 、像差及弥散斑大小 ,力争设计出比 较理想的小视场红外光学系统 。
由于焦距是由弯月镜的半径 r1 和 r2 决定的 , 按最小球差公式得到 :
r1 r2
=-
4 + n - 2 n2 ≈ n (1 + 2 n)
2 3
,
式中 : 折射率
n≈
4100137 。
根据 实 际 要 求 , 经 光 路 计 算 , 最 后 选 定 r1 =
240mm , r2 = 360mm , d1 = 2115mm。
·87 ·
G = 412585 。 4. 2 浸没透镜设计
浸没透镜用在会聚光路中 ,它相对于弯月镜的 位置及浸没透镜曲面半径 r3 对光学系统的像差和 结构都有一定的影响 。设计浸没透镜时应使出射角
u′达到最大 ,使探测器敏感面获得最大的均匀辐照 度 ,这样使用超半球浸没透镜可以显著缩小探测器 敏感面的面积 ,提高探测器的信噪比和浸没增益 ,这 对设计小视场红外光学系统尤其重要 。从结构及锗 材料的吸收考虑 ,为减少吸收 ,根据锗的吸收率公 式 ,选取浸没透镜半径 r3 = 515mm 比较合适 。根据 图 2 和超半球浸没透镜的物象共轭关系 ,以视场角 为出发点进行光线追迹 ,调整参数 ,确定最佳位置 。 4. 3 光路计算与点列图
- 0. 080563569
0
- 0. 045764288
0. 067
- 0. 071171335
0
- 0. 032308539
0. 067 0
- 0. 057638185 - 0. 01936338
0. 067
- 0. 044612916
0. 067 0
- 0. 025121738 0. 01936338
光能 。
411 月镜的设计
弯月镜是主光学系统 ,它对性能和结构起主要
作用 , 所以在设计中 从 视 场 角 出 发 , 以 焦 距 f′<
240mm 为原则来考虑最小球差 ,通过光路计算调整
参数 ,得到最佳方案 。
从图 2 的红外光学系统光路图可知 ,B 是通光
孔径为 D = 24mm、焦距为 f′的弯月镜 ; a1 为无穷远 目标在视场角 2ω 的弯月镜焦平面上所成像的半
Subject terms Inf rared optical system Small field Meniscus Immersion lens
1 引 言
2 光学系统的主要技术指标
小视场红外光学系统用于标定“准直式地球模 拟器”的地球张角 ,为提高标定精度 ,小视场红外光 学系统的视场角应愈小愈好 。
在通光孔径和结构大小的限制下 , 视场只有 011°～0114°的小视场红外光学系统与视场为 015°的 一般红外光学系统相比 ,视场角减少 4 倍左右 ,使系 统接收的红外辐射能量较小 ,信噪比降低 ,不利于准 确标定“准直式地球模拟器”的地球张角 。为了提高 小视场红外光学系统的信噪比 ,用 015°视场的红外 光学系统对“准直式地球模拟器”进行标定试验 ,试 验表明 : 在 红 外 光 学 系 统 中 采 用 与 不 采 用 14 ～ 16125μm 的红外带通滤光片对视场的测试结果没有 任何影响 ,所以在小视场红外光学系统的设计中决 定不采用滤光片的方案 ,以提高小视场红外光学系 统的光学效率 ,达到提高信噪比和提高标定精度的 目的 。
3 基金项目 高新工程项目之一 收稿日期 2004 年 2 月 1 日 作者简介 黄心耕 (1942～) ,男 ,高级工程师 ,主要研究方向为空间与红外光学系统 。
·86 ·
航 天 控 制
2004 年
3 方案分析
小视场红外光学系统由物镜 (弯月镜) 、浸没透 镜和热敏电阻红外探测器 、镜筒和光阑等组成 (见图 1) 。