一种小型化滚—仰式长波制冷光学系统的制作方法

本发明属于光学成像技术领域，具体而言，涉及一种用于成像制导的小型化高分辨率滚—仰式长波红外制冷光学系统。

背景技术：

空空格斗导弹具有搜索范围大、跟踪速度快、机动能力强等特点。而第四代红外空空导弹在国际上最有代表性的则是美国的aim-9x，欧洲的红外型iris-t等，为了实现小弹径，大都采用探测器固联于弹体式导引系统。其中aim-9x导引头已装备于f16、f22等战机，其工作波段为3~5μm，采用斯特林制冷探测器，整流罩选用了机械强度更高、气动性能更好的蓝宝石材料，其具有更高的灵敏度和空间角分辨率，可以更好的完成对目标的搜索、识别、捕获和跟踪，给出目标位置信息，并实施精确打击。目前，现有技术中所使用的红外导引头存在搜索视场小、体积大、分辨率低的问题，导引头小型化和高性能是未来的发展趋势，滚—仰式导引头采用双框架稳定平台，与传统的三轴稳定平台式导引头相比，可以减小体积和质量，是新一代空空格斗导弹导引头平台结构的理想选择。

技术实现要素：

本发明的目的是为了实现空空弹导引头的小型化、轻量化、高分辨率的设计，本发明提供一种小型化滚—仰式长波制冷光学系统。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种小型化滚—仰式长波制冷光学系统，其特征在于：在光的传播方向上依次设置整流罩、镜头前组、折转反射镜组、镜头后组；所述镜头前组包括第一透镜和第二透镜，所述第一透镜、第二透镜与整流罩同轴设置，且第一透镜位于第二透镜与整流罩之间；所述折转反射镜组包括平行设置的反射镜ⅰ和反射镜ⅱ；所述反射镜ⅰ与第二透镜相邻设置，所述反射镜ⅰ与入射光线夹角为45°；所述镜头后组包括沿光的传播方向上依次设置的第三透镜、反射镜ⅲ、第四透镜、第五透镜、第六透镜、探测器保护玻璃、冷光阑和像面；所述反射镜ⅲ与反射镜ⅱ垂直设置，所述第四透镜、第五透镜、第六透镜、探测器保护玻璃、冷光阑和像面同轴设置；所述第一透镜、第二透镜、反射镜ⅰ绕整流罩的球心可做±90°转动，所述镜头前组、折转反射镜组及镜头后组绕整流罩光轴做360°旋转，从而实现滚—仰扫描。

进一步的，所述第一透镜的外表面、第三透镜的外表面和第四透镜的内表面均为高次非球面；所述第二透镜的外表面为二元面。

进一步的，所述整流罩外表面的曲率半径为80mm，内表面的曲率半径为75mm，厚度为5mm；所述第一透镜的外表面的曲率半径为69.65mm，内表面的曲率半径为4526.7mm，厚度为9mm；所述第二透镜的外表面的曲率半径为91.7mm，内表面的曲率半径为57.81mm，厚度为6mm；所述第三透镜的外表面的曲率半径为28.576mm，内表面的曲率半径为39.755mm，厚度为4.3mm；所述第四透镜的外表面的曲率半径为23.88mm，内表面的曲率半径为26.46mm，厚度为4mm；所述第五透镜的外表面的曲率半径为33.20mm，内表面的曲率半径为20.23mm，厚度为4mm；所述第六透镜的外表面的曲率半径为28.576mm，内表面的曲率半径为100.276mm，厚度为3.9mm；所述反射镜ⅰ、反射镜ⅱ和反射镜ⅲ的厚度均为4mm。

进一步的，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜均为凸透镜。

进一步的，所述整流罩的材料为硫化锌；所述第一透镜的材料为硒化锌；所述第二透镜的材料为锗；所述第三透镜的材料为硒化锌；所述第四透镜的材料为锗；所述第五透镜的材料为硫化锌；所述第六透镜的材料为硒化锌；所述反射镜ⅰ、反射镜ⅱ和反射镜ⅲ的材料均为碳化硅。

进一步的，所述整流罩与第一透镜的距离为15mm；所述第一透镜与第二透镜的距离为0.55mm；所述第二透镜与反射镜ⅰ中心点的距离为44.45mm；所述反光镜ⅰ的中心点与反射镜ⅱ中心点的距离为64mm；所述反射镜ⅱ的中心点与第三透镜的距离为35.1mm；所述第三透镜与反射镜ⅲ中心点的距离为44.6mm；所述反射镜ⅲ的中心点与第四透镜的距离为13.7mm；所述第四透镜与第五透镜的距离为1.95mm；所述第五透镜与第六透镜的距离为1.75mm；所述第六透镜与探测器保护玻璃的距离为6mm；所述探测器保护玻璃与冷光阑的距离2.08mm；所述冷光阑与像面的距离为19.8mm。

进一步的，所述光学系统的工作波段7.7μm～9.3μm，焦距为100mm，f数为2，视场大小为5.5°×4.4°，在16lp/mm处，轴上视场的调制传递函数值≥0.54，轴外传递函数值≥0.35，系统畸变≤2.1%。

进一步的，所述光学系统在－45℃～＋70℃温度范围内，光学系统的畸变设计最大值为-1.8%；-45℃时，在16lp/mm处，0～半视场的传递函数值≥0.60，其余视场的传递函数值≥0.52；20℃时，在16lp/mm处，0～半视场的传递函数值≥0.55，其余视场的传递函数≥0.48；+70℃时，在16lp/mm处，0～半视场的传递函数≥0.50，其余视场的传递函数≥0.50。

进一步的，所述光学系统的外形尺寸＜φ176mm×169mm，总重量＜1.9kg。

本发明相对于现有技术的有益效果是：

1、本发明所记载的光学系统的工作波段7.7μm～9.3μm，焦距为100mm，f数2，全视场畸变≤2.1%，视场5.5°×4.4°，为小f数长波红外制冷光学系统，具有高分辨率、大相对孔径，集光能力强的特点。

2、本发明所记载的光学系采用小型化设计，通过反射镜折转光路，外形尺寸＜φ176mm×169mm，总重量＜1.9kg，具有结构紧凑、体积小、重量轻的特点。

3、光学系统的传递函数0视场≥0.62（16lp/mm）；全视场≥0.53（16lp/mm）；成像质量优良，性能特点突出。

4、光学系统进行了无热化设计，在-45℃～+70℃范围内成像质量优良，环境适应性好，单像素张为0.3mrad，分辨率高、探测距离远。

附图说明

图1为一种高分辨率长波制冷红外成像制导光学系统结构图；

图2为+70℃时调制传递函数曲线；

图3为+20℃时调制传递函数曲线；

图4为-45℃时调制传递函数曲线；

图5为光学系统畸变和场曲曲线；

图中：1、整流罩，2、第一透镜，3、第二透镜，4、反射镜ⅰ，5、反射镜ⅱ，6、第三透镜，7、反射镜ⅲ，8、第四透镜，9、第五透镜，10、第六透镜，11、探测器保护玻璃12、冷光阑，13、像面。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细的介绍。

实施例1

本实施方式记载了一种小型化滚—仰式长波制冷光学系统，在光的传播方向上由外向内依次设置整流罩1、镜头前组、折转反射镜组、镜头后组；所述镜头前组包括第一透镜2和第二透镜3，所述第一透镜2、第二透镜3与整流罩1同轴设置，且第一透镜2位于第二透镜3与整流罩1之间；所述折转反射镜组包括平行设置的反射镜ⅰ4和反射镜ⅱ5；所述反射镜ⅰ4与第二透镜3相邻设置，所述反射镜ⅰ4与入射光线夹角为45°；所述镜头后组包括沿光的传播方向上依次设置的第三透镜6、反射镜ⅲ7、第四透镜8、第五透镜9、第六透镜10、探测器保护玻璃11、冷光阑12和像面13；所述反射镜ⅲ7与反射镜ⅱ5垂直设置，所述第四透镜8、第五透镜9、第六透镜10、探测器保护玻璃11、冷光阑12和像面13同轴设置；所述第一透镜2、第二透镜3、反射镜ⅰ4绕整流罩1的球心可做±90°转动，所述镜头前组、折转反射镜组及镜头后组绕整流罩1光轴做360°旋转，从而实现滚—仰扫描。

本技术方案的具体目的是提供一种小型化高分辨率滚—仰式长波制冷光学系统，采用滚—仰式导引头总体布局方式小型化设计，通过反射镜折转光路，实现了搜索视场大，高分辨率，体积小、重量轻的技术特点，可实现对目标的搜索、侦察、精确定位。

实施例2

本实施方式记载了一种小型化滚—仰式长波制冷光学系统，在光的传播方向上由外向内依次设置整流罩1、镜头前组、折转反射镜组、镜头后组；所述镜头前组包括第一透镜2和第二透镜3，所述第一透镜2、第二透镜3与整流罩1同轴设置，且第一透镜2位于第二透镜3与整流罩1之间；所述折转反射镜组包括平行设置的反射镜ⅰ4和反射镜ⅱ5；所述反射镜ⅰ4与第二透镜3相邻设置，所述反射镜ⅰ4与入射光线夹角为45°；所述镜头后组包括沿光的传播方向上依次设置的第三透镜6、反射镜ⅲ7、第四透镜8、第五透镜9、第六透镜10、探测器保护玻璃11、冷光阑12和像面13；所述反射镜ⅲ7与反射镜ⅱ5垂直设置，所述第四透镜8、第五透镜9、第六透镜10、探测器保护玻璃11、冷光阑12和像面13同轴设置；所述第一透镜2、第二透镜3、反射镜ⅰ4绕整流罩1的球心可做±90°转动，所述镜头前组、折转反射镜组及镜头后组绕整流罩1光轴做360°旋转，从而实现滚—仰扫描。

所述第一透镜2的外表面、第三透镜6的外表面和第四透镜8的内表面均为高次非球面；所述第二透镜3的外表面为二元面。

本技术方案引入高次非球面和二元面进行无热化设计，使光学系统在-45℃～+70℃范围内具有良好的消热差作用，成像质量优良，环境适应性好，单像素张为0.3mrad，分辨率高、探测距离远。

实施例3

本实施方式记载了一种小型化滚—仰式长波制冷光学系统，在光的传播方向上由外向内依次设置整流罩1、镜头前组、折转反射镜组、镜头后组；所述镜头前组包括第一透镜2和第二透镜3，所述第一透镜2、第二透镜3与整流罩1同轴设置，且第一透镜2位于第二透镜3与整流罩1之间；所述折转反射镜组包括平行设置的反射镜ⅰ4和反射镜ⅱ5；所述反射镜ⅰ4与第二透镜3相邻设置，所述反射镜ⅰ4与入射光线夹角为45°；所述镜头后组包括沿光的传播方向上依次设置的第三透镜6、反射镜ⅲ7、第四透镜8、第五透镜9、第六透镜10、探测器保护玻璃11、冷光阑12和像面13；所述反射镜ⅲ7与反射镜ⅱ5垂直设置，所述第四透镜8、第五透镜9、第六透镜10、探测器保护玻璃11、冷光阑12和像面13同轴设置；所述第一透镜2、第二透镜3、反射镜ⅰ4绕整流罩1的球心可做±90°转动，所述镜头前组、折转反射镜组及镜头后组绕整流罩1光轴做360°旋转，从而实现滚—仰扫描。

所述光学系统的工作波段7.7μm～9.3μm，焦距为100mm，f数为2，视场大小为5.5°×4.4°，在16lp/mm处，轴上视场的调制传递函数（mtf值）≥0.54，轴外传递函数（mtf）≥0.35，系统畸变≤2.1%。

本技术方案限定了光学系统的工作波段、焦距、f数和视场大小的技术参数，具有高分辨率、大相对孔径、集光能力强的特点。

实施例4

本实施方式记载了一种小型化滚—仰式长波制冷光学系统，在光的传播方向上由外向内依次设置整流罩1、镜头前组、折转反射镜组、镜头后组；所述镜头前组包括第一透镜2和第二透镜3，所述第一透镜2、第二透镜3与整流罩1同轴设置，且第一透镜2位于第二透镜3与整流罩1之间；所述折转反射镜组包括平行设置的反射镜ⅰ4和反射镜ⅱ5；所述反射镜ⅰ4与第二透镜3相邻设置，所述反射镜ⅰ4与入射光线夹角为45°；所述镜头后组包括沿光的传播方向上依次设置的第三透镜6、反射镜ⅲ7、第四透镜8、第五透镜9、第六透镜10、探测器保护玻璃11、冷光阑12和像面13；所述反射镜ⅲ7与反射镜ⅱ5垂直设置，所述第四透镜8、第五透镜9、第六透镜10、探测器保护玻璃11、冷光阑12和像面13同轴设置；所述第一透镜2、第二透镜3、反射镜ⅰ4绕整流罩1的球心可做±90°转动，所述镜头前组、折转反射镜组及镜头后组绕整流罩1光轴做360°旋转，从而实现滚—仰扫描。

所述光学系统在－45℃～＋70℃温度范围内，光学系统的畸变设计最大值为-1.8%；-45℃时，0～半视场的传递函数≥0.60（16lp/mm），其余视场的传递函数≥0.52（16lp/mm）；20℃时，0～半视场的传递函数≥0.55（16lp/mm），其余视场的传递函数≥0.48（16lp/mm）；+70℃时，0～半视场的传递函数≥0.50（16lp/mm），其余视场的传递函数≥0.50（16lp/mm）。

本技术方案所记载的光学系统在－45℃～＋70℃温度范围内调制传递函数曲线设计值接近衍射极限，成像质量优良，环境适应性好，性能特点突出。

实施例5

本实施方式记载了一种小型化滚—仰式长波制冷光学系统，在光的传播方向上由外向内依次设置整流罩1、镜头前组、折转反射镜组、镜头后组；所述镜头前组包括第一透镜2和第二透镜3，所述第一透镜2、第二透镜3与整流罩1同轴设置，且第一透镜2位于第二透镜3与整流罩1之间；所述折转反射镜组包括平行设置的反射镜ⅰ4和反射镜ⅱ5；所述反射镜ⅰ4与第二透镜3相邻设置，所述反射镜ⅰ4与入射光线夹角为45°；所述镜头后组包括沿光的传播方向上依次设置的第三透镜6、反射镜ⅲ7、第四透镜8、第五透镜9、第六透镜10、探测器保护玻璃11、冷光阑12和像面13；所述反射镜ⅲ7与反射镜ⅱ5垂直设置，所述第四透镜8、第五透镜9、第六透镜10、探测器保护玻璃11、冷光阑12和像面13同轴设置；所述第一透镜2、第二透镜3、反射镜ⅰ4绕整流罩1的球心可做±90°转动，所述镜头前组、折转反射镜组及镜头后组绕整流罩1光轴做360°旋转，从而实现滚—仰扫描。

所述整流罩1的材料为硫化锌；所述第一透镜2的材料为硒化锌；所述第二透镜3的材料为锗；所述第三透镜6的材料为硒化锌；所述第四透镜8的材料为锗；所述第五透镜9的材料为硫化锌；所述第六透镜10的材料为硒化锌；所述反射镜ⅰ4、反射镜ⅱ5和反射镜ⅲ7的材料均为碳化硅。

本技术方案限定了各透镜和各反射镜的材料，由于导引头弹体直径狭小，对光学系统的外形尺寸要求十分苛刻，在充分考虑上述限制因素的同时，结合滚-仰式总体结构布局形式，在设计时采用二次成像结构，运用高级像差理论，合理分配各镜组的光焦度，考虑光学材料的热膨胀系数，平衡光学像差和热差之间的矛盾，选用锗，硒化锌，硫化锌作为透镜材料，选用钛合金作为镜筒材料，保证系统的无热化要求的同时减轻重量。

反射镜选用加工性能良好的碳化硅材料，相对于k9、铝、微晶玻璃等材料，碳化硅的热膨胀系数、导热系数、结构强度、热变形等性能更优，且在装配过程中反射镜面型变化小，易于装调。

实施例6

本实施方式记载了一种小型化滚—仰式长波制冷光学系统，在光的传播方向上由外向内依次设置整流罩1、镜头前组、折转反射镜组、镜头后组；所述镜头前组包括第一透镜2和第二透镜3，所述第一透镜2、第二透镜3与整流罩1同轴设置，且第一透镜2位于第二透镜3与整流罩1之间；所述折转反射镜组包括平行设置的反射镜ⅰ4和反射镜ⅱ5；所述反射镜ⅰ4与第二透镜3相邻设置，所述反射镜ⅰ4与入射光线夹角为45°；所述镜头后组包括沿光的传播方向上依次设置的第三透镜6、反射镜ⅲ7、第四透镜8、第五透镜9、第六透镜10、探测器保护玻璃11、冷光阑12和像面13；所述反射镜ⅲ7与反射镜ⅱ5垂直设置，所述第四透镜8、第五透镜9、第六透镜10、探测器保护玻璃11、冷光阑12和像面13同轴设置；所述第一透镜2、第二透镜3、反射镜ⅰ4绕整流罩1的球心可做±90°转动，所述镜头前组、折转反射镜组及镜头后组绕整流罩1光轴做360°旋转，从而实现滚—仰扫描。

所述光学系统的外形尺寸（直径×长度）＜φ176mm×169mm，总重量＜1.9kg。

本技术方案限定了光学系统的外形尺寸和总重量，具有结构紧凑、体积小、重量轻的特点。

滚-仰式导引头工作原理

滚-仰式导引头为内外框架组成的万向支架式结构。万向节中心与整流罩球心重合，外框架滚转运动，内框架俯仰运动，实现大视场扫描。理想情况下，外框架转轴和弹体纵轴重合，内框架转轴和外框架转轴正交，内框架处在零位时，导引头视轴和外框架转轴重合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。