一種用于紅外目標模擬器的超寬譜段消熱差投影光學(xué)系統(tǒng)的制作方法

本發(fā)明屬于紅外投影光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體地涉及一種用于中長波紅外目標模擬器的超寬譜段消熱差投影光學(xué)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

紅外目標模擬器廣泛應(yīng)用于紅外成像系統(tǒng)測試與半實物仿真試驗中，可為被測紅外成像系統(tǒng)提供紅外輻射場景。對于中長波復(fù)合的紅外成像系統(tǒng)，紅外目標模擬器輸出波段必須同時覆蓋中波與長波。由于中波紅外到長波紅外波段跨度大，光學(xué)系統(tǒng)消色差的難度大。目前已技術(shù)公開的用于紅外目標模擬器的投影光學(xué)系統(tǒng)一般只覆蓋一個波段或者同時覆蓋短波與中波。如:專利CN20344417OU公開了一種波段范圍覆蓋短波紅外和中波紅外的光學(xué)準直系統(tǒng)。專利CN103744183A公開了一種紅外寬波段多干擾復(fù)合光學(xué)系統(tǒng)，覆蓋波段2.2-4.8μm，同樣屬于短波紅外和中波紅外。

為了同時覆蓋兩個波段，需要使用雙色分光鏡對兩套光學(xué)系統(tǒng)進行合束，因此系統(tǒng)比較復(fù)雜，且存在投影像素匹配的問題。此外，投影光學(xué)系統(tǒng)還需適應(yīng)環(huán)境溫度變化，給光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計增加了難度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對中波與長波雙波段投影使用需求，解決目前方案存在的缺點與問題，提出一種用于紅外目標模擬器的超寬譜段消熱差投影系統(tǒng)。

為了實現(xiàn)這一目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：

一種用于紅外目標模擬器的超寬譜段消熱差投影光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括按順序依次設(shè)置的紅外光源、光學(xué)系統(tǒng)、出瞳；

(1)紅外光源為一塊有效尺寸是直徑為100mm的真空靶板，采用聚焦電子束轟擊真空靶板產(chǎn)生像素點，發(fā)光原理類似陰極射線顯像管，工作波段內(nèi)對比度為1000:1以上，像素點的直徑小于200μm；

紅外光源設(shè)置在真空腔體內(nèi)，其產(chǎn)生的紅外圖像透過光學(xué)系統(tǒng)中的玻璃窗口往外輻射；

(2)光學(xué)系統(tǒng)采用卡塞格林反射結(jié)構(gòu)，由4片鏡片組成，按距離紅外光源由近至遠的順序依次為玻璃窗口、雙彎月正透鏡、主反射鏡、次反射鏡；

其中，玻璃窗口采用ZnS平面窗片；

雙彎月正透鏡選用材料Ge，靠近紅外光源的表面為球面，另一表面為非球面；

主反射鏡靠近紅外光源的表面為平面，另一表面為球面；主反射鏡上設(shè)置直徑為100mm的中心遮攔；

次反射鏡的靠近紅外光源的表面為球面，另一表面為平面；

玻璃窗口和紅外光源之間的間隔距離為100mm；

雙彎月正透鏡的靠近紅外光源的表面頂點和玻璃窗口之間的間隔距離為60.02mm；

次反射鏡的靠近紅外光源的表面頂點和雙彎月正透鏡的遠離紅外光源的表面頂點之間的間隔距離為687.56mm；

主反射鏡的遠離紅外光源的表面頂點和次反射鏡的靠近紅外光源的表面頂點之間的間隔距離為550mm；

設(shè)定沿著光學(xué)傳播方向，曲面為凸面的曲率半徑為正，曲面為凹面的曲率半徑為負；

雙彎月正透鏡的靠近紅外光源的表面頂點曲率半徑R31為87.52mm；

雙彎月正透鏡的遠離紅外光源的表面頂點曲率半徑R32為52.34mm；

主反射鏡球面頂點曲率半徑R4為-1810.39mm；

次反射鏡球面頂點曲率半徑R5為-1198.41；

(3)該系統(tǒng)中全視場的角度為2.9°，出瞳口徑為150mm，出瞳距為900mm，出瞳6和主反射鏡4之間的間隔距離為1455mm；

(4)系統(tǒng)具有消熱差功能，適應(yīng)15到35℃的工作環(huán)境，在此溫度區(qū)間內(nèi)，系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF的變化＜10％。

進一步的，如上所述的一種用于紅外目標模擬器的超寬譜段消熱差投影光學(xué)系統(tǒng)，根據(jù)以下公式計算確定雙彎月正透鏡后表面的非球面表面的參數(shù)：

其中，

Z：在光軸方向上距透鏡頂點的距離；

Y：在垂直于光軸的方向上的距離；

C：透鏡頂點上的曲率半徑r的倒數(shù)；

K：二次常數(shù)；

A、B、C、D、E為已知的非球面系數(shù)。

進一步的，如上所述的一種用于紅外目標模擬器的超寬譜段消熱差投影光學(xué)系統(tǒng)，K＝-1.61，A＝-7.348*10^-4，B＝2.8693*10^-7，C＝4.7824*10^-12，D＝2.974*10^-16，E＝0。

進一步的，如上所述的一種用于紅外目標模擬器的超寬譜段消熱差投影光學(xué)系統(tǒng)，紅外光源的工作波段為2～12μm。

本發(fā)明技術(shù)方案的有益效果在于：光學(xué)系統(tǒng)采用了卡塞格林反射結(jié)構(gòu)和兼容中長波的透射材料，可保證中長波同時共口徑工作，避免了雙波段系統(tǒng)的復(fù)雜以及存在的像素匹配問題。采用反射結(jié)構(gòu)還使得系統(tǒng)尺寸緊湊。使用ZnS與Ge起到消色差和消熱差的作用，保證系統(tǒng)的超寬光譜覆蓋范圍，較寬的溫度適應(yīng)范圍。

附圖說明

圖1為用于目標模擬器的超寬譜段消熱差紅外投影光學(xué)系統(tǒng)組成示意圖；

圖2為投影光學(xué)系統(tǒng)畸變曲線；

圖3為投影光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)。

圖中：1為紅外光源，2為玻璃窗口，3為雙彎月正透鏡，4為主反射鏡，5為次反射鏡，6為出瞳，d1為出瞳6和主反射鏡4之間的間隔距離，d2為主反射鏡4和次反射鏡5之間的間隔距離，d3為次反射鏡5和雙彎月正透鏡3之間的間隔距離，d4為雙彎月正透鏡3和玻璃窗口2之間的間隔距離，d5為玻璃窗口2和紅外光源1之間的間隔距離，R21為窗口玻璃2前表面頂點曲率半徑，R22為窗口玻璃2后表面頂點曲率半徑，R31為雙彎月正透鏡3前表面頂點曲率半徑，R32為雙彎月正透鏡3后表面頂點曲率半徑，R4為主反射鏡點曲率半徑，R5為次反射鏡點曲率半徑。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明技術(shù)方案進行詳細說明。

如圖1所示，本發(fā)明一種用于紅外目標模擬器的超寬譜段消熱差投影光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括按順序依次設(shè)置的紅外光源1、光學(xué)系統(tǒng)、出瞳6；

紅外光源1為一塊有效尺寸是直徑100mm的真空靶板，采用聚焦電子束轟擊真空靶板產(chǎn)生像素點，發(fā)光原理類似陰極射線顯像管，工作波段內(nèi)對比度為1000:1以上，像素點的直徑小于200μm；

紅外光源1設(shè)置在真空腔體內(nèi)，其產(chǎn)生的紅外圖像透過光學(xué)系統(tǒng)中的玻璃窗口2往外輻射；在本實施例中，紅外光源的工作波段為2～12μm。

光學(xué)系統(tǒng)采用卡塞格林反射結(jié)構(gòu)，由4片鏡片組成，按距離紅外光源1由近至遠的順序依次為玻璃窗口2、雙彎月正透鏡3、主反射鏡4、次反射鏡5；

其中，玻璃窗口2采用ZnS平面窗片；

雙彎月正透鏡3選用材料Ge，靠近紅外光源的表面為球面，另一表面為非球面；

主反射鏡4靠近紅外光源的表面為平面，另一表面為球面；主反射鏡4上設(shè)置直徑為100mm的中心遮攔；

次反射鏡5的靠近紅外光源1的表面為球面，另一表面為平面；

玻璃窗口2和紅外光源1之間的間隔距離為100mm；

雙彎月正透鏡3的靠近紅外光源1的表面頂點和玻璃窗口2之間的間隔距離為60.02mm；

次反射鏡5的靠近紅外光源1的表面頂點和雙彎月正透鏡3的遠離紅外光源1的表面頂點之間的間隔距離為687.56mm；

主反射鏡4的遠離紅外光源1的表面頂點和次反射鏡5的靠近紅外光源1的表面頂點之間的間隔距離為550mm；

設(shè)定沿著光學(xué)傳播方向，曲面為凸面的曲率半徑為正，曲面為凹面的曲率半徑為負；

雙彎月正透鏡3的靠近紅外光源1的表面頂點曲率半徑R31為87.52mm；

雙彎月正透鏡3的遠離紅外光源1的表面頂點曲率半徑R32為52.34mm；

主反射鏡4球面頂點曲率半徑R4為-1810.39mm；

次反射鏡5球面頂點曲率半徑R5為-1198.41；

該系統(tǒng)中全視場的角度為2.9°，出瞳6口徑為150mm，出瞳距為900mm，出瞳6和主反射鏡4球面頂點之間的間隔距離為1455mm；

系統(tǒng)具有消熱差功能，適應(yīng)15到35℃的工作環(huán)境，在此溫度區(qū)間內(nèi)，系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF的變化＜10％。

根據(jù)以下公式計算確定雙彎月正透鏡3后表面的非球面表面的參數(shù)：

其中，

Z：在光軸方向上距透鏡頂點的距離；

Y：在垂直于光軸的方向上的距離；

C：透鏡頂點上的曲率半徑r的倒數(shù)；

K：二次常數(shù)；

A、B、C、D、E為已知的非球面系數(shù)，在本實施例中：K＝-1.61，A＝-7.348*10^-4，B＝2.8693*10^-7，C＝4.7824*10^-12，D＝2.974*10^-16，E＝0。

根據(jù)圖1的光學(xué)結(jié)構(gòu)，我們設(shè)計了一用于目標模擬器的超寬譜段消熱差紅外投影光學(xué)系統(tǒng)。設(shè)計結(jié)果：最大畸變量小于1.5％，如圖2所示。系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)如圖3所示，調(diào)制傳遞函數(shù)已經(jīng)非常接近衍射限，限制系統(tǒng)分辨率的主要因素是光學(xué)系統(tǒng)衍射。在溫度10℃～35℃范圍內(nèi)由溫度變化引起的傳函下降小于10％，點列圖的均方根半徑約為65μm，在光源像素半徑內(nèi)。光學(xué)系統(tǒng)技術(shù)指標如下：

出瞳口徑：150mm；

出瞳距：900；

系統(tǒng)焦距：1975mm；

工作波長：3.5-12μm；

全視場：2.9°

紅外光源口徑：100mm

對于投影光學(xué)系統(tǒng)，采用倒置的方式進行設(shè)計，即將真實的光源面定義為設(shè)計中的光學(xué)系統(tǒng)的像面，真實系統(tǒng)中的出瞳面定義為設(shè)計中的光學(xué)系統(tǒng)的入瞳面。

本實施例設(shè)計光學(xué)系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)如下表所示。