[发明专利]基于梯度折射率光学元件的共形整流罩及共形光学系统

说明书

技术领域

本发明属于光学成像技术领域，涉及一种应用梯度折射率光学元件设计的共形整流罩及共形光学系统。

背景技术

现有的共形整流罩像差校正技术，通过在整流罩和成像系统间增加像差校正光学元件进而提高共形光学系统的成像质量，这些方法虽然在一定程度上改善了系统的像质，但却增加了系统的重量，使系统结构更为复杂，降低了精密制导武器的可靠性。例如：

美国的Sparrold等提出了应用反向旋转位相板校正共形整流罩引入的像差，反向旋转位相板是两块垂直于光轴、绕着光轴向相反方向旋转的一对位相板。通过位相板的旋转，使入射光束产生特定的像差，进而补偿共形整流罩引入的像差。但是该装置涉及到精密的控制系统，降低了系统工作的稳定性。此外，由于反向旋转位相板校正像差能力有限，需要另外增加光学元件一起校正像差，又进一步增加了系统的重量，无法达到导引头小型化、轻量化、简单化的设计要求。

美国人Sparrold等，设计了拱形校正器，用于减小共形整流罩引入的像差。拱形校正器位于整流罩和成像系统之间。拱形校正器并非旋转对称光学元件，而是具有双对称轴的一类光学元件，因此具有更多的设计自由度。拱形校正器仅适用于滚转-点头式光学系统，并且该校正器随着成像系统的运动而运动。这无疑增加了控制机构的复杂性。此外，拱形校正器自身属于复杂光学元件，不仅加工难度大，而且该元件的引入又增加了系统的重量。因此，应用于实际精密制导武器的可能性不大。

北京理工大学李岩等应用静态与动态校正器相结合的方法校正了共形整流罩引入的像差。所谓静态校正器是指改变共形整流罩的内表面的面形，进而达到校正像差的目的。动态校正器是指应用可变形反射镜。可变形反射镜是光学与微电子技术相结合的产物。可变形反射镜通过电路控制，其表面面形能够变化，进而使入射光束的波面发生变化，达到校正像差的目的。但是可变形反射镜工作极其复杂，并且自身重量较大，不适用于精密制导武器系统中。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于梯度折射率光学元件的共形整流罩及共形光学系统，其可应用于精密制导武器导引头光学系统中，通过应用梯度折射率元件重新设计共形整流罩，改善共形光学系统成像质量，简化导引头系统结构，提高精密制导武器的制导精度。

本发明应用梯度折射率光学元件设计共形整流罩，依据梯度折射率光学元件自身折射率连续变化的性质，校正共形整流罩不规则形状引入的动态变化的像差。设计思路如下：

轴向梯度折射率光学元件折射率可以表示为：

n(z)= n₀+ n₁z+n₂z²+······+n₁₁z¹¹                   （1），

式中，z为沿轴线方向的坐标，                                               为折射率，为基底折射率，n₁、n₂……n₁₁为梯度折射率系数。

本发明的基于梯度折射率光学元件的共形光学系统由共形整流罩和内部成像系统两部分组成，所述内部成像系统为二次反射式系统，由主反射镜、次反射镜、第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜组成，入射光线依次经过共形整流罩、主反射镜、次反射镜、第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜后二次成像于共形整流罩中心位置。所有光学元件同轴设置，其中整流罩形状依据空气动力学要求设计。成像系统中的光学元件曲率半径、中心厚度以及光学元件间距均通过光学设计软件优化设计得到。