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基于硅锗材料低成本中波红外光学系统无热化设计

贺磊 王仁浩 侯彬 司红利 杨克君 胡海力

贺磊, 王仁浩, 侯彬, 司红利, 杨克君, 胡海力. 基于硅锗材料低成本中波红外光学系统无热化设计[J]. 红外技术, 2023, 45(5): 527-533.
引用本文: 贺磊, 王仁浩, 侯彬, 司红利, 杨克君, 胡海力. 基于硅锗材料低成本中波红外光学系统无热化设计[J]. 红外技术, 2023, 45(5): 527-533.
HE Lei, WANG Renhao, HOU Bin, SI Hongli, YANG Kejun, HU Haili. Athermalization Design of a Low-cost Medium-wave Infrared Optical System Based on Si/Ge Material[J]. Infrared Technology , 2023, 45(5): 527-533.
Citation: HE Lei, WANG Renhao, HOU Bin, SI Hongli, YANG Kejun, HU Haili. Athermalization Design of a Low-cost Medium-wave Infrared Optical System Based on Si/Ge Material[J]. Infrared Technology , 2023, 45(5): 527-533.

基于硅锗材料低成本中波红外光学系统无热化设计

详细信息
    作者简介:

    贺磊(1981-),男,吉林省吉林市人,高级工程师,主要从事光学系统设计、光学导引头设计与研制等方面的研究。E-mail:helei3024@126.com

  • 中图分类号: TH741

Athermalization Design of a Low-cost Medium-wave Infrared Optical System Based on Si/Ge Material

  • 摘要: 为实现中波制冷红外导引头的低成本、无热化设计,采用两轴框架式总体布局方式,基于硅锗光学材料,利用一次成像3片式光学结构(Si-Ge-Si),选用斯特林制冷型面阵规模640×512像素尺寸为15 μm的中波红外探测器作为接收器件,设计一种高分辨率低成本中波制冷红外成像制导光学系统,并实现了宽温范围内的无热化设计。设计结果表明,光学系统焦距为55 mm,视场大小为10°×8°,在33 lp/mm处,轴上0视场的调制传递函数(Modulation Transfer Function,MTF)不低于0.6,轴外0.7视场传递函数不低于0.40,畸变小于1%,冷光阑效率100%。同时,结合整流罩进行针对性优化设计,系统冷反射现象基本消除,在-40℃~+70℃温度范围内具有良好的成像效果。光学系统结构简单,易加工装校,良品率高。经实测样机,光学系统成像质量优良,各项性能指标满足技术指标要求。
  • 图  1  两轴框架式导引头结构示意图

    Figure  1.  Two axis frame seeker structure

    图  2  光学系统图

    Figure  2.  Layout of optical system

    图  3  二元面面型

    Figure  3.  The binary surface

    图  4  20℃时MTF曲线

    Figure  4.  MTF curves at 20℃

    图  5  -40℃时MTF曲线

    Figure  5.  MTF curves at -40℃

    图  6  +70℃时MTF曲线

    Figure  6.  MTF curves at +70℃

    图  7  光学系统场曲和畸变

    Figure  7.  The curvature of field and distortion in optical system

    图  8  三维分析模型

    Figure  8.  Layout of analysis model

    图  9  像面非相干照度灰度图

    Figure  9.  Detector image incoherent irradiance grayscale

    图  10  像面非相干照度曲线(XY

    Figure  10.  Detector image incoherent irradiance curve (X, Y)

    图  11  公差分析曲线

    Figure  11.  Tolerance analysis curves

    图  12  精密装校后的光学系统

    Figure  12.  Optical system after precision calibration

    图  13  实测MTF曲线图

    Figure  13.  The measured MTF curves

    图  14  实测畸变曲线图

    Figure  14.  The measured distortion curves

    表  1  光学技术指标

    Table  1.   Optical technical requirements

    Item Value
    Response wave band 3.7~4.8μm
    Focal length 55 mm
    FOV 10°×8°
    F# 2
    Distortion ≤1%
    Detector resolution 640×512
    Pixel size 15 μm×15 μm
    Working temperature -40℃~+70℃
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    表  2  光学镜头参数表

    Table  2.   The optical lens date

    Serial
    umber
    Name Thickness/
    mm
    Radius/
    mm
    Optical
    material
    1 Bow cap 5 110 Sapphire
    10 105
    2 Optical lens 1 7.1 53.05 Silicon
    1.7 135.48
    3 Optical lens 2 4 172.58 Germanium
    35.8 63.99
    4 Optical lens 3 4 71.48 Silicon
    10.45 185.22
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    表  3  不同温度下MTF值(最小值)

    Table  3.   MTF values at different temperatures (the minimum value)

    Temperature
    Field -40℃ 20℃ +70℃
    0 Field 0.58 0.62 0.60
    0.7 Field 0.45 0.46 0.46
    1.0 Field 0.5 0.45 0.46
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    表  4  零件加工公差

    Table  4.   The parts processing tolerance

    Serial number Name Fringes Irregularity Thickness/mm Decentration/mm
    1 Bow cap ±10 ±1 ±0.1 0.04
    2 Optical lens 1 ±5 ±0.5 ±0.03 0.02
    3 Optical lens 2 ±5 ±0.5 ±0.03 0.01
    4 Optical lens 3 ±5 ±0.5 ±0.03 0.01
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    表  5  零件装配公差

    Table  5.   The parts assembling tolerance

    Serial number Name Interval/mm Coaxiality/mm Tilt/′
    1 Bow cap ±0.1 ±0.1 5
    2 Optical lens 1 ±0.03 ±0.02 1.7
    3 Optical lens 2 ±0.03 ±0.02 1.7
    4 Optical lens 3 ±0.03 ±0.02 1.7
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-04-27
  • 修回日期:  2022-05-11
  • 刊出日期:  2023-05-20

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