红外方针模拟器光学系统设计

摘要：为简化红外方针模拟器构造，提出了一种新型共光路红外方针模拟器方案，基于此方案设计了一款构造紧凑型双通道红外投影系统，系统视场角为±3°，工作波段为3~5μm，入瞳距为550mm，焦距为220mm， F数为3.67。经由剖析以往红外方针模拟器构造相对复杂的原因，以及干扰方针模拟器的构造形式对共光路设计的影响，提出了一种行使黑体/摆镜组合作为干扰方针源的双通道共光路解决方案，简化了系统构造。并从理论上剖析了摆镜对系统机能的影响，证实了此方案的可行性。设计究竟表明，主方针通道各视场在16lp/mm处调制传递函数值均优于 0.5，两通道各视场弥散斑均方根半径均小于18μm、畸变均小于1%。经由调焦，该系统能知足-10℃~40℃工作环 境下的使用要求。 

[原文来自：www.ii77.com]

要害词：光学设计；红外方针模拟器；双通道；黑体；摆镜 

1.引言 

红外成像制导手艺探测手段隐蔽、抗干扰能力强，被普遍应用于现代兵器制导范畴。红外半实物仿真 手艺是磨练红外制导兵器抗干扰能力、方针识别能力的主要实验室对象[1]。采用仿真手艺能够使导弹航行 试验的次数削减30%~50%，研制经费节约10%~40%，研制周期缩短30%~40%[2]。在仿真阶段，使用红外目 标模拟器对真实作战情况中的方针、配景、干扰源等红外场景的红外辐射特征进行等效模拟，模拟究竟被用于红外扶引头领受。其模拟红外场景的质量，直接决意着整套系统仿真究竟的价格。

红外方针模拟器在构成上包罗两个子模拟器：主方针模拟器及干扰方针模拟器。个中主方针模拟器用 于模拟扶引头的锁定方针（飞机等）以及此方针所处情况的红外特征，干扰方针模拟器用于模拟锁定方针所 释放的干扰源（饵弹等）的红外特征。平日两个子模拟器的投影系统各自自力，并经由合束系统实现共出瞳 投影，是以，文献[3]研究的一种基于变焦系统的红外成像方针模拟器、文献[4]的基于数字微镜器件(DMD)设 计的一种消热差的红外方针模拟器投影光学系统等，在使用过程中都要求搭配自力的干扰方针模拟器。两个子模拟器投影系统离别零丁设计，降低了设计难度，但整套方针模拟器构造复杂，装配精度要求高，无法知足小型化需求。为简化模拟器构造，文献[5-6]中主方针/干扰方针模拟器共用统一光学系统，设计了双通道红外方针模拟器，但两系统均采用DMD或金属氧化物半导体（MOS）电阻阵红外图像发生源作为干扰方针源。DMD需要额外的照明光路，会增加模拟器的尺寸和成本；国产MOS电阻阵最高档效黑体温度约400℃ 摆布[7]，无法模拟更高温度的干扰，此外电阻阵也存在体积大的问题。是以仅仅共光路设计并不克有效简化红外方针模拟器。

应实际需要，要求将红外方针模拟器的体积掌握在400mm×300mm×250mm以内，为此，本文提出一种行使黑体/摆镜组合模拟干扰方针、MOS电阻阵模拟主方针的双通道共光路红外方针模拟器方案。黑体/摆 镜组合构造简洁、模拟温度高，可以有效填补行使DMD、MOS电阻阵模拟干扰方针时存在的不足。依据此方 案设计了一款适用于中波红外的双通道红外方针模拟器投影系统，设计究竟表明，该系统成像质量精巧，结 构紧凑，达到了简化系统的目的。

2.光学系统方案及系统参数较量 

2.1.光学系统方案 

使用两套投影系统是造成方针模拟器构造复杂的首要原因，所以要简化构造，必需实现主方针、干扰目 标模拟器的共光路设计。而干扰方针投影系统的构造形式会直接影响共光路设计，有需要对其进行商议。 今朝报道的点源干扰方针投影系统首要有两种构造形式[8]，如图1所示。

图1.干扰方针投影系统构造图。(a)黑体源模拟；(b)MOS电阻阵或DMD模拟 

图1(a)采用黑体模拟干扰方针，经由摆动摆镜来改变干扰方针在红外场景内的行进偏向、行进速度和位 置。由图可知，摆镜处于投影镜头的像方空间，若共光路设计，主方针投影系统会共享此摆镜，摆镜的摆动 必然会使主方针发生偏移，最终导致主方针通道像质恶化，是以图1(a)构造不适用于主方针、干扰方针模拟 器的共光路设计。图1(b)构造采用MOS电阻阵或DMD来模拟干扰方针，干扰方针的移动不再需要摆镜，从 而解决了采用图1(a)构造进行共光路设计时摆镜的干扰问题。但正如引言中所述，电阻阵质量大、模拟温度 低，微透镜阵列器件需额外照明光路，是以，固然图1(b)构造可实现主方针、干扰方针模拟器的共光路设计， 但不克够简化系统。 

图2.基于黑体/摆镜的干扰方针通道光路示意图 

为解决以上矛盾，提出一种新型主方针/干扰方针共光路设计方案，此方案应用黑体/摆镜组合来模拟干 扰方针，如图2所示。采用黑体作为干扰方针源，且摆镜处于镜头物方空间，有效解决了图1(a)无法共光路设 计、图1(b)干扰方针源构造复杂、模拟温度低的问题。 行使图2构造进行共光路设计，系统会显现主方针/干扰方针通道、摆镜摆动角度两种分歧性质的多重 构造。只有消弭个中一维多重构造，才能对系统进行优化设计。摆镜摆动时，干扰方针活动到分歧位置，等效 于扩大了干扰通道的视场，是以能够经由扩大干扰通道视场的方式消弭摆镜摆动这一维多重构造，如图3(a)所示：摆镜位置不动，其摆角为0°和θ离别用像平面 A、 B两点代表，且两点处于统一平面。行使此方式后，可利 用光学软件对系统进行优化设计。但系统在实际工作时的光路与设计时并不沟通，见图3(b)，摆镜由肇端位 置摆动θ后，黑体的镜像由 A′移动到 B′，两点并不在统一平面，而是存在一个轴向位移，即各个视场发生分歧水平的离焦。

图3.干扰方针通道光路示意图。(a)优化设计阶段；(b)实际工作阶段

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图7.光学系统构造图 

图8.方针通道光学系统传递函数曲线 

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5.结论

提出了一种新型红外模拟器共光路设计方案，经由对摆镜的剖析证实了采用摆镜和黑体组合作为干扰源的设计方案有效可行。以此为根蒂设计了一款双通道像方远心的红外投影系统。该系统实现了红外方针、 红外干扰共光路投影，简化了传统红外方针模拟器装配，系统体积可以有效掌握在400mm×300mm×250mm以内。且该系统悉数采用球面镜，镜片数目少，在节约加工成本的同时，连结了高透射率。像方远心构造的设计，有效提高了像面照度的平均性。经剖析，该系统主方针通道传递函数接近衍射极限，干扰方针通道弥散 斑均方根半径接近衍射极限，具有精巧的成像机能。

鉴于篇幅，本次推送仅为节选（光学工程 Vol. 35, No. 4），全文内容请接见：http://www.opticsky.cn/read-htm-tid-132996.html（复制链接到浏览器打开）下载PDF全文内容。

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