折射式红外平行光管设计

　　0 引 言

　　红外平行光管作为无穷远目标模拟器在红外系统的调试和测试中得到了广泛的使用[1]。根据产生平行光的原理不同，红外平行光管可分为折射式平行光管和利用离轴抛物面的反射式平行光管。文中针对导弹导引头成像系统调试和测试的需要，设计了一种折射式红外平行光管。

　　1 红外平行光管技术要求

　　红外平行光管由准直物镜、红外靶、红外靶电源、镜筒、基准镜以及基座组成，如图 1 所示。为满足导引头红外成像系统的调试和测试需要，对红外平行光管提出了如下设计要求：1) 折射系统，其光谱范围为：3.5～5.0 μm;2) 准直物镜焦距 300 mm;3) 视场角不小于 11°±0.3°;4) 准直物镜有效通光口径不大于Φ160 mm;5) 出瞳直径Φ70 mm，出瞳距 200±5 mm;6) 直物镜全视场同一像面的 MTF 不小于70%@10 lp/mm;7)透过率不小于 85%;8)红外靶温差 0.2～8℃可调，温控精度 0.1 ℃，且工作 2 h 内满足要求。9)工作温度：15～40 ℃。

　　2 红外平行光管准直物镜设计

　　设计的准直物镜采用柯克三片式结构，并且是一个具有像方远心光路的系统。光学材料为锗-硅-硅，准直物镜光路图如图 2 所示。

　　20 ℃时准直物镜的焦距 300 mm，视场角 11.3°，出瞳直径Φ70 mm，出瞳距 197.4 mm，最大有效通光孔径为 144 mm，满足设计要求。

　　准直物镜在 20 ℃时的 MTF 曲线如图 3 所示。对应于空间频率10 lp/mm衍射极限的MTF为0.766，所设计的准直物镜在 10 lp/mm 时，0 视场的 MTF 为0.748 6，接近于衍射极限;0.7 视场(半视场角 4°)的 MTF 为 0.745(子午)和 0.748(弧矢)，1 视场(半视场角为 5.65°)的 MTF 为 0.738(子午)和 0.747(弧矢)。可见，全视场在 10 lp/mm 时，MTF 大于 0.7，满足设计要求。

　　准直物镜的点列图如图 4 所示。RMS 弥散圆直径 d 为：0 视场 d =12.4 μm，0.7 视场 d =16.4 μm，1 视场 d =19.3 μm。

　　准直物镜的场曲和畸变曲线如图 5 所示。0.7 视场时和 1 视场时，相对畸变为-0.37%。

　　准直物镜的焦深可按下式计算[2]：

　　表 1 示出了准直物镜在不同环境温度下的后截距和焦距值，由表中可见，当环境温度在 15～40 ℃范围内，后截距变化为 0.021 mm，小于焦深，可见，在使用温度范围内，设计的准直物镜成像质量均能满足设计要求。

　　3 红外靶设计

　　红外靶包括靶面、黑体、温度传感器和温度控制系统等组成。靶面采用铜板制作，线切割加工，形成镂空的平板，平板表面喷涂专用高发射率涂层，保证靶面的发射率达到 0.98，作为红外靶的低温目标。镂空部分直接透过黑体辐射，作为红外靶的高温目标。图 6 给出了红外靶的温度控制框图。温度传感器1、2 分别装在黑体和靶面基体上，用以测量黑体和靶面的温度，测量精度为 0.02 ℃。工作时靶面基体与黑体的温度传感器，实时地将温度信号传给温度变送器和温度表。温度表显示两者温度供操作人员观察，温度变送器将其变送为模拟信号并提供给 A/D转换器。A/D 转换器将模拟信号转换为数字信号，供PLC 进行读取。