一种用于航空平台的多光谱光学窗口的制作方法

本发明属于航空遥感成像技术领域，具体涉及一种用于航空平台的多光谱光学窗口。

背景技术：

光学窗口作为航空遥感器对地观测的重要组成部分，为航空遥感器拍摄提供了光学接口，并应满足市场要求。作为零光焦度元件，窗口是光学系统中最简单的元件。

在航空拍摄时，成像光线通过载机的光学窗口进入光学系统成像在ccd焦平面上。由于光学窗口直接暴露在复杂环境中，窗口玻璃承受来自加速度、压力、热等因素的影响，产生变形及温度梯度。当平面光波通过有温度梯度的光学窗口时会产生薄面畸变，将直接影响航空遥感器的成像质量，降低分辨率。

从光学窗口的强度分析，要求窗口玻璃具有足够的厚度，从而热光学方面分析，窗口玻璃厚度太大会加重温度场引起的折射率梯度变化和热变性，降低窗口的光学性能。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何提供一种能够保护光学系统，能在航空遥感器起飞、巡航、降落过程中承受多变的环境条件，同时从厚度上进行了优化，且能满足航空遥感器光学性能、力学性能的多谱段光学窗口。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供一种用于航空平台的多光谱光学窗口，其依靠下列步骤来获取：

步骤s1：合理的选择光学窗口的基底材料，使其可覆盖所要求的多谱段波长范围，且保证光学窗口在镀膜后各谱段透过率较高；

该步骤中，根据实际多谱段需求，使光学窗口可覆盖0.76μm～0.9μm、1.23μm～2.35μm、3.5μm～12.5μm波长范围；同时，在光学窗口的窗口正面和窗口反面镀制增透膜后，保证所覆盖的各个谱段具有较高的透过率；基于上述两点要求，选择cvdznse作为光学窗口基底材料；

步骤s2：根据光学系统的视场范围及具体光机结构布局，分析得出所需窗口的尺寸以确认其结构类型；

根据光学系统的成像视场需求、光机结构形式、与航空平台的装配布局，计算得出光学窗口外形尺寸为265mm×165mm，确定本窗口形状为矩形，且窗口为平窗形式；

步骤s3：计算窗口的厚度；根据步骤s1中选取的光学窗口材料的物理特性，以及步骤s2中窗口的尺寸，计算窗口的厚度；

而多数光学窗口材料是易碎的，在压力的作用下，不仅会使通过窗口的光波产生误差，而且还会损坏窗口；当窗口没有足够的塑性变形时，表面会出现裂纹或断裂；因而，需要通过对光学窗口进行力学强度分析，计算得出窗口的最小安全厚度；

对于易碎材料，最大抗拉应力不超过σmax，公式如式(1)：

σmax＝σf/sf(1)

式中：σmax为最大允许抗拉应力，σf为窗口材料的折断应力，sf为安全系数；

光学机械工程通常采用的安全系数为4；其中安全系数2增加了有效惯性负载，从而允许骤加载荷；另外的安全系数2用于接近窗口边缘的应力集中效应；

简单支撑的矩形窗口所需要的最小厚度为h，公式如式(2)：

式中：h为窗口最小厚度，b为窗口宽度，l为窗口长度；

通过上述公式，结合步骤s1中所确定的光学窗口材料的物理特性、步骤s2中得到的光学窗口外形尺寸，计算得出窗口允许的最小安全尺寸为10mm；

步骤s4：分析光学窗口的光学性能；

光学系统在常温下装校，而在低温或者高温环境下工作，或者是在高低温交替变化的环境下工作；而光学窗口多数选用玻璃为材料，因其热性能差，将造成光学窗口存在温度梯度或发生形变，分析光学窗口在航空平台环境下的光学性能变化，判断其是否会影响光学系统的成像质量。

(三)有益效果

与现有技术相比较，本发明利用力学性能分析、光学性能分析获取最优化的光学窗口，有效地减轻了光学窗口的重量，大大提高了窗口在多谱段下的透过率，更加有利于复杂多变的航空平台环境。

附图说明

图1-图2是光学窗口示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

为解决现有技术的问题，本发明提供一种用于航空平台的多光谱光学窗口，其依靠下列步骤来获取：

步骤s1：合理的选择光学窗口的基底材料，使其可覆盖所要求的多谱段波长范围，且保证光学窗口在镀膜后各谱段透过率较高；

该步骤中，根据实际多谱段需求，使光学窗口可覆盖0.76μm～0.9μm、1.23μm～2.35μm、3.5μm～12.5μm波长范围；同时，在光学窗口的窗口正面1和窗口反面2镀制增透膜后，保证所覆盖的各个谱段具有较高的透过率，如图2所示；基于上述两点要求，选择cvdznse作为光学窗口基底材料；

步骤s2：根据光学系统的视场范围及具体光机结构布局，分析得出所需窗口的尺寸以确认其结构类型；

根据光学系统的成像视场需求、光机结构形式、与航空平台的装配布局，计算得出光学窗口外形尺寸为265mm×165mm，确定本窗口形状为矩形，且窗口为平窗形式，如图1所示；

步骤s3：计算窗口的厚度；根据步骤s1中选取的光学窗口材料的物理特性，以及步骤s2中窗口的尺寸，计算窗口的厚度；

而多数光学窗口材料是易碎的，在压力的作用下，不仅会使通过窗口的光波产生误差，而且还会损坏窗口；当窗口没有足够的塑性变形时，表面会出现裂纹或断裂；因而，需要通过对光学窗口进行力学强度分析，计算得出窗口的最小安全厚度；

对于易碎材料，最大抗拉应力不超过σmax，公式如式(1)：

σmax＝σf/sf(1)

式中：σmax为最大允许抗拉应力，σf为窗口材料的折断应力，sf为安全系数；

光学机械工程通常采用的安全系数为4；其中安全系数2增加了有效惯性负载，从而允许骤加载荷；另外的安全系数2用于接近窗口边缘的应力集中效应；

简单支撑的矩形窗口所需要的最小厚度为h，公式如式(2)：

式中：h为窗口最小厚度，b为窗口宽度，l为窗口长度；

通过上述公式，结合步骤s1中所确定的光学窗口材料的物理特性、步骤s2中得到的光学窗口外形尺寸，计算得出窗口允许的最小安全尺寸为10mm；

步骤s4：分析光学窗口的光学性能；

光学系统在常温下装校，而在低温或者高温环境下工作，或者是在高低温交替变化的环境下工作；而光学窗口多数选用玻璃为材料，因其热性能差，将造成光学窗口存在温度梯度或发生形变，分析光学窗口在航空平台环境下的光学性能变化，判断其是否会影响光学系统的成像质量。

结合航空遥感平台环境及实际光学窗口的布局位置、结构形式，影响光学窗口的主要因素为稳态温度变化；

稳态温度变化对于光学元件的影响比较简单，表现在2个方面：一是由于光学玻璃与镜筒材料线膨胀系数的存在，使光学系统的几何参数(折射或反射面的口径和间隔)发生变化；二是由于光学玻璃折射率温度系数的存在，使得材料的折射率发生了变化。最终使光学系统的光学参数(光焦度和成像像面位置)发生变化，导致成像大小和质量的变化；

平面窗口经过稳态温度变化仍为平面窗口，厚度与口径的改变量与温度变化成线性关系如公式(3)：

δl＝l·α·δt(3)

式中：δl为厚度的改变量，a为平面窗口材料的热膨胀系数，δt为温度的变化量；

以常温20℃加工、装调环境为基础，当航空平台环境温度为60℃时，光学窗口厚度的变化量为2.24μm，当环境温度为-40℃时，光学窗口厚度的变化量为3.36μm，这种极小的光学窗口的平面变化量将不会对光学系统的成像质量造成影响。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。