机载激光测距机光学系统设计中的几个问题
机载激光测距机光学系统设计中的几个问题
作者:魏炳鑫
激光测距仪由于其测距精度高, 在国外的作战飞机中都装有激光测距机。国内也进行了多年研制, 不久可望装机使用。机载激光测距机, 不仅对光学系统的性能提出了一些具体的要求, 而且对光学系统的外形尺寸有着严格的限制, 这种严格的限制却往往妨碍了光学系统性能的发挥。因此, 在设计机载激光测距机淤光学系统时, 如何根据对光学系统提出的技术要求及机上安装尺寸, 合理地确定光学系统的外形尺寸是一个需要进行多方权衡的重要问题。
本文仅对激光测距机光学系统的外形尺寸与光学性能的关系, 光学系统的象质平衡以及非球面透镜加工工艺性等问题,谈一点粗浅的看法。
一、激光测距机光学系统的外形尺寸与光学系统性能的关系
激光测距机光学系统的外形尺寸, 主要是指发射和接收天线的通光孔径和轴向尺寸。前者影响测距机的横向尺寸, 而后影响测距机的长度另外, 发射和接收天线的通光孔径又是直接影响光学系统性能的一个参数。
一般目镜的直径由激光束从谐振腔射出时光束直径的大小来决定, 通常为到毫米。若物镜通光孔径越大, 那么波束角的压窄倍率也就越大。因此, 激光束通过发射天线后变得光束粗而发散小, 照射到目标上的光斑直径就小, 光能量也就比较集中。
增大接收天线的有效通光孔径,可以提高光探测器接收到的激光回波功率,因而有助于提高激光测距范围。
置于光学系统的轴向尺寸,主要是由发射天线和接收天线的物镜焦距所决定。当物镜的通光孔径确定后,焦距大小就决定了物镜的相对孔径而相对孔径的大小决定了物镜结构的复杂程度, 相应地也就影响到测距机的体积重量。若物镜采用非球面透镜时, 相对孔径的大小又决定了非球面度的大小, 仑直接关系到非球面加工的难易程度。
总之, 要想提高激光测距范围, 都要求增大发射天线和接收天线的通光孔径而要简化物镜结构, 改善非球面加工工艺性, 则要降低物镜的相对孔径, 随之则要增大物镜焦距。但是, 通光孔径和物镜焦距的增大, 直接影响到激光测距机的体积重量, 甚至在飞机上的安装。如何确定发射天线和接收天线的通光孔径, 以及物镜的焦距, 需要进行各方面所权衡。在体积重量允许的前提条件下, 增大光学系统的通光孔径和物镜焦距, 对提高测距机的性能, 以及使非球面光学件加工方便、保证质量都是有益的。
二、发射天线光学系统的象质平衡
为使测距机的结构紧凑, 减少系统能量损失, 发射天线采用倒置的伽里略望远系统参见图一。该系统有物镜和目镜两个组元。这种望远系统一方面起到扩束作用, 另方画界可乒窄激光束的波束角。通常, 光学系统中的目镜采用平凹或双凹负透镜, 而物镜既可用一般透镜组也可采用非球面透镜。为简化物镜结构, 减少光学系统中的能量损失, 又能佼系统的象质得到满意的平衡, 我们将物镜设计成单片平凸型的非球面透镜以非球面接受平行光束, 此时有较小彗差, 而目镜采用单片双凹负透镜。这样, 整个发射天线的光学系统只有两片透镜组成。
对这样一个系统在进行象质平衡时,因工作是单色光波而且视场很小, 我们只考虑平衡物镜和目镜袖上点的球差。首先, 算出目镜各带光线的球差, 然后使物镜各带光线的球差与目镜各带光线的球差相匹配。然而, 二次非球面不可能使各带光线的球差都能与日镜各带光线的球差有较好的匹配补偿, 我们采用了消球差的三次非球面。
根据算出的球差数据, 书勺镜与目镜各带光线的球差并非正好匹配补偿, 而是还有少量差异。我们知道, 物镜各带光线在通过目镜时, 不见得与目镜一计算球差时所取的各带光线恰好对应重合, 而是存在着一定差别。我们设计发射天线的最终要求是使光线通过发射天线后产生最小的发散角。为此, 在设计过程中除了物镜与目镜的球差有较好的匹配补偿外, 另外一点就是要恰当地调整物镜与目镜之间的间隔距离d2.由此可以看出, 在设计发射天线的物镜和目镜时, 除了使物镜和目镜的球差相匹配补偿外, 调整物镜和目镜之间隔距离乃是重妥的, 它可使发射天线在物镜和目镜球差校正不完善的情况下产生的光束发散或会聚角较小。
三、非球面物镜相对孔径
与加工工艺性的关系在设计发射和接收天线的非球面物镜时, 不仅要有良好的象差平衡结果, 而且还必须考虑设计出的非球面物镜的加工工艺性。加工工艺性的好坏不仅涉及到非球面加工的难易程度, 加工费用的高低, 而且还关系到能否保证所要求的质量。判断非球面加工难易的标准, 主要看其非球面度的大小。现在, 一般都采用最接近球面法来磨制轴对称非球面光学零件。按这种方法加工时, 要求最大非球面度小于毫米。若最大非球面度大于毫米时,实践证明加工质量很难保证要求。
1.最接近球面的计算
2.最大非球面度的计算
最接近球面与非球面间的最大偏离量叫做该非球面的最大非球面度参看图四。最大非球面度的大小决定了加工非球面面形的难易程度一甘值越大, 加工越难。过去, 我们在设计吕匕激光测距机光学系统时, 由于片面地追求结构尺寸的紧凑, 在通光孔径不变的情况下, 尽量压缩透镜焦距。这样做的结果,必然使非球面物镜的相对孔径过大, 由于中心厚度大, 造成了‘ 非球面面形凸, 非球面度大。加工时, 由于最接近球面和非球面之间的偏离量大, 磨制非球面的修切量大, 面形不易修整, 而且在修整面形时容易产生塌边。在镀膜时, 中心部分和边缘部分的膜厚不易控制均匀一致, 透过率将会受到影响。因此, 在这种情况下要满足给定的设计要求就比较困难。在研制过程中, 根据加工师傅的意见和我们的实验结果, 发现由于非球面物镜相对孔径过大很难实现我们预想助设计结果, 于是适当加长了发射天线的轴向尺寸, 取非球面物镜的焦距‘ , 相对孔径降低为, 。最终设计结果, 发射天线光学系统的轴向尺寸仅加长了招, 而最大非球面度降低到氏一。加工时, 师傅反映由于非球面面形变平比前者好加工多了, 既省工时又能保证质量并且, 中心和边缘部分的膜厚也较易控制均匀一致。经加工装配后, 测试结果良好。
根据我们在设全和加工中所得的经验, 设计非球面透镜在空间安装尺寸许可的条件一「, 尽可能地选取较大的通光孔径, 而又不使相对孔径太大。相对孔径的选择, 应使最大非球面度、不超出。为佳。这样, 既照顾到波束角有较大的压窄倍率, 又使非球面透镜有比较良好的加工工艺性, 从而得到比较优良的综合设计效果。上述各点, 仅是我们在设计机载激光侧距抓光学系统时所得的一点体会。由于水平所限, 文中会有不少缺点或错误, 请有关同志给予批评指教。
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