（光学工程专业论文）微光应力系统研究.pdf

摘要 微光应力系统是夜视仪可靠性试验设备中的重要组成部分，为待检夜视仪提供满足 国军标要求的光应力。 本文侧重对微光应力系统中的光照度进行理论分析与计算；运用m o n t e - c a r l o 方法， 建立追迹光子运动轨迹的数学模型，对积分球式光源进行计算机模拟，得出了积分球 四个出口处的光照度分布，与理论分析及实测结果吻合；对在大视场、宽光谱准直光 管及施加温度应力情况下的各挡光应力进行计算，就切换机构提出设计方案；最后， 给出了光应力检测及控制部分的实施方案。 本微光应力系统所采用的共光源布设，光源利用率高，施加的光应力一致性好，便 于四组实验结果对比，易满足新型号微光夜视仪的实验要求。 关键字：微光应力系统积分球m o n t e - c a r l o 模拟光应力监控 a b s t r a c t a b s t r a c t ：t h el o w l i g h t - l e v e ls t r e s ss y s t e mi st h em o s tp a r to ft h el o w - l i g h t l e v e ln i g h t v i s i o ne q u i p m e n to ft h er e l i a b i l i t yt e s t s ，i ti so f f e r e dt h el i g h ts t r e s sw h i c hm e e t e dt h e m i l i t a r yr e q u i r e m e n t so ft h es t a n d a r df o rt h el o w - l i g h t - l e v e ln i g h tv i s i o n t h i s p a p e rm a i n l ye m p h a s i s e so nt h ei l l u m i n a n c ea n a l y z e da n dc a l c u l a t e d o ft h e l o w - l i g h ts t r e s ss y s t e m u s i n gt h em o n t ec a r l om e t h o d s ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lw h i c h t r a c i n gt h et r a j e c t o r i e so ft h ep h o t o n si se s t a b l i s h e d ，c o m b i n e dw i t ht h et e c h n o l o g yo f c o m p u t e r ，t h ei n t e g r a t i n gs p h e r eo ft h el i g h ts t r e s ss o u r c ei ss i m u l a t e da n dt h ei r r a d i a n c e d i s t r i b u t i o nr e s u l to ft h ef o u re x i tp o r to ft h ei n t e g r a t i n gs p h e r ec a nb eg a i n e d ，i ti sm a t c h e d w i t ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s i na d d i t i o n ，i nc a s eo fa d d i t i o n a l o b j e c t i v eo fc o l l i m a t o rw h i c hh a sw i d ef i e l da n db a n d sa n di m p o s i t i o no ft h e r m a ls t r e s s ，t h e l o w - l i g h ts t r e s si sc a l c u l a t e da n dp r o p o s e dt h es w i t c h i n ga g e n c i e sd e s i g nm e t h o d a tl a s t s o m ed e t e c t i o nc o n t r o lc i r c u i th a r d w a r ed e s i g nf o rt h er e l i a b i l i t yt e s t i n ge q u i p m e n th a sb e e n a c c o m p l i s h e d t h e r ea r em a n ya d v a n t a g e su s i n gt h eat o t a lo fl i g h ts o u r c e sw h i c hu s e di ni t sr a d i a ll a i d ， t h eu t i l i z a t i o nr a t eo fl i g h ts o u r c e s ，t h es t r e s si m p o s e db yt h ec o n s i s t e n c yo fl i g h t ，c o n v e n i e n t t oc o m p a r et h er e s u l t so ff o u re x p e r i m e n t s , e a s yt om e e tn e wm o d e l so fe x p e r i m e n t a l l o w l i g h t l e v e ln i g h tv i s i o nr e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：l o w t i g h t - l e v e ls t r e s ss y s t e mi n t e g r a t i n gs p h e r e m o n t e - c a r l os i m u l a t i o n f i g h ts t r e s sd e t e c t i o na n dc o n t r o l 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，微光应力系统研究是本人在指 导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容 外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：王高鳗互辨互月聋日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印 一 或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：墨鱼塑趟年互月型日 指导导师签名： j 月碰日 1 1 研究的背景及意义 第一章绪论 微光应力系统是微光夜视仪可靠性试验研究的关键之一，随着微光夜视技术的飞 速发展，武器装备可靠性理论与试验技术的日趋成熟，可靠性已成为微光夜视仪等光 电高技术装备的重要战术技术指标。 所谓“微光是泛指夜间低照度下微弱的光或能量低到不能引起视觉的光。微 光夜视仪是微光夜视系统中的一种，微光夜视系统分为直视系统和间视系统两种，直 视系统称为微光夜视仪，间视系统称为微光电视系统。微光夜视仪是采用光电子成像 的方法，以开拓人眼的视觉。它的基本任务是扩展人眼在低照度下的视觉分辨能力， 即扩展人眼在低照度下对光信息的探测能力；提高人眼对光信息空问分布的识别能力： 展宽人眼对光谱波段的探测范围。它所关心的光谱区域是指由月光、星光、大气辉光， 以及月光和星光的散射所综合形成的夜天辐射。 微光夜视仪发展于六十年代，它是利用目标反射的星光、月光和大气辉光通过像 增强器达到人眼能进行观察的一种夜视仪器。因为这种仪器是被动式的成像系统，克 服了主动红外夜视仪容易自我暴露的致命弱点，所以更适合部队夜战应用。经过四十 几年的开发，微光夜视仪己相继成功研制了四代产品n 3 钉。 ( 1 ) 第一代微光夜视仪 1 9 5 5 年，a h s o m m e r 发现，若将n a ：k s b 双碱光阴极进行处理，所形成的n a ：k s b ( c s ) 三碱光阴极( s 一2 0 ) 具有很高的灵敏度，且在可见光波段直到近红外有很高的光谱响应。 这一新的光电发射体使低照度下图像增强成为可能。随着纤维光学的发明和同心球电 子光学系统的研究成功，以纤维光学面板作为输入、输出窗三级级联藕合的像增强器 问世，被称为第一代像增强器( 即一代管) 。其工作原理是：极微弱的目标图像通过光 学系统成像在纤维光学输入窗上，传输到光阴极上，通过电子光学系统将自光阴极逸 出的光电子加速并聚焦到荧光屏上，形成可见光的输出图像；图像经过纤维光学传输 到下一级。这样，经过三级增强，使一代管具有很高的增益，从而可以在微光下“被 动”工作。采用一代管微光夜视仪称为第一代微光夜视仪。 第一代微光夜视仪的优点是：( 1 ) 不用照明源，全被动式工作，隐蔽性好；( 2 ) 增 益高，成像清晰。缺点是：( 1 ) 防强光性能差；( 2 ) 体积大，重量重，限制了它的使用 范围。 ( 2 ) 第二代微光夜视仪 第二代像增强器的研制始于6 0 年代。为了克服第一代像增强器的缺点，7 0 年代初 成功研制了能实现电子倍增的二维元件微通道板( m c p ) ，它由上百万个紧密排列的 空心通道( 光学纤维) 所组成。通道板的两个端面镀镍，构成输入和输出电极。通道的 内壁具有较高的二次发射特性，入射到通道的初始电子在电场作用下使激发出米的二 次电子依次倍增，从而在输出端获得很高的增益。利用m c p 的像增强器称为第二代像 增强器( - - 代管) 。它具有二种聚焦形式；锐聚焦和近贴聚焦，分别称为倒像管和二代 薄片管。采用二代管微光夜视仪称为第二代微光夜视仪。 第二代微光夜视仪的优点是：( 1 ) 二代管的长度仅为级联一代管的1 5 1 3 ，畸变 小，分辨力高，因此二代微光夜视仪的外形尺寸较一代微光夜视仪大大缩短，重量轻； ( 2 ) 二代管具有防强光和自动亮度增益控制特性；( 3 ) 二代微光夜视仪的作用距离较一 代微光夜视仪提高1 5 倍( 月光下) 1 8 倍( 星光下) ；( 4 ) 可以在夜间保证隐蔽情况下 进行工程工作，如修理仪器，排除地雷等。缺点是：( 1 ) 由于采用的是多碱光阴极，近 红外响应较差，对夜天光未能充分利用；( 2 ) 体积及重量仍不适合作微光夜视眼镜。 ( 3 ) 第三代微光夜视仪 1 9 6 5 年，s c h e e r 和v a n l a a r 发明了负电子亲和势( n e a ) 光阴极。负电子亲和势光 阴极灵敏度很高，大部分光谱区波段都比s 一1 和s 一2 光阴极要高好多倍，在近红外波 段有很高的响应，量子效率比s - 1 光阴极高几十倍，暗电流仅是s - 1 光阴极的千分之 一。 第三代像增强器( 三代管) 是在二代薄片管的基础上，将n a 。k s b ( c s ) 三碱光阴极置 换为g a a s 负电子亲和势光阴极，具有高灵敏度、高分辨力、宽光谱响应、高传递特性 和长寿命等优点，且g a a s 光阴极的光谱响应波长到0 9 3 比m ，近红外响应度高，在这 一光谱区的光电子发射较二代多碱光阴极约增长4 倍，能更充分的利用夜天自然光， 因此三代夜视仪的作用距离较二代夜视仪提高了3 0 以上。但由于制作三代管涉及超高 真空技术、表面物理技术、大面积高质量的单晶和复杂的外延生长技术，难度大，价 格昂贵而限制了其在微光夜视仪上的应用。 ( 4 ) 超二代微光夜视仪 “超二代微光 一词最早是由法国r t c 公司的研究人员首先提出的，美国i t t 和 l i t t o n 等公司称其同类产品为二代半或i l 十微光管，系专指性能介于二代微光和三代 微光之间的一类产品。 超二代管是在二代管的基础上，通过提高光阴极的灵敏度，减小微通道板噪声因 数，提高输出信噪比和改善整管的m t f ，分辨力和输出信噪比提高到接近三代管的水平。 超二代微光夜视技术借鉴了三代微光负电子亲和势g a a s 阴极出现后逐渐成熟的光 电发射和晶体生长理论5 ，并采用先进的光学、光电检测手段，使多碱阴极灵敏度由 二代微光的2 2 5 4 0 0 u a t m ，提高到6 0 0 7 0 5 1 t a l m 。红外辐射灵敏度在波长 0 8 , u r n 处达6 5 # a w ，在0 8 5 1 比m 处达5 0 肛彳，长波阈已大于0 9 5 , u r n ，分辨力达到 3 8l p m m ，噪声因子下降到了7 0 ，夜间观察距离较二代提高3 0 5 0 。超二代微光技 术目前正由平面近贴管向曲面倒像管扩展，性能将会进一步提高，阴极长波阈还将进 一步延伸，有可能解决主被动合一、微光与红外兼容的问题，因而具有极大的发展潜 2 力和广泛的应用前。 由于在超二代管上取得的进展，超二代微光夜视仪获得了很大的突破，不少场合 已取代了二代微光夜视仪。二代管、超二代和三代管的特性见表1 1 。 为了进一步解决在极低微光下的应用，出现了杂交管。它是以二代薄片管或三代 管作为第一级，单级一代管作为第二级相藕合的组合式像管。其优点是增益很高，并 有可能减小微通道板的增益以寻求信噪比与增益之间的最佳折衷，而分辨力比二代薄 片管仅下降1 0 。它充分运用各自的优点，使增益和信噪比充分发挥出来。 表1 1 二代管、超二代和三代管的特性比较 特性二代管x x l 6 1 0 超二代a n p v s - 7 三代管a n v i s 三代管 光阴极灵敏度 ( 肛a l l m ) 2 4 05 0 08 0 010 0 0 辐射灵敏度 8 3 0 n t o ( m a w ) 1 5 4 51 0 0 8 8 0 n t o ( m a w ) 1 54 06 0 信噪比( 1 0 4 l x ) 1 2 71 5 51 4 51 6 2 分辨率( 1 p m m ) 2 53 62 83 6 增益( 倍) 75 0 02 00 0 02 00 0 02 00 0 0 一代管和二代管采用的是s b k n a c s 多碱阴极，其光谱响应范围在3 5 0 9 5 0 n m 之间，峰值波长为4 2 0 h m ，主要响应在可见光波段。超二代管采用的是改进型的多碱 阴极，其光谱响应范围为4 0 0 9 7 0 n m ，峰值波长不再为单一波长，而在6 0 0 8 3 0 h m 波长范围内积分灵敏度几乎相同，与改进前相比灵敏度提高了，主要响应波段接近近 红外。三代管采用g a a s 负电子亲和势阴极，光谱响应范围为4 5 0 9 5 0 n m ，峰值波长 范围为6 5 0 9 0 0 n m ，近红外响应度高，对星光具有更好的响应能力，因此不同光谱辐 射的光源对微光夜视仪的性能影响很大。 ( 5 ) 第四代微光夜视仪 国内外文献对第四代微夜视技术和四代微光管有几种不同的定义，其中一种是电 子轰击c c d ( e b - c c d ) 像增强微光电视；一种是光阴极长波响应延伸到近红外 ( 0 9 1 6 j u m ) 或远红外( 4 1 4 z m ) 的像增强技术；另外美军将具有自动开合装置和无 镀膜微通道板的高性能像增强器称为第四代微光管。更普遍的看法认为嗨：凡是采用 新原理、新技术将原来二代、三代微光像增强器的响应波长进一步延伸扩展到近红外、 中红外、远红外，并仍采用微光夜视的光电一电光转换、聚集和像增强等技术的都应 该称为第四代微光夜视技术。其中，最具代表性的是复合热红外光阴极像增强器、红 外转换屏像增强器以及l i t t o n 和i t t 公司研制的适用于极弱照度下的无镀膜微通道板 3 像增强器。 欧美各国对发展微光夜视仪一直非常重视，均投入大量的人力、物力和财力，并 纷纷建立起国家级的实验室来进行研究，如美国的陆军夜视一电光实验室、英国的皇 家雷达信号研究所、法国的l e p 电子物理实验室，还在一些大学设有相应的电子实验 室或研究中心。从投资强度来看，美国在9 0 年代初每年投资1 0 亿美元来发展夜视技 术。虽然美国的国防预算呈下降趋势，但对发展夜视技术的投资仍以每年2 5 的速度 递增，9 0 年代末己达到1 4 亿美元。 国内微光夜视技术从整体上来说基本相当或接近于国外7 0 年代末、8 0 年代初的技 术水平，与欧美国家的先进水平相比，大约落后1 0 2 0 年。按世界各国微光产业综合 指标( 投资、水平、规模、效能) 排队顺序来看，美国、前苏联和英法等国名列前茅， 我国位居中游，与意大利、日本等国相当。 我国一代微光在国内大量研究的基础上，从国外引进生产线而形成一定的批量生 产能力，产品性能与国外水平相当，目前已有多种产品装备部队。 我国二代微光主要通过国内研究和从国外引进部分设备和技术，已建立了几种管 型( 2 0 3 0 ，2 5 2 5 ，1 8 1 8 近贴) 的生产线，年产量约为2 0 0 0 - 3 0 0 0 只。二代微光是 目前我国装备部队的主要夜视仪器。国内二代微光存在的主要问题是管型品种不全， 没有形成系列；尤其是高性能低噪声m c p 、光纤面板等基础材料和高灵敏度光阴极等技 术问题尚未得到根本解决，影响到我国微光夜视的产业规模。 我国三代微光利用十分有限的条件已初步建立起三代微光工艺线，流通了工艺， 已进入单项攻关和样管试制阶段。无论从投资强度、国内配套技术基础和研究水平上， 与国外差距还很大。 我国第四代微光夜视技术目前还处于分析论证阶段。其中3 5 z m 红外换屏像增强 技术已设立基础研究项e l 开始工作，并取得了一些初步进展3 5 j c l 朋和8 1 4 比m 复合 热红外像增强器目前还未起步，尚处于分析论证阶段。 如上所述，我国微光夜视技术发展缓慢，与先进国家相比有很大的差距，而在投 资强度、设备条件、配套基础材料、元器件性能质量等方面的差距更大。因此，必须 给予足够的重视，否则差距将会越来越大。 随着微光夜视技术的飞速发展，武器装备可靠性理论与试验技术的日趋成熟，可 靠性已成为微光夜视仪等光电高技术装备的重要战术技术指标。美国及西方先进国家 在进行微光夜视技术的研究的同时，也非常重视其可靠性研究，使微光夜视仪可靠性 水平得到了很大提高。美国等西方一些发达国家建立了的微光夜视器件及仪器性能检 测实验室，据说可对微光夜视仪器在实验室进行实战条件模拟7 - 盯。因技术保密的缘故， 至今未见关于这方面的全面报道，但能够从他们有关微光夜视仪器性能评价资料中分 析得出他们微光夜视实验室的一些概貌。估计能从光度和光谱两方面模拟野外夜天光 光度和光谱特性，以检测微光夜视器件及仪器的实际作战能力。 我国微光夜视技术起步较晚，而对产品可靠性研究相对落后。近年来国家对夜视 4 仪可靠性试验设备的配会研究加大了投入。“九五”未至“十五”初，由长春理二【：大学 承研的微光夜视仪可靠性试验系统，开创了国内外该项工作的先河，其总体技术水平 达到国际先进水平，关键技术指标m t b f 已超出技术要求一倍以上，至今仍正常的进行 可靠性试验，为国家兵器靶场考核夜视仪可靠性提供科学、准确的试验依据。微光夜 视器件及仪器性能的检测采用标准a 光源( 2 8 5 6 k ) ，通过野外实验来修正。在光源照度 和分辨力靶的对比度方面，也进行了野外条件模拟。此外还开展了夜天光的光度特性、 光谱分布、实战条件模拟。 近期随着国军标g j b 2 4 2 2 - - 9 5 的修订完善谤1 ，可靠性试验剖面也将做相应的改动， 原微光夜视仪可靠性试验设备需做相应更新；近年陆续研制出大视场的二代半或三代 微光夜视仪，也需做相应的可靠性定型试验 t o l 为此必须新配置中等口径、大视场的 光应力系统；为对各类微光夜视仪可靠性进行科学全面的试验考核，从而给出客观准 确的试验结论，对原试验设备进行功能配套和更新改造，是十分迫切和必要的。 微光应力系统是微光夜视仪可靠性试验研究的关键之一，对全面准确完成微光夜 视仪可靠性试验任务、提升国家常规靶场可靠性试验能力以及改进微光夜视装备研制、 生产，确保夜视武器系统战斗力，提高我军夜战装备水平与整体作战能力有重要现实 意义。 1 2 系统要求及主要研究内容 微光夜视仪的可靠性试验是整机非破坏性的鉴定试验，统计试验方案是以指数分 布为基础的定时截尾试验，它有以下几个特点：其试验方案的鉴别比为2 3 ，以指标 规定的m t f 为试验试验周期长；试验条件均为微光暗室，要求试验装置的自动化和智 能化程度高，对应力水平的控制精度、试验监测、结果判断和评定要求严格。 微光应力源为被试微光夜视仪提供四档光照度，分别为l x l o 一x 1 0 ， l x l 0 - 2 x 5 0 ，l 2 x l o - a x ，1 2 x l o 4 x 。光源出口处光照度不均匀度为 尘= 垒s1 0 l 。+ l 随 微光应力系统是试验设备中的一个重要组成部分，它为被试夜视仪提供特定照度 的目标。微光应力系统由小积分球式光源、光应力自动切换装置、大积分球、大视场 准直光管以及光应力的监测与控制系统等构成。本文在对夜视仪可靠性试验系统分析 基础上，结合新增准直光管及高低温试验、强闪光等设施，对可靠性试验设备的微光 应力系统的关键技术做深入探讨；对配套的光应力系统作出理论计算和设计；依据积 分球原理与蒙特卡罗模拟方法，对积分球光照度进行计算机模拟，确定了积分球结构 参数；最后就光应力自动切换装置及光电检测监控系统提出设计方案。 5 2 1 系统组成方案 第二章微光应力源 2 1 1 系统组成 原微光夜视仪可靠性试验设备的总体布设采用积木式结构，由光应力系统、电应 力系统、温度应力系统、监测与记录系统、试验系统工作台、监控工作台及系统总电 源等组成“2 1 ，如图2 - 1 所示。 图2 1 试验设备的系统组成框图 按修改的国军标规定的试验剖面要求，结合新型微光夜视仪的技术需求，要逐一 落实配套项目、技术指标及相关要求。要将配套系统与原试验设备优化配套，并力求 保持原试验设备的功能与优势。 配套后的试验设备的整体布设如图2 - 2 所示t t o l 。试验设备的总体布设仍采用积木 式结构，但试验光应力源的施加备有两套( 各四组) 准直光管，并可依据被试微光夜 视仪的技术要求选定。两套准直光管均可与积分球的法兰盘出口对接。当需施加温度 应力时，四具被试微光夜视仪置于高低温试验箱中，通过箱内的四具调节支座( 含相 应导轨) ，可将被试品调至与准直光管共轴。所需的光应力，通过高低温试验箱的入射 窗口( 需加热防霜) ，施加到被试微光夜视仪物镜中。被试微光夜视仪的故障图象信息 通过高低温试验箱的出射窗口传出，再由室温状态下的c c d 摄像机接收并传送至故障 图象监控处理系统。试验所需的电应力通过专用导线施加到微光夜视仪上。 本方案的特点是只有微光夜视仪与调节支架放温度箱中，便于温度控制与试验调 节。所加温度试验箱的布设方式与原试验设备协调、紧凑。 6 图2 2 改造后系统试验设备的布设简图 在电源启动时，安装在小积分球处的光电探测器将光信号转变成电信号，经过放 大器电压跟随器送入电器箱并显示光强值，调节灯座位置使光强度值与标称值一致， 光源发出的光经小积分球漫射后，经法兰盘通光孔射向大积分球，经大积分球的多次 漫反射后形成均匀的光照度，由四个出射孔射向带有分辨率板的准直光管并在出瞳处 形成平行的微光，其光照度值由有效光强测定仪定期采样检测。试验过程中，由于光 应力源的传输通道的参量是不变的，对光应力的稳定性监测可由小积分球的光照度稳 定性监测来替代，还可借助小积分球内壁处的光电二极管将光强转变为电信号，使其 精度与采集频率满足监测指标要求。试验需要的照度等级由步进电机切换光阑实现。 试验时夜视仪对准准直光管的物镜，c c d 摄像机位于夜视仪出瞳处，通过图像采集与处 理计算器记录，实时记录故障图像，并且能在试验结束后进行处理和回放。 其中光应力分系统为微光夜视仪提供试验所需的目标微光环境，并连续监测光源 发光强度和所施加的光应力水平。 2 1 2 积分球式光源 此设备中选取积分球式光源，积分球作为一个均匀的光衰减器，主要是给微光夜 视仪提供照度均匀的无限远平行光，它是由内壁涂有白色漫反射材料的两个空腔球体 对接而成。其技术要求如下： 光源：采用2 4 v 、4 0 w 、光通量6 3 0 l m ，色温2 8 5 6 l o ok 的钨丝充气a 光灯， 每只灯泡的寿命 1 0 0 小时，电源的稳定度为5 。安置在半径s r 一1 5 0 m m ，涂层反射 率p ；0 8 0 0 9 0 ，小积分球中心处，由a 光灯发出的光经小积分球内腔面多次漫反射， 进行初步匀光，通过半径r o 5 0 m m 的出e 1 经过光应力切换装置，入射到半径 r ；5 0 0 r a m ，涂层反射率p ( a ) 。0 8 0 的大积分球内，经过多次的漫反射，使出射光达 到光谱成分均匀分布，光照度均匀分布。 光应力：提供微光夜视仪物镜处照度为：1 x1 0 。1 x 1 0 ，1 1 0 之氏5 0 ， 7 1 2 】0 - 3 幻，1 2 1 0 _ 4 。l j l j 档照度不均匀度小于2 0 ，有效光强测定仪的探头有效 直径规定为矿1 0 q 6 1 5 m m 。 2 1 3 温度应力系统 温度应力系统配置的高低温试验箱，应为被试夜视仪提供足够大容积与控温精度 的试验环境。此外，还应对试验箱体的外形、结构以及与微光夜视仪匹配的出、入窗 口联结方式及监控等提出研制技术要求，并按此要求制做满足可靠性试验要求的专用 试验箱。存在温度应力的光应力施加方案如图2 3 所示1 。 图2 3 存在温度应力时的光应力施加方案图 1 ) 高低温箱 高低温箱应与原试验设备的布设配置吻合，故设计成四组扇状单元箱，各单元箱 有专门的出射窗、入射窗和方便取放、调试被试品的箱门以及电缆通道等。各箱体通 过滑轨可沿准直光管轴向移动并锁定，以适应两套准直光管的更换需求。 高低温试验箱容积应足够大，以便能放置不同型号的被试微光夜视仪、短导轨及调 节支座，并留有手工操作空间。高低温箱的有效容积( 长宽高) 应大于3 8 0 3 0 0 3 5 0 脚。当用大视场平行光管试验时，四个扇状高低温箱呈现临近位置，故以此确定 每个单元外形尺寸：高7 0 0 9 e m 宽7 0 0 脚, 扇面大端1 0 0 0 z 删, 小端5 5 0 z 聊；温度调节范 围及施加精度满足温度应力要求；预留与整个试验监测与控制系统的接口。为在试验 中保持箱腔内温度的稳定、均匀，并能快速地进行温度调节，除对高低温箱的控温性 能要求之外，各单元箱体工作时可与储温箱通过管道联通。高低温的调节与控制可独 自实现，也可由计算机操作完成。 2 ) 入射窗及光应力施加 8 ( 1 ) 入射窗口方案 高低温箱的入射窗口是连接常温状态光应力源与施加温度的被试品的光应力通 道，窗口内外温差很大。设计首要考虑因素是如何减小热传导，以及消除腔体低温时 的结霜现象。为此提出如图2 4 所示的入射窗口结构方案。 带有双层高质量玻璃的绝缘窗体粘接到高低温箱的开孑l 壁上。外层玻璃由密封胶 圈与压盖固定，内层玻璃也以大致方式固定，保证玻璃层间气体与外界隔绝，气体的 热胀冷缩产生的附加压力，可由窗体小孔与沟槽相通得以释放。为防内层玻璃低温时 结霜，玻璃四周镀导电膜或安放导电环散热。 图2 4 入射窗口方案图 ( 2 ) 光应力的施加 ( a ) 施加光应力时，对于原准直光管物镜及大视场物镜，光应力都受到加温度应力 后的窗口玻璃光吸收影响，在微光夜视仪入瞳处的光应力值要变小，故物镜处光照度 需有一定预备量。 ( b ) 在入射窗处应施加防光扰动措施。 ( c ) 入射窗的设计应尽量减少热传导，导电环既要保证腔体不结霜又要避免因温度 变化不均匀产生的空气温度梯度，造成附加波差，影响夜视仪成像质量。因此在导电 环周围加上散热罩，使温度变化均匀，避免温度梯度的产生。 ( 3 ) 出射窗接口 考虑目前只能购买到民用c c d 相机，并且民用c c d 相机只能在常温下进行试验工 作，因此，采用高低温箱的出射窗与箱体柔性连接的方式，以便c c d 相机通过调节台 可调节相对试被品的出瞳位置，实现故障图像的采集与监测。出射窗接口方案如图2 5 9 所示。柔性罩为一可沿轴向折叠的绝热罩，其外为绝热的硬质护罩。柔性罩一端在箱 体出口处与箱体密封固连，另一端与出射窗密封连接，而窗口又与c c d 镜头组件密接。 c c d 及后续处理电路处于常温工作状态。出射窗周边装有导热环防结霜。 由于c c d 相机进行实时采集，并以瞬时的多幅平均值做基准来提取故障图像，故 出射窗附近的残余的温度变化，对标准图像与故障图像的影响是一致的。可通过图像 处理软件剔除掉。可见，上述出射窗接口方案及相应图像处理软件能够实现温度应力 下的夜视仪故障判别与提取。 图2 5 出射窗接口方案图 2 1 4 大视场宽光谱准直光管 新增设的准直光管的主要技术参数有口径、视场、焦距、工作谱段和m t f 值。主要 是为适应近年来新设备的大视场、较小倍率的微光夜视仪的光应力试验而设置的 i o l 。 准直光管的有效通光口径、视场应与夜视仪的相匹配，并留有一定余地。故确定口径 6 0 r a m , 全视场角2 0 。；准直光管物镜焦距的选定与光能量、最小分辨尺寸、轴外像 差的平衡、渐晕、光照度不均匀性、光管轴向尺寸以及积分球法兰盘接口尺寸等因素 有关。综合考虑上述诸项影响因素的利弊关系。准直光管的焦距厂一5 0 0 5 5 0 r a m 为 宜；物镜的复消色差谱段为0 4 8 6 0 8 6 3 卫m ；准直光管的综合像质( 包括残余像差和 制造误差等) 应是优良的，并与被试微光夜视仪物镜的校正像差匹配。当用m t f 评价 准直光管物镜像质时，其特征频率应选与夜视仪像增强器特征频率对应的折算频率， 物镜的m t f 值应优于微光夜视仪物镜的折算m t f 值。准直光管物镜出瞳处的光照度均 匀性要求，由物镜前端加一镀制的变密度中性滤光校正板保障。用原试验设备光应力 源系统，取下大口径准直光管( 连同支座) ，共用大积分球的四个西1 8 0 m m 出射光孔做 为接v i ，在原设备的导轨上安置四套带有复消色差物镜( m 6 0 m m 、焦距厂7 5 0 0 r a m 、 1 0 全视场2 0 4 ) 的准直光管( 带配套支座) ，以便为待榆大视场微光夜视仪提供光应力源。 2 2 光应力源结构 光应力源的作用是为被试微光夜视仪提供满足试验所需光照度要求的特征目标。 目前提供微光目标的方式有反射式与透射式微光分辫率板，经过仔细分析、类比，最 后采用透射式分辫率板方式的光应力源提供微光目标，其显著优点有：利用准直光管 及其焦面处的透射式分辫率板和相应的照明系统，就可提供所需的微光目标。与反射 式光应力源比，该方案可使整个微光目标系统构成一个密封的小型积木式单元，占用 空间小、抗干扰性好；实现了实验设备积木式共光源检测，便于故障分析、试验结果 可比性强。经过仔细分析、类比，这种提供微光目标的方式可以更好地满足本课题技 术指标要求，所以采用了此方案。 为使四具被试微光夜视仪入瞳处得到设计规定的稳定均匀的四档光照度，布局上 采用了大小两级积分球式照明方式。光应力源由小积分球、大积分球和其问的光应力 自动切换装置及四套可更换的准直光管组成。采用两级积分球对接的照明方式，在对 接处安装带有四个通光孔的法兰盘，实现在大积分球四个开口处给出满足技术指标要 求稳定均匀的四档光照度。 2 2 1 小积分球结构 小积分球又称灯室，目的是确保其出口处光照度值稳定可靠。小积分球的内径约 3 0 0 m m ，其作用是确保光通量标准灯在更换时，投射到积分球出口( q 6 1 0 0 m m ) 处毛 玻璃上的光照度值稳定可靠。为此，要求光通量标准灯的灯丝中心应始终位于小积分 球球心处，且应尽可能使积分球腔体内不遮光。要求灯头杆应悬挂在小积分球正上方 的四维调节座上( 灯杆沿z 轴方向可上下调节及绕z 轴转动，还可通过球状支座实现灯 杆分别绕x ，y 轴的微转动) ，可方便地将灯丝中心调到积分球腔体指定位置。四维调 节座( 连同灯杆) 可从积分球顶部的定位孔中迅速拆下，以更换灯泡。小积分球下端出 口处放置毛玻璃并通过透过率板切换装置与大积分球相联为一光源整体装置。为散热， 小积分球上端的法兰盘开有散热孔，再由小排风扇散热。积分球内壁及球内的灯头、 灯杆、向着腔壁的调节座组件等均应喷涂中性稳定的涂层，其反射比控制在0 8 0 0 9 0 左右。 2 2 2 大积分球结构 大积分球采用铰链式左右对开、带止口定位的结构形式，大积分球内径为 q b l o o o m m ，右半球沿赤道面对称分布四个出射孔( 妒一1 8 0 m m ) ，各孔中心线交会于球心 处，且相邻两中心线夹角约为3 0 。四组光应力试验系统呈辐射状与积分球四个出射 孔各自对接。积分球固定到带有高低调节机构的三角状支座上，并可使积分球升降调 节1 0 0 m m ，底座有三个调节螺，可各自调节并随时锁定。在喷涂积分球内壁的反射涂 层时，为保证积分球的光谱特性，应注意使其光谱反射比呈中性，其反射比p ( a ) 尽量 在o 8 左右。 2 2 3 出射窗口 大积分球带有四个出射窗，窗的位置离开球表面会使一部分球面积的光不能进入 出射窗。出射窗口的尺寸和积分球应当有一定的比例，这是因为实际积分球的工作特 性并非理想，要保证出射窗辐照度均匀性在1 左右，那么出射窗的直径最好不大于球 直径的五分之一。 本实验设备设计中，2 0 。左右视场的准直光管的口径约为1 8 0 r a m , 小积分球的出射 窗还必须满足能实现四档光照度，考虑法兰孔的精度，选小积分球内径d o ，3 0 0 m m ， 开1 ：3 直径一1 0 0 m m 。由总光通量标准灯辐射的光能量经小积分球的多次漫反射，再 经开口处毛玻璃漫射，使得射向透过率板处的光能量达到大致均匀；大积分球的四个 开口处光照度的均匀性由选定适当直径的积分球来保证，理论上讲，积分球直径与开 口直径比通常至少应选5 ：1 ，故积分球直径选d ，一1 0 0 0 m m 为宜 2 3 积分球工作原理 2 3 1 积分球理论分析 1 9 0 0 年，乌布里希研究了封闭的空腔球，在球的内壁涂以白色的中性漫反射层， 这种空腔球体称为光度球，也称为积分球或乌布里希球n 3 1 。它是一种在光度学测量中 常用的仪器，具有均匀入射光通量的功能，一般由中空的球壳和一些附件组成。理想 的积分球应符合以下条件：( 1 ) 它应是一个空心的球体；( 2 ) 球内没有任何其他吸收 光线的异物；( 3 ) 球内壁的反射涂层的光谱反射比应是中性的。图2 6 是积分球原理 示意图。 d b a 图2 6 积分球原理图 若进入积分球的一束光的总光通量为，照射在球内壁h 处，光在内壁表面上多 次漫反射。现在考察内壁任意一点m 处的照度e 。由于进入积分球的光直接照在a 处， 则由a 处漫反射的光都会有一部分直接射到考察位置m 处，所有这些直接射到m 处的 光照度总和称为直射照度，用e 。表示。除此之外，还有从a 漫反射到积分球内壁各点 经多次漫反射到达m 处的光，这部分光照度总和称为多次漫反射照度，用e 。表示。于 1 2 是，考察位置m 处的照度e 为这阳部分照度之棚，即 e e o + e x ( 2 1 ) ( 1 ) 直射照度e d ：在a 处取小面元搬，射到此面元上的总光通量为d 爹，则位置在a 处的照度l 为：彳一堕d s 。积分球内壁可看成理想的漫反射体，所以在a 处的亮度l a 为：o ；上层4 。若考察位置m 处取一小面元豳肼，令a m _ 则由亮度为l 的面元豳一 发出的到达搬面元上的光通量为：矗九。生墨坠! 型譬型，公式中的各物理量 ， 见图2 7 所示。 d s 图2 7 多次漫反射示意图 由图得知：i 。一i 。，_ 一2 r c o s i l ( r 是积分球内壁的半径) 。由面元豳 发出的 光在考察位置m 处形成的照度为 即等d sa 丝雩型一警4 r u mr 0 。 公式中的各物理量经过代入和整理后，得出a 处漫反射光在m 处形成的直射照度 为 即若矗加等 ( 2 2 ) 式中妒一进入积分球的总光通量。 ( 2 ) 多次漫射照度e 譬：现先分析内壁上任一位置n 得到来a 处的直射光后，再次漫反 射并直接到达考察位置m 处的光，这部分称为一次附加照度臣。参见图2 7 ，由于n 处同样得到直射照度e o ，则亮度厶为l o p - - - e o 。在n 处取面元峦，：a d s 发出在位 置m 处形成的一次附加照度d e ，表示为 把。堕。一lodss c o s i 2 d s mc o s 2 ；皂搬 r d s 4 r 2c o s i 2c o s i 2 d s m 4 r 。 “ 1 3 由整个积分球内壁漫反射，在位置黼处彤成的总的一次照度e ，为 e 1z = 飘峦= 熹s 一熹。一f ) s 。 式中s 。一整个积分球内壁的面积；f 一开孔比f s ：s 。，( s ：为开孔处的球面面 积) 。 将s ，一4 s r 2 代入上式得 e 1 一p ( a f ) e o ( 2 3 ) 依照同样的方法，可导出由内壁各处的一次照度在m 处形成的二次照度e ，三次 照度e ，等等。 e ：一p ( 1 一f ) e ，一 p o f ) y e 。 b p ( 1 一f ) e ：一l d ( 1 一厂) 】3 e 。 这样，多次漫反射总照度它为 e z - e l + e 2 + 易+ 。 壁堡二!f ( 2 4 ) _ 一n 1 一p ( 1 一，) ” 于是，在考察位置m 处的总照度e 为 肚即e z 。南毛 q 5 将( 2 4 ) 式代入上式，则得到 肚丽翻 q 6 ) 由上式可以看出，内壁任意位置处的照度与进入积分球的总光通量成正比。这就 是应用积分球测光源的光通量的基本公式。 还应考虑到一般积分球有开孔，开孔上有探测器、样品等时，孔的反射比为珐。 故积分球的平均反射比万为 歹2 p ( 1 一；兀) + 弘五 所以在考察位置m 处的总照度e 也可写为 e e o + 芦匹o + 万2 e o + e op 1 ( 2 7 ) 1 一p - 4 n a r 21 一p 一 2 3 2 积分球的一般要求 积分球球壁上开一个或几个窗孔，用作进光孔和放置光接收器件的接收孔。积分 球的内壁应是良好的球面，通常要求它相对于理想球面的偏差应不大于内径的0 2 。 球内壁上涂以理想的漫反射材料，也就是漫反射系数接近于l 的材料。常用的材料是 1 4 氧化镁( 或硫酸钡) ，将它和胶质粘合剂混合均匀后，喷涂在内壁i 二。氧化镁涂层在可 见光谱范围内的光谱反射比都在9 9 0 5 以上，这样进入积分球的光经过内壁涂层多次反 射，在内壁上形成均匀照度。为获得较高的测量准确度，积分球的开：f l l tf 应尽可能 小。 球内有屏与物( 如光源等) 会使积分球实际工作状况偏离理想球。增大球的尺寸， 相对的也就减少了屏、物的影响。屏应当涂上和积分球内表面相同的涂层材料。如果 球内有吸光表面，则应当满足： 鬻器 嚣蒸糕x 1 0 0吸光物体面积。积分球涂料的吸收比 2 3 3 积分球涂层的反射比选择及喷涂 1 )积分球涂层的反射比选择 涂层的光谱反射比值对积分球出射光的光谱特性有很大的影响，为了分析的简便， 假设积分球是一个完整漫反射表面，可知万ip 则式( 2 7 ) 可写为 e j | 卫( 2 8 ) 锄露1 一p 光谱辐照度应写为 互( ；磐盟 4 r d 王1 一p ( a ) e ( a ) 对反射比p o ) 求偏导得 a e ( x )砂( a ) 1 a p ( x ) 4 万r 2 卜j d ( a ) 】2 涂层材料光谱反射比p ) 的少量变化，就会引起出射辐照度很大的变化。所以应 当选用光谱反射比近似平均且漫射特性好的材料作为涂层。常用的有硫酸钡、氧化镁、 聚四氟乙烯等，这些材料的光谱反射比在可见、近红外区域很平均，漫射特性在小于6 0 。 的范围内也很好，反射比高达0 9 8 以上1 3 1 。涂层的反射比之所以要高，主要是为了增 加出射窗处的亮度值，因为积分球出射窗处的照度值和球半径的平方成反比，球较大 时，照度值将相当低。由( 2 8 ) 式可知，提高球内涂层的反射比，可以使该辐照度值大 大增加，例如，p o 8 时，e 一景；p 一0 91 f j ，e 一专，而当p 一0 9 5 时，e ；万4 7 5 i i b ； 在实际选用时，我们还要考虑光谱反射比的不均匀性，所以反射比也不是越高越 好，为确保各谱线的光经积分球多次漫射后，其光谱成分大致均匀，本设备中，选用 p 一0 8 较好。 2 )积分球涂层的喷涂 从积分球的理论分析可知，积分球内壁的喷涂好坏直接影响光度测量的准确度。 喷涂材料一般选用氧化镁或硫酸钡配制的水容性涂料。要喷好积分球的内表面反射层， 首先要做好喷涂前的准备工作。 1 5 积分球一般用铁、铜、铝等会属合会材料加工而成。特别是尺寸较大的光度球， 均用铁板制作。因此，在喷涂前，首先要用砂纸去锈，涂上防锈漆。再用腻子抹平。 腻子的作用一是