CN101634744B - 折反式双谱段凝视成像系统 - Google Patents

Abstract

折反式双谱段凝视成像系统，它涉及一种探测识别目标的双波段凝视成像系统，解决了在不增加系统装调难度情况下可见光与红外光双波段凝视成像系统中视场较小的问题。本发明所述成像系统由全反射系统(12)、折射系统(13)和冷光栏(9)组成；所述的全反射系统(12)由第一反射镜(2)、第二反射镜(1)和镀膜透镜(3)组成，第一反射镜(2)、第二反射镜(1)和镀膜透镜(3)同轴设置，第一反射镜(2)中心开孔(2-1)；所述的折射系统(13)由第一透镜(4)、第二透镜(5)、第三透镜(6)、第四透镜(7)、第五透镜(8)组成。本发明获得了相对较大的视场，具有重要的工程应用价值，能够用于复杂背景中探测识别目标，或者对远距离的弱小目标进行探测识别。

Description

折反式双谱段凝视成像系统

技术领域

本发明涉及一种探测识别目标的双波段凝视成像系统。

背景技术

为了能够在复杂的背景中探测识别目标，或者对远距离的弱小目标进行探测识别，可以采用双波段或多波段的成像系统。考虑到系统的能量利用效率和系统结构的紧凑性，通常采用双波段凝视成像系统，双波段一般指可见光波段与红外光波段。目前已知的可见光与红外光双波段成像系统多利用卡赛格林两镜系统作为主成像系统，在像空间加45°放置的平行平板进行分光，此方案的优点是分光元件的镀膜加工相对容易，但其缺点是系统的视场一般较小，通常在1°以内。如果采用离轴三反系统，可以获得较大的视场，但系统的加工与装调难度会大大增加。因此，如何在现有加工与装调工艺条件下，设计出视场相对较大(与反射成像系统相比)的可见光与红外光双波段凝视成像系统具有重要的工程应用价值。

发明内容

本发明为解决在不增加系统装调难度情况下可见光与红外光双波段凝视成像系统中视场较小的问题，而提供了一种折反式双谱段凝视成像系统。

本发明的折反式双谱段凝视成像系统，它由全反射系统、折射系统和冷光阑组成；所述的全反射系统由第一反射镜、第二反射镜和镀膜透镜组成，第一反射镜、第二反射镜和镀膜透镜同轴设置，第一反射镜中心开孔，全波段光束在第一反射镜、第二反射镜间反射，经过反射的全波段光束通过第一反射镜的中心开孔后经镀膜透镜分光，其中，可见光波段光束被反射回全反射系统，在全反射系统前方得到第一像面；所述的折射系统由第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜组成，全波段光束经镀膜透镜分光后，透过镀膜透镜的红外光波段光束进入折射系统，通过第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜折射后，在冷光阑(可遮挡镜筒壁热辐射，有效降低系统噪声)后方得到第二像面。

本发明提出了一种基于同轴两镜三反成像系统的双波段凝视成像系统，采用镀膜透镜取代了传统的平行平板进行分光；本发明采用带有冷光阑的折反混合二次成像系统。本发明在不增加系统装调难度的情况下，采用同轴两镜三反成像系统获得了视场为±1°(视场范围为2°)的相对较大的视场(与卡赛格林两镜系统相比)；同时采用镀膜透镜实现分光，具有分光效率高、系统成像质量优良和结构紧凑的优点，而带有冷光阑的折反混合二次成像系统有效提高了红外光凝视成像系统探测与成像的灵敏度。

附图说明

图1为本发明的光学系统的光路图，图2为本发明光学系统可见光波段的传递函数曲线图，图3为本发明光学系统可见光波段的圆包围能量曲线图，图4为本发明光学系统红外光波段的传递函数曲线图，图5为本发明光学系统红外光波段的圆包围能量曲线图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1具体说明本实施方式。本实施方式由全反射系统12、折射系统13和冷光阑9组成；所述的全反射系统12由第一反射镜2、第二反射镜1和镀膜透镜3组成，第一反射镜2、第二反射镜1和镀膜透镜3同轴设置，第一反射镜2中心开孔2-1，全波段光束在第一反射镜2、第二反射镜1间反射，经过反射的全波段光束通过第一反射镜2的中心开孔2-1后经镀膜透镜3分光，其中，可见光波段光束被反射回全反射系统12，在全反射系统12前方得到第一像面11；所述的折射系统13由第一透镜4、第二透镜5、第三透镜6、第四透镜7、第五透镜8组成，全波段光束经镀膜透镜3分光后，透过镀膜透镜3的红外光波段光束进入折射系统13，通过第一透镜4、第二透镜5、第三透镜6、第四透镜7和第五透镜8折射后，在冷光阑9后方得到第二像面10。

在本实施方式中，根据消像差条件公式(1)-(4)获得全反射成像系统12初始结构，并采用光学设计软件Zemax进行优化，得到全反射成像系统中可见光波段光束成像光路。最后，将该波段光束成像光路参数固定，在镀膜透镜3后加入折射成像系统13，折射成像系统13中各个透镜参数与位置可采用应用光学教材中的PW法(或采用经验法)获得，并采用光学设计软件Zemax进行优化，得到系统的红外光波段光束成像光路。最后用CCD探测器探测像11和像10。

具体实施方式二：下面结合图1具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式一的不同之处是：第一反射镜2中心开孔2-1的直径以不产生二次遮光为佳。其他组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：下面结合图1具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式一的不同之处是：第一反射镜2与镀膜透镜3前表面以在光路中的相同位置为优，用以减小系统的结构尺寸，同时避免光束传输受限。其他组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：下面结合图1具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式一的不同之处是：第一反射镜2、第二反射镜1和镀膜透镜3前表面以采用非球面为佳，用以校正系统的彗差和球差和进一步优化系统的几何尺寸。其他组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：下面结合图1具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式四的不同之处是：镀膜透镜3基底材料以采用硅或锗为佳，使系统能够在较宽的波段进行成像。其他组成和连接关系与具体实施方式一相同。

在本实施方式中，全反射成像系统为可见光凝视成像系统，选用柯达公司的CCD探测器，像元数为2048×2048，像元尺寸10μm×10μm，工作波段为0.4μm～0.8μm，系统F数为3.0，焦距为900mm，系统凝视视场为±1.0°。

根据消像差条件公式(1)-(4)确定系统初始结构。

$e_1^2=1+\frac{1}{{\mathrm{\β}}_1^3{\mathrm{\β}}_2^3}[{\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\α}}_2(1+{\mathrm{\β}}_2){(1-{\mathrm{\β}}_2)}^2-{\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\β}}_2^3(1+{\mathrm{\β}}_1){\left({1-\mathrm{\β}}_1\right)}^2---\left(1\right)$

$+e_2^2{\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\β}}_2^3{(1+{\mathrm{\β}}_1)}^3-e_3^2{\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\α}}_2{(1+{\mathrm{\β}}_2)}^3]$

$e_2^2({\mathrm{\α}}_1-1){\mathrm{\β}}_2^3{(1+{\mathrm{\β}}_1)}^3-e_3^2[{\mathrm{\α}}_2({\mathrm{\α}}_1-1)+{\mathrm{\β}}_1(1-{\mathrm{\α}}_2)]{(1+{\mathrm{\β}}_2)}^3$

$=({\mathrm{\α}}_1-1){\mathrm{\β}}_2^3(1+{\mathrm{\β}}_1){(1-{\mathrm{\β}}_1)}_2-[{\mathrm{\α}}_2({\mathrm{\α}}_1-1)+{\mathrm{\β}}_1)(1-{\mathrm{\α}}_2)]---\left(2\right)$

$\×{(1-{\mathrm{\β}}_2)}^2(1+{\mathrm{\β}}_2)-2{\mathrm{\β}}_1{\mathrm{\β}}_2$

$e_2^2\frac{{\mathrm{\β}}_2{({\mathrm{\α}}_1-1)}^2{(1+{\mathrm{\β}}_1)}^3}{4{\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\β}}_1^2}-e_3^2\frac{{[{\mathrm{\α}}_2({\mathrm{\α}}_1-1)+{\mathrm{\β}}_1)(1-{\mathrm{\α}}_2)]}^2{(1+{\mathrm{\β}}_2)}^3}{4{\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\α}}_2{\mathrm{\β}}_1^2{\mathrm{\β}}_2^2}$

$=\frac{{\mathrm{\β}}_2{({\mathrm{\α}}_1-1)}^2(1+{\mathrm{\β}}_1){(1-{\mathrm{\β}}_1)}^2}{4{\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\β}}_1^2}-\frac{{[{\mathrm{\α}}_2({\mathrm{\α}}_1-1)+{\mathrm{\β}}_1)(1-{\mathrm{\α}}_2)]}^2{(1+{\mathrm{\β}}_2)(1-{\mathrm{\β}}_2)}^2}{4{\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\α}}_2{\mathrm{\β}}_1^2{\mathrm{\β}}_2^2}$

$-\frac{{\mathrm{\β}}_2({\mathrm{\α}}_1-1)(1+{\mathrm{\β}}_1)(1-{\mathrm{\β}}_1)}{{\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\β}}_1}-\frac{[{\mathrm{\α}}_2({\mathrm{\α}}_1-1)+{\mathrm{\β}}_1)(1-{\mathrm{\α}}_2)](1+{\mathrm{\β}}_2)(1-{\mathrm{\β}}_2)}{{\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\α}}_2{\mathrm{\β}}_1{\mathrm{\β}}_2}$

$-{\mathrm{\β}}_1{\mathrm{\β}}_2+\frac{{\mathrm{\β}}_2(1+{\mathrm{\β}}_1)}{{\mathrm{\α}}_1}-\frac{1+{\mathrm{\β}}_2}{{\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\α}}_2}---\left(3\right)$

${\mathrm{\β}}_1{\mathrm{\β}}_2=\frac{{\mathrm{\β}}_2(1+{\mathrm{\β}}_1)}{{\mathrm{\α}}_1}-\frac{1+{\mathrm{\β}}_2}{{\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\α}}_2}---\left(4\right)$

式中α₁为全反射成像系统中第二反射镜1对第一反射镜2的遮拦比；α₂为镀膜透镜3第一表面对第二反射镜1的遮拦比；β₁为第二反射镜1放大率；β₂为镀膜透镜3放大率；e₁、e₂和e₃分别为第一反射镜2、第二反射镜1和镀膜透镜3的偏心率。

系统初始结构为

$R_1=\frac{2}{{\mathrm{\β}}_1{\mathrm{\β}}_2}{f}^{\′},$ $R_2=\frac{{2\mathrm{\α}}_1}{(1+{\mathrm{\β}}_1){\mathrm{\β}}_2}{f}^{\′},$ $R_3=\frac{2{\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\α}}_2}{1+{\mathrm{\β}}_2}{f}^{\′}---\left(5\right)$

$d_1=\frac{1-{\mathrm{\α}}_1}{{\mathrm{\β}}_1{\mathrm{\β}}_2}{f}^{\′},$ $d_2=\frac{{\mathrm{\α}}_1(1-{\mathrm{\α}}_2)}{{\mathrm{\β}}_2}{f}^{\′},$ l₃′＝α₁α₂f′  (6)

式中R₁为第一反射镜2曲率半径，R₂为第二反射镜1曲率半径，R₃为镀膜透镜3第一表面曲率半径，f′为反射系统焦距，d₁为第二反射镜1与第一反射镜2间距，d₂为第一反射镜2与镀膜透镜3第一表面间距，l₃′为镀膜透镜3第一表面到全反射像面11的间距。

然后利用光学设计软件Zemax进行优化，得到系统的可见光波段成像光路。结构参数如表1所示。

表1

元件	第二反射镜1	第一反射镜2	镀膜透镜3第一表面
				R(mm)	-958.8	-432.5	-843.6
K	-1.1	-1.2	-0.98
				A	-5.7×10<sup>-11</sup>	3.5×10<sup>-9</sup>	-8.2×10<sup>-10</sup>

透镜面型表达式为 $Z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(K+1)c^2{r}^2}}+{\mathrm{Ar}}^4+{\mathrm{Br}}^6$

r为元件垂轴参数，K为圆锥系数，c为基圆曲率(c＝1/R)，A，B分别为非球面系数。

最后，将可见光波段成像光路参数固定，在镀膜透镜3后加入折射成像系统13，并采用光学设计软件Zemax进行优化，得到系统的红外波段成像光路，各透镜面型参数与位置参数如表2所示。图1中全反射成像系统12和折射成像系统13构成折反成像系统，该折反成像系统与冷光阑9和第二像面10构成红外凝视成像系统，选用HgCdTe探测器，像元数为488×488，像元尺寸30μm×30μm，工作波段为3μm～5μm，系统F数为2.0，焦距为600mm，系统凝视视场为±1.0°。

表2

元件	R(mm)	K	A	B	透镜中心厚度(mm)	材料
							镀膜透镜3前表面	-843.6	-0.98	-8.2×10<sup>-10</sup>	-2.9×10<sup>-15</sup>	18.0	硅
镀膜透镜3后表面	-477.6	---	---	---
							第一透镜4前表面	158.54	-1.03	2.96×10<sup>-8</sup>	-4.63×10<sup>-13</sup>	12.0	锗
第一透镜4后表面	118.98	---	---	---
							第二透镜5前表面	152.67	---	---	---	18.0	硅
第二透镜5后表面	269.5	---	---	---
							第三透镜6前表面	187.97	---	---	---	10.0	锗
第三透镜6后表面	-1715.8	---	---	---

图2为本发明光学系统在红外波段的传递函数曲线，从图2可以看出，该光学系统在视场为±1°(视场范围为2°)的情况下所获得的17lp/mm处的传递函数值在0.6以上，系统的成像质量良好，能够满足成像侦查系统的需要。

图3为本发明光学系统在红外波段的圆包围能量曲线，从图3可以看出，该光学系统在视场为±1°(视场范围为2°)的情况下所获得的直径30μm包围圆的能量集中度平均值在70％以上，该光学系统的能量集中度能够满足目标探测系统的需要。

图4为本发明光学系统在可见光波段的传递函数曲线，从图4可以看出，该光学系统在视场为±1°(视场范围为2°)的情况下所获得的50lp/mm处的传递函数值在0.7以上，该光学系统的成像质量良好，能够满足成像侦查系统的需要。

图5为本发明光学系统在可见光波段的圆包围能量曲线，从图5可以看出，该光学系统在视场为±1°(视场范围为2°)的情况下所获得的直径10μm包围圆的能量集中度平均值在80％以上，该光学系统的能量集中度能够满足目标探测系统的需要。

本发明在现有加工与装调工艺下，获得了视场范围为2°的可见光与红外光双波段凝视成像系统，满足了目标探测系统与成像侦查系统的需要。

Claims (5)

1.折反式双谱段凝视成像系统，其特征在于它由全反射系统(12)、折射系统(13)和冷光阑(9)组成；所述的全反射系统(12)由第一反射镜(2)、第二反射镜(1)和镀膜透镜(3)组成，第一反射镜(2)、第二反射镜(1)和镀膜透镜(3)同轴设置，第一反射镜(2)中心开孔(2-1)，全波段光束在第一反射镜(2)、第二反射镜(1)间反射，经过反射的全波段光束通过第一反射镜(2)的中心开孔(2-1)后经镀膜透镜(3)分光，其中，可见光波段光束被反射回全反射系统(12)，在全反射系统(12)前方得到第一像面(11)；所述的折射系统(13)由第一透镜(4)、第二透镜(5)、第三透镜(6)、第四透镜(7)、第五透镜(8)组成，全波段光束经镀膜透镜(3)分光后，透过镀膜透镜(3)的红外光波段光束进入折射系统(13)，通过第一透镜(4)、第二透镜(5)、第三透镜(6)、第四透镜(7)和第五透镜(8)折射后，在冷光阑(9)后方得到第二像面(10)。

2.根据权利要求1所述的折反式双谱段凝视成像系统，其特征在于第一反射镜(2)中心开孔(2-1)的直径为不产生二次遮光。

3.根据权利要求1或2所述的折反式双谱段凝视成像系统，其特征在于第一反射镜(2)与镀膜透镜(3)前表面在光路中的位置相同。

4.根据权利要求3所述的折反式双谱段凝视成像系统，其特征在于第一反射镜(2)、第二反射镜(1)和镀膜透镜(3)前表面为非球面。

5.根据权利要求1、2或4所述的折反式双谱段凝视成像系统，其特征在于镀膜透镜(3)基底材料为硅或锗。

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