CN102980666A - 高精度小型化红外光学系统 - Google Patents

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丛海佳
范志刚
孙永雪
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Abstract

高精度小型化红外光学系统，涉及一种具有小型化、高精度特点的中波红外光学系统。为了解决现有红外光学系统高精度、小型化、大视场之间的矛盾。本发明的红外光学系统从物面到像面依次同轴设置有整流罩（1）、光焦度为正的前透镜组（2）、光焦度为负的后透镜组（3）和红外成像探测器（4），采用远摄型折射一次成像的结构形式，合理分配前后透镜组的光焦度，使整个系统的长度缩小，视场增大，且采用小像元红外焦平面探测器，使系统的分辨率增高。本发明的高精度小型化红外光学系统具有分辨率高、视场大，体积小、结构简单的优点，具有很强的实用价值。

Description

高精度小型化红外光学系统
技术领域
本发明涉及中波红外技术领域，尤其涉及一种具有高精度、大视场、小型化的中波红外光学系统，应用于精确制导领域。
背景技术
近年来，随着精确制导武器在现代战争中的地位不断提高，红外成像寻的制导技术的开发与运用越来越受到国内外的重视，而随着作战使命和作战环境的日益复杂化，精确制导武器对红外成像光学系统的要求也越来越高，要求红外成像光学系统具有高探测灵敏度、高空间分辨率、大动态范围，并具有较强的目标识别能力、抗干扰能力和战场环境适应性。为此武器系统对红外成像光学系统提出越来越高的要求，在高性能的红外成像光学系统设计中必须考虑到红外成像制导导弹作战的对象、使用的环境，充分重视红外成像光学系统的权衡设计、红外焦平面阵列探测器的优化应用、复杂背景和对抗条件下的自主目标识别等问题，这样才能设计出高性能的红外成像光学系统，全面满足武器系统对红外成像光学系统所提出越来越高的要求。
红外成像光学系统具有被动工作、隐蔽性强、可全天时全天候工作、抗干扰能力较强等优点。可通过对视场内红外辐射高灵敏度、高分辨率、高帧频的被动成像，获取丰富的景物信息，完成对目标的精确测量，实现对目标识别和命中点的精确选择。红外成像是一种基于传统的光学成像机理的技术。红外成像制导的空间分辨率高；目标成像能力较强，目标识别与命中点选择更加可靠；干扰因素相对较少，信息处理简单。因此，红外成像制导具有良好的发展前景。而红外成像制导技术更重要的是红外光学系统的设计，一种高精度小型化的光学系统的设计显得尤为重要。
然而现有的红外光学系统存在以下问题：
（1）扫描型光学系统虽然视场覆盖的范围大，但信息获取不连续，且有光机扫描装置，体积大，结构复杂；
（2）凝视型光学系统不需要光机扫描装置，但瞬时视场一般比较小；
（3）一般红外成像光学系统不仅需要具有较大的搜索视场，还应具备较高的成像分辨率，但分辨率提高会带来系统焦距和口径增加，使系统体积增大；
（4）红外光学玻璃的材料选择具有局限性；
（5）结构复杂，成本高。
发明内容
为了解决现有红外光学系统存在高精度、小型化、大视场之间的矛盾，本发明提供了一种高精度小型化红外光学系统。
本发明的高精度小型化红外光学系统从物面到像面依次同轴设置有整流罩平板1、光焦度为正的前透镜组2、光焦度为负的后透镜组3和红外成像探测器4，且红外光学系统焦距之间的关系满足下列条件：
Figure 253811DEST_PATH_IMAGE001
                                       （1）；
Figure 108635DEST_PATH_IMAGE002
                                  （2）；
其中，为前组透镜焦距，
Figure 283581DEST_PATH_IMAGE004
为后组透镜焦距，
Figure 284904DEST_PATH_IMAGE005
为系统总焦距，
Figure 107366DEST_PATH_IMAGE006
为系统总焦距与系统总长之比，
Figure 374400DEST_PATH_IMAGE007
为前后透镜组的间距。
本发明红外光学系统初始结构选择远摄型折射一次成像的结构形式，通过合理分配前后透镜组的光焦度，使整个系统的长度缩小，视场增大，且采用小像元红外焦平面探测器，使系统的分辨率增高。本发明的高精度小型化红外光学系统既满足高分辨率的要求，又满足小型化的需求。本发明对比现有技术具有以下显著优点：
（1）结构简单，体积小，适合小型化的红外光学系统使用；
（2）具有较大的搜索视场；
（3）具有高成像分辨率；
（4）具有较高的透过率，透过率能达到90%以上；
（5）结构紧凑，综合成本低廉，符合经济性原则；
（6）可以应用于高精度，大视场，轻型化需要的中波红外精确制导领域。
附图说明
图1为本发明的红外光学系统结构示意图；
图2为本发明的红外光学系统在-40℃时的光学传递函数MTF图；
图3为本发明的红外光学系统在20℃时的光学传递函数MTF图；
图4为本发明的红外光学系统在60℃时的光学传递函数MTF图；
图5为本发明的红外光学系统在-40℃时的能量包围圆图；
图6为本发明的红外光学系统在20℃时的能量包围圆图；
图7为本发明的红外光学系统在60℃时的能量包围圆图；
图8为本发明的红外光学系统在-40℃时的点列图；
图9为本发明的红外光学系统在20℃时的点列图；
图10为本发明的红外光学系统在60℃时的点列图；
图11为现有技术折射二次成像红外光学系统结构图；
图12为现有技术折反形式红外光学系统结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步解释说明，但并不限定本发明的保护范围。
如图1所示，本发明提供了一种高精度小型化红外光学系统，该红外光学系统初始结构选择远摄型折射一次成像的结构形式，采用两个透镜组设计，从物面到像面依次同轴设置有整流罩1、光焦度为正的前透镜组2、光焦度为负的后透镜组3、红外成像探测器4。
本发明所提及的红外成像探测器4包括探测窗口4-1、制冷光阑4-2、红外成像焦平面4-3。
本发明所提及的前透镜组2包括第一正透镜2-1、第一负透镜2-2。第一正透镜2-1与第一负透镜2-2的组合光焦度为正光焦度。
本发明所提及的后透镜组3包括第二正透镜。
本发明所提及的光焦度为正的前透镜组2、光焦度为负的后透镜3组满足下列条件：
Figure 510983DEST_PATH_IMAGE001
                           （1）；
Figure 179862DEST_PATH_IMAGE002
                      （2）； 
其中，
Figure 173226DEST_PATH_IMAGE003
为前组透镜焦距，
Figure 615970DEST_PATH_IMAGE004
为后组透镜焦距，为系统总焦距，
Figure 876368DEST_PATH_IMAGE006
为系统总焦距与系统总长之比，
Figure 243895DEST_PATH_IMAGE007
为前后透镜组的间距。
上述红外成像探测器4的冷光阑4-2作为整个系统的孔径光阑。
上述整流罩1、第一正透镜2-1、第一负透镜2-2、第二正透镜的材料依次为硫化锌、硅、锗、硅。
上述高精度小型化红外光学系统的工作作用距离大于等于15km。
上述高精度小型化红外光学系统的工作的温度范围为-40℃～60℃，在工作温度范围内其性能始终保持不变，红外光学系统在不同温度下的离焦量都小于一个焦深，其离焦量见表1。
表1 红外光学系统在不同温度下的离焦量
温度/℃ 焦距
Figure 485520DEST_PATH_IMAGE005
/mm		 像面漂移量/mm
-40 69.9787 -0.0213
-20 69.9832 -0.0168
0 69.9772 -0.0228
+20 70 0
+40 70.0217 0.0217
+60 69.9850 0.0150
上述高精度小型化红外光学系统的工作波段为3~5μm。
上述高精度小型化红外光学系统的整流罩1为平窗。
上述高精度小型化红外光学系统的前正透镜组2和后负透镜组3是摄远型物镜的复杂化形式。
上述高精度小型化红外光学系统的第一正透镜2-1，其两个表面至少有一面是非球面。
上述高精度小型化红外光学系统的第一负透镜2-2，其两个表面至少有一面是非球面。
上述高精度小型化红外光学系统的第二正透镜，其两个表面至少有一面是衍射面。
上述高精度小型化红外光学系统的红外成像探测器4是法国Sofradir 公司生产的产品，根据使用要求的不同，可由其他产品替代。
上述高精度小型化红外光学系统的红外探测器4是制冷型的焦平面阵列探测器。
上述高精度小型化红外光学系统的红外探测器4是小像元探测器。
上述高精度小型化红外光学系统的红外探测器4的冷光阑4-2到焦平面的距离是由所选探测器本身参数给定，根据使用要求的不同，可由其他距离参数的探测器代替。
本发明所提供的红外光学系统的各技术参数见表2。
表2  红外光学系统的各技术参数
 对于第一正透镜2-1前表面，引入非球面系数为：二次非球面系数A为-8.46e-007，四次非球面系数B为-2.10e-010，六次非球面系数C为-1.09e-013。
对于第一负透镜2-2前表面，引入非球面系数为：二次非球面系数A为2.43e-006，四次非球面系数B为9.81e-010，六次非球面系数C为2.47e-012。
对于第二正透镜前表面，引入一个旋转对称衍射面，它的衍射级次为三级，四个位相系数分别为：二次位相系数c1为5.26e-006，四次位相系数c2为4.48e-008，六次位相系数c3为-3.05e-010，八次位相系数c4为4.07e-012。
本发明所提供的红外成像光学系统总长与焦距之比小于0.7，所设计的红外成像光学系统体积小，实现结构的小型化设计。图2，3，4给出系统在不同温度下的光学传统函数MTF曲线，可以看出所设计的红外光学系统光学传统函数MTF曲线接近衍射极限。图8，9，10给出系统在不同温度下的点列图，其最大弥散斑直径为7.23μm，小于探测器单个像元尺寸。图5，6，7给出系统在不同温度下的能量包围圆图，100%的能量都集中在直径为8.56μm的圆内，整个系统的透过率大于90%。本发明红外成像光学系统实现高精度小型化的目的，可应用于高精度，大视场，轻型化需要的中波红外精确制导领域。
图11为现有技术折射二次成像红外光学系统结构图，系统总长与焦距的比值远大于 1，系统结构复杂，装调难且成本高。图12为现有技术折反形式红外光学系统结构图，系统总长与焦距比可以做到远小于 1，但结构复杂且有中心遮拦，能量损失大且视场比较小。
本发明所提供的红外光学系统采用远摄型折射一次成像的结构形式，主要具有如下优点：
（1）结构简单，体积小，除整流罩外只用了三片透镜，适合小型化的红外光学系统使用；
（2）具有较大的搜索视场，瞬时视场可达到10°~15°；
（3）适用于小像元探测器，具有高成像分辨率，可获得高清晰度的目标信息，制导精度高；
（4）材料选择常规红外玻璃，易加工和检测，系统具有较高的透过率，透过率能达到90%以上；
（5）结构紧凑，综合成本低廉，符合经济性原则；
（6）可以应用于高精度，大视场，轻型化需要的中波红外精确制导领域。

Claims (10)

1.一种高精度小型化红外光学系统，其特征在于所述红外光学系统初始结构选择远摄型折射一次成像的结构形式，从物面到像面依次同轴设置有整流罩（1）、光焦度为正的前透镜组（2）、光焦度为负的后透镜组（3）和红外成像探测器（4），且红外光学系统焦距之间的关系满足下列条件：
Figure 2012105877612100001DEST_PATH_IMAGE002
                                       （1）；
Figure 2012105877612100001DEST_PATH_IMAGE004
                                  （2）；
其中，
Figure 2012105877612100001DEST_PATH_IMAGE006
为前组透镜焦距，
Figure 2012105877612100001DEST_PATH_IMAGE008
为后组透镜焦距，
Figure 2012105877612100001DEST_PATH_IMAGE010
为系统总焦距，
Figure 2012105877612100001DEST_PATH_IMAGE012
为系统总焦距与系统总长之比，
Figure 2012105877612100001DEST_PATH_IMAGE014
为前后透镜组的间距。
2.根据权利要求1所述的高精度小型化红外光学系统，其特征在于所述红外成像探测器（4）包括探测窗口（4-1）、冷光阑（4-2）、红外成像焦平面（4-3）。
3.根据权利要求1所述的高精度小型化红外光学系统，其特征在于所述前透镜组（2）包括第一正透镜（2-1）、第一负透镜（2-2）；后透镜组（3）包括第二正透镜。
4.根据权利要求3所述的高精度小型化红外光学系统，其特征在于所述整流罩（1）、第一正透镜（2-1）、第一负透镜（2-2）、第二正透镜的材料依次为硫化锌、硅、锗、硅。
5.根据权利要求1或4所述的高精度小型化红外光学系统，其特征在于所述整流罩（1）为平窗。
6.根据权利要求1所述的高精度小型化红外光学系统，其特征在于所述红外光学系统的工作作用距离大于等于15km；温度范围为-40℃～60℃；工作波段为3~5μm。
7.根据权利要求3所述的高精度小型化红外光学系统，其特征在于所述第一正透镜（2-1）或第一负透镜（2-2）的两个表面至少有一面是非球面。
8.根据权利要求3或7所述的高精度小型化红外光学系统，其特征在于所述第一正透镜（2-1）与第一负透镜（2-2）的组合光焦度为正光焦度。
9.根据权利要求3所述的高精度小型化红外光学系统，其特征在于所述第二正透镜的两个表面至少有一面是衍射面。
10.根据权利要求1或2所述的高精度小型化红外光学系统，其特征在于所述红外探测器（4）是小像元制冷型的焦平面阵列探测器，且其冷光阑就是本红外光学系统的孔径光阑。
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