透射式紅外系統(tǒng)熱光學(xué)穩(wěn)定性關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著空間和軍事技術(shù)的發(fā)展，透射式紅外光學(xué)系統(tǒng)的使用越來(lái)越廣泛，苛刻的工作環(huán)境對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的性能提出了更高的要求。由于紅外材料對(duì)溫度變化的敏感性，熱環(huán)境是影響透射式紅外光學(xué)系統(tǒng)性能的主要因素，特別是對(duì)于彈載紅外光學(xué)系統(tǒng)，氣動(dòng)加熱的影響使得系統(tǒng)中存在較大的溫差。提高紅外光學(xué)系統(tǒng)在熱環(huán)境中的穩(wěn)定性，對(duì)于軍事技術(shù)的發(fā)展具有積極重要的意義。
　　本文重點(diǎn)研究了透射式紅外光學(xué)系統(tǒng)熱效應(yīng)相關(guān)理論、提高紅外系統(tǒng)熱光學(xué)穩(wěn)定性的關(guān)鍵技術(shù)以及系統(tǒng)熱光學(xué)穩(wěn)

2、定性仿真和實(shí)驗(yàn)方法，主要包括以下幾個(gè)部分：
　?。?）均勻溫度變化下光學(xué)系統(tǒng)的無(wú)熱化設(shè)計(jì)方法研究。研究了光學(xué)系統(tǒng)的熱效應(yīng)以及熱差產(chǎn)生的機(jī)理。基于熱差互補(bǔ)原理，設(shè)計(jì)了中波紅外（3.7~4.8μm）無(wú)熱光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在-40℃~60℃溫度范圍內(nèi)，均勻溫度分布熱環(huán)境中像質(zhì)穩(wěn)定，在17lp/mm空間頻率處調(diào)制傳遞函數(shù)達(dá)到0.5以上。
　?。?）軸向溫度梯度下光學(xué)系統(tǒng)熱光特性研究。研究了軸向溫度梯度下透鏡的形變及折射率分布。在此基礎(chǔ)

3、上，首先針對(duì)忽略透鏡內(nèi)部溫度梯度的情況，研究了光學(xué)系統(tǒng)無(wú)熱化設(shè)計(jì)原理及方法，提出了軸向溫度梯度下光學(xué)系統(tǒng)廣義消熱差條件；通過(guò)在靜態(tài)無(wú)熱T-C圖中引入軸向溫度梯度 tΔ坐標(biāo)，建立了軸向溫度梯度下的無(wú)熱T-C- tΔ圖；設(shè)計(jì)了軸向溫度梯度下的無(wú)熱光學(xué)系統(tǒng)，系統(tǒng)在-20℃~60℃溫度范圍內(nèi)，無(wú)論是否存在軸向溫度梯度，均能保持穩(wěn)定良好的像質(zhì)。其次討論了透鏡內(nèi)部軸向溫度梯度的影響，從光線追跡角度出發(fā)，研究了光線軌跡隨系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)變化的趨勢(shì)，在此基

4、礎(chǔ)上提出了改善光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)修改原則，并對(duì)原設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行了修改，使其在考慮透鏡內(nèi)部軸向溫度梯度的情況下亦能保持良好的像質(zhì)。
　?。?）徑向溫度梯度下光學(xué)系統(tǒng)熱光特性研究。建立了徑向溫度梯度下透鏡形變以及折射率分布的熱效應(yīng)模型，利用此模型研究徑向溫度梯度下光學(xué)系統(tǒng)性能隨系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)變化的趨勢(shì)，提出了徑向溫度梯度下的光學(xué)系統(tǒng)無(wú)熱化設(shè)計(jì)方法。運(yùn)用此方法設(shè)計(jì)了在徑向溫度梯度下無(wú)熱的光學(xué)系統(tǒng)，系統(tǒng)在-20℃～60℃溫度范圍內(nèi)，無(wú)論是

5、否存在徑向溫度梯度，均能保持穩(wěn)定良好的像質(zhì)。
　?。?）透鏡無(wú)熱裝配技術(shù)研究。針對(duì)完全圓周粘結(jié)固定的透鏡，對(duì)粘結(jié)層約束提出了一種新的假設(shè)，在此假設(shè)的基礎(chǔ)上推導(dǎo)了無(wú)熱粘結(jié)厚度方程，建立了無(wú)熱粘結(jié)厚度的簡(jiǎn)化模型和改進(jìn)模型。通過(guò)有限元分析方法，對(duì)一系列膠粘透鏡裝配體的無(wú)熱厚度進(jìn)行了仿真求解，并將仿真的結(jié)果與無(wú)熱粘結(jié)厚度方程計(jì)算的解析結(jié)果進(jìn)行比較，指出了方程的適用范圍。
　?。?）系統(tǒng)熱光學(xué)穩(wěn)定性仿真與實(shí)驗(yàn)。由于梯度溫度分布熱環(huán)境在