Research on Optical System of Laser-Guided Weapon Based on Optical Plastic
-
摘要: 随着光学塑料成型技术的不断发展，光学塑料透镜在各类光学系统中得到了广泛的应用。光学塑料具有便于大批量生产，设计灵活性高，重量轻和耐冲击等特点。本文进一步研究了光学塑料的特性，并结合激光制导武器光学系统的特点，分析光学塑料应用的可行性。在以上分析的基础上针对特定的光学系统参数，完成基于非球面光学塑料的光学系统设计，并对系统的光斑成像质量进行了分析，满足系统的使用要求。最后，针对光学塑料对温度变化比较敏感的问题，利用LightTools软件完成对激光制导武器探测系统的建模，分析不同温度环境下系统输出的和差比幅值偏差和角度的偏差，进一步验证光学塑料为系统带来的影响，确定其在光学系统中的适用性。Abstract: With the continuous development of optical plastic molding technology, optical plastic lenses are widely used in various optical systems. Optical plastics have the characteristics of convenient mass production, high design flexibility, light weight, and high impact resistance. This study further examines the characteristics of optical plastics and analyzes the feasibility of applying optical plastics combined with the characteristics of the optical system of laser-guided weapons. Thus, an optical system was designed based on aspheric optical plastics according to the specific optical system parameters, and the spot quality of the system was analyzed to meet the application requirements. Finally, to address the problem of optical plastics being sensitive to temperature changes, the laser-guided weapon detection system was modeled using the LightTools software. The sum–difference amplitude deviation and angle deviation of the system output under different temperature environments were analyzed to further verify the impact of optical plastics on the system and determine their applicability in optical systems.
-
Keywords:
- optical plastic /
- aspheric lens /
- laser guided weapon /
- optical system
-
0. 引言
激光制导技术的研究工作始于20世纪60年代初，最先发展和成功应用的是激光半主动制导技术，激光驾束制导技术、激光指令制导技术紧随其后，而激光雷达制导技术是20世纪80年代才开展的。其中，激光半主动制导技术的优点是制导精度高、抗干扰能力强、结构简单、武器系统成本低。1965年，美国空军资助研发“宝石路”激光制导炸弹。1968年起，美国空军开始在越南战场上大量使用“宝石路I”激光制导炸弹，现在已经发展到“宝石路IV”。相关资料显示“宝石路IV”的光学头罩采用的是光学塑料材料。另外，“海尔法”的激光制导导弹的光学头罩也采用聚碳酸酯；同时，非球面反射镜也采用注塑成型的聚碳酸酯。可见，光学塑料在激光制导武器上有很大的应用前景[1-4]。
因此，本文开展光学塑料在激光制导武器光学系统上的研究，分析常用光学塑料的光学和机械性能，选择适合激光制导武器的光学塑料材料；完成基于非球面光学塑料的激光制导武器光学系统设计及性能分析。
1. 光学塑料特性分析
1.1 常用光学塑料
光学塑料是目前较为常用的一种光学元件材料，与玻璃和金属相比，光学塑料具有完全不同的材料特性；同时，塑料光学零件的制造及工艺完全不同于传统光学元件，常用光学塑料有以下几种[5-9]：
1）聚甲基丙烯酸甲酯
这是一种主要的光学塑料，简称PMMA，具有高透过率，低双折射，高阿贝数等优点。常应用于聚光镜、菲涅尔透镜和车灯透镜等。
2）聚碳酸酯
聚碳酸酯是最经常使用的光学材料，简称PC，具有高折射率，高散射，耐热性，高强度的特点。大部分应用于CD/DVD等。
3）环烯烃聚合物
环烯烃聚合物最初是在1990年研发成功，简称COP。Zeon公司推出的商标是ZEONEX和ZEONOR；E48R和480R是Zeon公司的典型产品。
4）其他树脂材料
大阪燃气有限公司研发的一种非晶态聚酯塑料OKP-4具有良好的光学性能。
1.2 光学塑料与其他材料的性能对比
光学塑料与光学玻璃、红外材料的性能对比如表 1所示。
表 1 材料性能对比Table 1. List of material performance comparisonMaterial n Dispersion ρ/(g⋅cm-3) CLTE 10-7℃-1 dn/dt 10-6℃-1 PMMA 1.492 57.2 1.18 600 −106.3 PC 1.585 29.9 1.25 680 −107 E48R 1.531 55.8 1.01 600 −100 480R 1.525 56.3 1.01 700 −100 OKP-4 1.608 26.9 1.22 720 −130 H-K9L 1.517 64 2.49 77 2.5 H-ZF6 1.755 27 3.15 93 1.4 Al2O3 1.683 5.5 3.98 56 50 MgF2 1.354 13.4 3.18 107 19 Silicon 3.424 257 2.33 39 159 Germanium 4.021 108 5.33 61 424 ZnS 2.249 104 4.09 67 40 ZnSe 2.431 187 5.27 75 63 光学塑料的优点[5]：
① 光学塑料材料具有良好的可塑成型特性，能够进行模压、浇注和车削等加工；
② 适合制造复杂形状的光学系统，常常使用非球面；
③ 制造真正的集成光学系统。减少装配步骤，节省装配工作量；
④ 具有耐冲击、重量轻、低成本等优点。
光学塑料的缺点：
① 光学塑料的种类有限，品种较少，设计选材收到局限；
② 光学塑料对温度变化更为灵敏；折射率温度系数较大，极易受到温度变化的影响；
③ 对于零件模具要求较高，仅适合大批量生产，不适合小批量生产；
④ 光学塑料的镀膜较光学玻璃更加困难。
从以上性能分析可以看出光学塑料应用的一个主要问题就是环境温度的影响，其较大的线形热膨胀系数（coefficient of linear thermal expansion，CLTE）和dn/dt是影响光学系统成像的主要因素；但是对于激光制导武器光学系统来说，是采用非成像的工作方式，温度影响可能会更小，有利于在这方面的应用。后面结合实际系统对温度的影响进行详细的分析。
2. 光学塑料应用分析
2.1 激光制导武器光学系统分析
激光制导武器普遍采用四象限探测系统，当工作时光学系统接收并会聚目标漫反射的激光光束，在四象限探测器上形成圆形光斑，光斑使每个象限都输出一个信号，通过对各个象限输出信号的处理可以得到目标位置的信号[10-11]。
这是一种非成像系统光学系统，在探测器上形成的光斑一般为毫米级光斑，因此设计时也与成像光学系统有较大差异，需要关注的指标也有所不同；主要关注光斑具有一定的圆度、大小和均匀性等，以满足特定视场的4个象限覆盖要求。
2.2 光学塑料应用方案分析
1）结构简化需求
由于该类光学系统为非成像系统，对像差校正要求相对较低；同时，对于光学塑料来说非常适合于采用非球面结构。因此，采用非球面塑料透镜可以有效地较少镜片的数量，有效控制光学的空间占比，简化结构。对于指标要求不高的系统来说可能采用单片非球面既可以实现。
这样设计可以很好地满足制导武器对光学系统结构简单，空间占比小的需求。
2）激光制导武器低成本需求
根据激光制导武器的应用方式，其低成本化是产品研制的重要需求。而对于光学塑料来说常采用注射成型和压塑成型等方法。其中注射成型法是热塑性塑料的主要成型方法，适用于大批中小型零件的生产。注射成型法的特点是成型零件的形状范围广，除了产生双凸、双凹、平凸、弯月形等各种透镜外，还可以生产透镜系列、校正镜和非球面透镜，并且生产效率高、成本低。
3. 基于光学塑料的光学系统设计及仿真
3.1 大线性区光学系统设计
1）光学系统基本参数
根据典型激光制导武器的总体要求，确定光学系统指标如下：
瞬时视场：≥±20°；线性区：≥±10°；口径：20 mm；探测器：ϕ16 mm；
考虑光学系统成像光斑较大，到边缘视场时光斑一部分能量将落在探测器外，影响系统的探测能力。在设计时应适当扩大设计视场，最终确定光学系统的焦距为17 mm。成像光斑大小按照探测器直径的一半ϕ8 mm进行设计。
2）光学系统设计及优化
通过上面对光学塑料的性能分析，选择PMMA材料进行设计，且透镜表面采用非球面。大线性区光学系统设计结果如图 1所示，采用两片非球面光学塑料透镜。在系统最前面是一片窄带滤光片，用来抑制背景光和杂散光。
大线性区光学系统成像光斑如图 2所示。从图中可以看出10°视场时光斑大小为8.08 mm，满足线性区设计要求。
不同视场时光斑在探测器上的分布如图 3所示。从图 3可以看出20°视场时，光斑的能量可以全部落在探测器以内，有效地保证了边缘视场的探测能力。
3）不同温度下光学系统性能仿真
通过以上对光学塑料的分析可知，光学塑料在温度变化时其性能有较大的变化。因此，本文重点分析不同温度下光学性能的变化情况。
首先利用CODE V中的环境变化功能，分析光学系统成像光斑在不同温度下的尺寸变化，具体如表 2所示。可见随着温度的变化成像光斑有一定的变化，但是由于系统成像光斑较大，变化所占的比例较小，最大在5%左右。
表 2 光学系统成像光斑在不同温度下的大小Table 2. Spots size at different temperaturesSpots size /mm −45℃ 20℃ 60℃ 0° Field 8.38 8.07 7.88 5° Field 8.44 8.12 7.93 10° Field 8.42 8.08 7.87 15° Field 8.04 7.65 7.42 20° Field 7.74 7.46 7.28 同时，利用LightTools软件对整个探测系统建模，分析不同温度环境下系统输出的和差比幅值偏差和角度的偏差，模型如图 4所示。图 4为20℃环境下的模型，根据CODE V的环境分析数据可以分别建立－45℃和60℃温度下的模型。
利用模型仿真不同视场不同温度时系统和差比幅值的输出情况，如图 5所示。可以看出视场角较小时偏差较小。
另外，将常温下探测系统的K值分别带入－45℃和60℃的情况进行计算，可以得到系统的输出角度值，然后与实际角度相比较，计算得到输出角度的偏差，如图 6所示。可见，探测系统输出的最大角度偏差出现在5.5°附近，最大值为0.34°。
因此，通过仿真说明采用光学塑料透镜时，随着温度的变化，可能引起的最大角度偏差约为0.3°左右，这个偏差较小，可以满足一些激光制导武器的应用需求。
3.2 小线性区光学系统设计
1）光学系统基本参数
根据激光制导武器导引方式的不同，也存在小线性区小视场的需求，具体指标如下：瞬时视场：≥±8°；线性区：≥±1°；口径：20 mm；探测器：ϕ10 mm；
根据以上参数确定光学系统的焦距为31.5 mm，成像光斑大小为ϕ1.4 mm。
2）光学系统设计及优化
依然选择PMMA材料进行设计，且透镜表面采用非球面。小线性区光学系统设计结果如图 7所示。
光学系统成像光斑如图 8所示。从图中可以看出1°视场时光斑大小为1.42 mm，满足线性区设计要求。
4. 结论
本文研究了现有光学塑料的特性，并结合激光制导武器光学系统的特点，分析光学塑料应用的可行性。针对特定的光学系统参数，完成基于非球面光学塑料的光学系统设计及性能分析，重点分析了不同温度环境下系统输出的和差比幅值偏差和角度偏差，进一步验证了光学塑料为系统带来的影响。光学塑料的成功应用不仅有利于光学系统的简化和小型化设计，为激光制导武器导引头节约更大空间。同时，也进一步降低了光学系统的批量生产成本。
-
表 1 材料性能对比
Table 1 List of material performance comparison
Material n Dispersion ρ/(g⋅cm-3) CLTE 10-7℃-1 dn/dt 10-6℃-1 PMMA 1.492 57.2 1.18 600 −106.3 PC 1.585 29.9 1.25 680 −107 E48R 1.531 55.8 1.01 600 −100 480R 1.525 56.3 1.01 700 −100 OKP-4 1.608 26.9 1.22 720 −130 H-K9L 1.517 64 2.49 77 2.5 H-ZF6 1.755 27 3.15 93 1.4 Al2O3 1.683 5.5 3.98 56 50 MgF2 1.354 13.4 3.18 107 19 Silicon 3.424 257 2.33 39 159 Germanium 4.021 108 5.33 61 424 ZnS 2.249 104 4.09 67 40 ZnSe 2.431 187 5.27 75 63 
下载: 导出CSV
表 2 光学系统成像光斑在不同温度下的大小
Table 2 Spots size at different temperatures
Spots size /mm −45℃ 20℃ 60℃ 0° Field 8.38 8.07 7.88 5° Field 8.44 8.12 7.93 10° Field 8.42 8.08 7.87 15° Field 8.04 7.65 7.42 20° Field 7.74 7.46 7.28
下载: 导出CSV
-
[1] 韩刚, 许亚娥, 沈阳, 等. 散斑技术在激光寻的制导武器仿真系统中的应用[J]. 应用光学, 2015(5): 356-361. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YYGX201503005.htm HAN Gang, XU Yae, SHEN Yang, et al. Application of speckle technique in laser homing guided weapon simulation system[J]. Journal of Applied Optics, 2015(5): 356-361. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YYGX201503005.htm
[2] 胡博, 常伟军, 孙婷, 等. 激光半主动制导导引头光学系统的设计[J]. 应用光学, 2012(3): 402-405. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YYGX201202035.htm HU Bo, CHANG Weijun, SUN Ting, et al. Laser semi-active seeking guided seeker optical system[J]. Journal of Applied Optics, 2012(3): 402-405. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YYGX201202035.htm
[3] 李福巍, 张运强, 潘国庆. 激光半主动比例导引头光学系统分析与设计[J]. 应用光学, 2014, 35(6): 938-942. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YYGX201406004.htm LI Fuwei, ZHANG Yunqiang, PAN Guoqing. The analysis and design of optical system of laser semi-active proportional seeker[J]. Journal of Applied Optics, 2014, 35(6): 938-942. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YYGX201406004.htm
[4] 蒲小琴, 董全林, 余子萧, 等. 半主动导引头光学系统设计及线性度分析[J]. 航天器环境工程, 2020(6): 303-309. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HTHJ202003017.htm PU Xiaoqin, DONG Quanlin, YU Zixiao, et al. Design of optical system for semi-active laser seeker and related linearity analysis[J]. Spaceraft Environment Engineering, 2020(6): 303-309. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HTHJ202003017.htm
[5] 斯特凡⋅博伊默. 塑料光学手册[M]. 2版, 周海宪, 程云芳译, 北京: 化学工业出版社, 2013. Stefan Bäumer. Handbook of Plastic Optics[M]. 2nd edition, Chemical Industry Press, 2013.
[6] 杨相利. 塑料光学元件制造[J]. 光学仪器, 2000, 22(4): 27-34. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GXYQ200004006.htm YANG Xiangli. Fabrication of plastic optical component[J]. Optical Instruments, 2000, 22(4): 27-34. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GXYQ200004006.htm
[7] 张良, 潘晓东. 采用塑料光学元件的微光夜视物镜设计[J]. 兵工学报, 2014, 35(8): 1308-1312. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-BIGO201408026.htm ZHANG Liang, PAN Xiaodong. Design of plastic objective lens for low-light night vision system[J]. Acta Armamentarii, 2014, 35(8): 1308-1312. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-BIGO201408026.htm
[8] 黄永程, 刘泓滨, 邓利军. 非球面塑料透镜注塑成型与注塑压缩成型工艺的对比分析[J]. 中国塑料, 2015, 29(9): 67-72. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZGSU201509022.htm HUANG Chengbin, LIU Hongbin, DENG Lijun. Comparative analysis of injection molding and injection compression molding of aspherical plastic lens[J]. China Plastics, 2015, 29(9): 67-72. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZGSU201509022.htm
[9] 辛企明. 光学塑料非球面技术的发展趋势[J]. 光学制造, 2019(12): 11-16. XIN Qiming. Trends of optical plastic aspheric technologies[J]. Optical Fabricaion, 2019(12): 11-16.
[10] 梁巍巍, 黄振宇, 张文攀, 等. 激光导引头四象限探测器偏差信号特性研究[J]. 激光技术, 2014(7): 569-573. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JGJS201404027.htm LIANG Weiwei, HUANG Zhenyu, ZHANG Wenpan, et al. Study on error signal of quadrant detectors in laser seekers[J]. Laser Technology, 2014(7): 569-573. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JGJS201404027.htm
[11] 刘志颖, 邢天祥. 激光半主动导引头光学系统设计[J]. 激光与红外, 2016(5): 527-531. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JGHW201605004.htm LIU Zhiying, XING Tianxiang. Optical system design for laser semi-active guided seeker[J]. Laser & Infrared, 2016(5): 527-531. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JGHW201605004.htm
计量
- 文章访问数: 182
- HTML全文浏览量: 72
- PDF下载量: 51
