CN102354043A - 基于谐衍射光学元件的双视场/双色红外消热差光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于谐衍射光学元件的双视场/双色红外消热差光学系统，尤其涉及一种冷光阑效率近似100％的消热差光学系统，属于红外热成像领域。其工作波段为4.4-5.4μm/7.8-8.8μm，焦距为183mm/61mm，工作温度为-40℃～+60℃。宽窄视场光学系统F数相同(2.68)，共用同一双色红外焦平面探测器，具有近似100％的冷光阑效率。采用微量移动变焦镜组实现消热差的效果，使MWIR与LWIR在工作范围内始终共焦成像。其结构包括物镜组、变焦镜组、中继镜组、双色红外探测器窗口玻璃、光阑和双色红外探测器。系统包括一个谐衍射面和三个偶次非球面，光学材料只有三种常用的红外材料：锗、硒化锌和氟化钙。

Description

基于谐衍射光学元件的双视场/双色红外消热差光学系统

技术领域

本发明涉及一种基于谐衍射光学元件的双视场/双色红外消热差光学系统，尤其涉及一种冷光阑效率近似100％的消热差成像光学系统。属于红外热成像领域。

背景技术

谐衍射光学元件也称为多级衍射光学元件，其特点是相邻环带间的光程差是设计波长λ₀的整数P倍，可以在一系列分离的波长上获得相同的光焦度，能够应用于双色红外光学系统设计。谐衍射光学元件的色散性能介于折射元件与普通衍射光学元件之间，其校正色差的优越特性，可以间接的起到简化消热差系统设计的作用，实现光学系统在复杂工作环境中工作的理想状态。应用谐衍射光学元件间接实现消热差效果，可以减少系统光学元件个数，达到简化系统设计的目的。双视场光学系统具有大小不同的两个成像视场，有利于实现大视场的目标搜索与小视场的目标跟踪。

双色红外光学系统本身由于存在较大的色差，实现两波段共焦具有一定技术难度，需要合理选择光学材料，但红外光学材料可同时应用于双波段成像的可选范围又很小；在保证两波段共焦的同时，在视场切换过程中要实现消热差效果又从另一个角度提升了技术难度。另外，光学系统需要考虑与红外制冷探测器的冷光阑匹配问题。种种难度导致国内现有光学系统大多停留于未消热的双视场双波段成像阶段。目前，国外报道的红外热成像光学系统中最先进的光学系统即法国的双视场双波段切换成像光学系统，该系统不具有双色同时成像系统的探测率高的优势，且现有资料尚未提及本系统已进行消热差考虑。因此研制双视场/双色红外消热差光学系统具有无可比拟的发明和应用价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于谐衍射光学元件的双视场/双色红外消热差光学系统，可以实现对目标的搜索和跟踪的目的，具有探测效率高、结构紧凑、环境适应性强的优点。

本发明所述的基于谐衍射光学元件的双视场/双色红外消热差光学系统，工作波段为4.4-5.4um/7.8-8.8um，焦距为183mm/61mm，工作温度为-40℃～+60℃。宽窄视场光学系统F数相同(2.68)，共用同一双色红外焦平面探测器，具有近似100％的冷光阑效率；采用微量移动变焦镜组实现消热差的效果，使MWIR与LWIR在工作范围内始终共焦成像。其结构包括物镜组、变焦镜组、中继镜组、双色红外探测器窗口玻璃、光阑和双色红外探测器。系统包括一个谐衍射面和三个偶次非球面，光学材料只有三种常用的红外材料：锗、硒化锌和氟化钙。

所述的基于谐衍射光学元件的双视场/双色红外消热差光学系统，采用一片锗透镜、一片硒化锌透镜(各表面均为球面)和一片氟化钙透镜(其中一个表面为偶次非球面)作为物镜组。

所述的基于谐衍射光学元件的双视场/双色红外消热差光学系统，采用一片锗透镜(其中一个表面为谐衍射面)作为变焦镜组。通过变焦镜组的轴向移动，不仅可以实现双视场切换，而且可以达到消热差的效果。保证系统实现不同工作模式的切换以及不同工作环境的高质量成像。

所述的基于谐衍射光学元件的双视场/双色红外消热差光学系统，采用两片锗透镜(其中两个表面为偶次非球面)作为中继镜组。保证近似100％的冷光阑效率的同时，起到压缩物镜组口径的作用。

所述的基于谐衍射光学元件的双视场/双色红外消热差光学系统的双色红外探测器采用制冷红外焦平面探测器，用于同时接收MWIR和LWIR的图像。

所述的基于谐衍射光学元件的双视场/双色红外消热差光学系统，采用探测器的冷光阑作为孔径光阑，以满足近似百分之百的冷光阑效率，消除到达探测器的杂散光，提高探测率。

本发明是基于谐衍射光学元件的双视场/双色红外消热差光学系统，具有以下有益效果：

1、同一系统可实现目标搜索与目标跟踪两项功能。

2、可对中波和长波红外同时共焦成像，提高对目标的探测能力，降低虚警率；

3、系统达到双色红外消热差效果，具有较强的环境适应性。

4、具有结构紧凑、体积小、重量轻的优点。

附图说明

图1为基于谐衍射光学元件的双视场/双色红外消热差光学系统工作在宽视场的结构示意图(也作为摘要附图)；

图2为基于谐衍射光学元件的双视场/双色红外消热差光学系统工作在窄视场的结构示意图；

图中：1、物镜组，2、变焦镜组，3、中继镜组，4、双色红外探测器窗口玻璃，5、光阑，6、双色红外探测器。

图3为4.4-5.4um/7.8-8.8um两个谐振波段下的衍射效率曲线图。

图中：m为衍射级次。

具体实施方式

如图1所示，目标辐射源发出的红外光波被所述的物镜组1接收，经过变焦镜组2到达中继镜组3，最后顺序通过双色红外探测器的窗口玻璃4以及光阑5，成像到双色红外探测器6上，对双色红外探测器进行图像处理与识别即可辨别红外辐射目标。光学系统通过轴向移动变焦镜组，不仅可以实现视场切换，达到目标搜索与目标跟踪模式的转换目的，而且可以达到消热差效果，增强系统的环境适应性。

以下给出动态工作过程：

其第一项功能，完成宽视场目标搜索：如图1所示，当目标辐射的红外波被所述物镜组1接收，经过变焦镜组2到达中继镜组3，最后顺序通过双色红外探测器的窗口玻璃4以及光阑5，成像到双色红外探测器6上，可实现对背景目标的搜索。

其第二项功能，完成小视场目标跟踪：如图2所示，当将变焦镜组2移动到小视场目标跟踪工作的位置时，系统步入小视场目标跟踪状态，可以实现对目标的实时跟踪工作。

其第三项功能，复杂工作环境下正常工作：如第一项和第二项功能所述，所述的基于谐衍射光学元件的双视场/双色红外消热差光学系统在-40℃-60℃进行消热，可工作于该温度范围内的任意工作环境中。

如图3所示，实施例所选设计波长λ₀为4.8um，相位匹配因子P＝2，谐振波长分别为9.6um和4.8um，衍射级次分别为1级和2级，通过MATLAB数学计算软件计算得出4.4-5.4um/7.8-8.8um两个谐振波段内的衍射效率曲线。由图可知，在光学系统工作波段内谐衍射元件的衍射效率高于80％，可以保证系统的衍射能量要求。

Claims (2)

1.基于谐衍射光学元件的双视场/双色红外消热差光学系统，工作波段为4.4-5.4um/7.8-8.8um，焦距为183mm/61mm，工作温度为-40℃～+60℃。宽窄视场光学系统F数相同(2.68)，共用同一双色红外焦平面探测器，具有近似100％的冷光阑效率；采用微量移动变焦镜组实现消热差的效果，使MWIR与LWIR在工作范围内始终共焦成像。其结构包括物镜组、变焦镜组、中继镜组、双色红外探测器窗口玻璃、光阑和双色红外探测器。系统包括一个谐衍射面和三个偶次非球面，光学材料只有三种常用的红外材料：锗、硒化锌和氟化钙。

2.根据权利要求1所述的基于谐衍射光学元件的双视场/双色红外消热差光学系统，其特征是：目标辐射源发出的红外光波被所述的物镜组接收，经过变焦镜组到达中继镜组，最后顺序通过双色红外探测器的窗口玻璃以及光阑，成像到双色红外探测器上，对双色红外探测器进行图像处理与识别即可辨别红外辐射目标。光学系统通过轴向移动变焦镜组，不仅可以实现视场切换，达到目标搜索与目标跟踪模式的转换目的，而且可以达到消热差效果，增强系统的环境适应性。

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