基于非球面固定校正镜的共形光学系统设计

    引言

    随着红外光学技术的发展，对军用红外光学提出了更高的要求。目前使用的整流罩通常采用半球形结构，其设计、加工工艺已相对成熟，应用也比较广泛。但半球形 结构也存在一些难以克服的不利因素，最明显的是空气动力学性能受到一定的制约，在追求高速远射程的场合，无法获得更佳的作战性能。与半球形整流罩相比，共 形整流罩的表面呈椭球形，即径长比大于 0.5，其气动外形明显优于半球形结构，可以提高飞行速度以及带来更远的射程。据报道，时速为 3Ma的导弹，在采用径长比为 1.5 的共形结构时整流罩给弹体带来的阻力仅为球形结构的一半，并且整流罩的空气阻力系数随径长比的增大也逐渐降低^[1]。 其次传统半球形整流罩的包角一般小于 180°，包含光学系统进行搜索跟踪的位标器框架回转中心与整流罩球心重合，当搜索角度较大，也就是跟踪场最多大于 60°左右时就会产生遮挡，对其后的成像光学系统带来许多不利影响。而共形整流罩由于椭球表面狭长的结构特点，可以通过调整与位标器框架回转中心的轴向间 距，从而获得比球形结构更大的无渐晕观察视场。

    共形整流罩采用椭球面的结构设计代替球面设计的整流罩，然而在降低阻力的同时，这种非球面结构也引入了严重的随着搜索场而不断变化的非轴对称像差。为了校 正共形整流罩随搜索场变化的各种像差，可以尝试的像差校正方式有多种，如在头罩后加入固定校正板、弧形校正板、对旋的位像板、能够轴向移动的位相板或者柱 面透镜等^[2]。其中除了固定校正板结构外，其他的校正器都是在光学系统中加入一个动态像差校正单元，通过在不同的搜索场时精确控 制像差补偿单元的旋转、移动、偏心等提供相应的像差补偿量，从而起到动态校正像差的作用，故对控制系统的精度要求非常严格。固定校正板是指固定于共形头罩 和成像系统之间某位置处的像差校正器，它不能够动态的校正像差，但可以对不同观察视场产生的像差有一定的补偿作用，使共形结构各观察视场的像散和彗差趋于 平滑，达到改善共形整流罩成像质量的目的。

    1 设计方案

    1.1 设计思路

    考虑到动态像差校正器对控制像差补偿器的机械控制系统精度要求较高，现实应用会带来一定的困难，为贴近实用，本方案拟采用固定校正板进行像差校正。

    首先进行系统建模，确定初始结构。设计了长径比为 1.1 的共形整流罩，综合考虑常用红外整流罩材质的制备、加工特性，选用了氟化镁材料。