CN103064185A - 红外光学系统 - Google Patents
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Abstract
一种红外光学系统，涉及一种应用于红外/激光双模制导中的红外成像制导光学系统。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）、第一透镜组（2）、棱镜（3）、第二透镜组（4）和红外成像探测器（5），采用折射二次成像的结构形式达到了大视场的要求，同时实现了100%的冷光阑效率，中间像面处设置有视场光阑，可以很好的抑制杂散光，且该系统适用于小像元探测器，提高了系统的成像分辨率。本发明红外成像光学系统通过引入非球面和二元光学技术，有效提高了系统的成像质量，简化了系统的结构。本发明的红外光学系统具有大视场、高分辨率、高精度的优点。
Description
技术领域
本发明属于红外技术领域，尤其是涉及一种应用于红外/激光双模制导中的红外成像制导光学系统。
背景技术
目前，采用制冷型红外焦平面阵列探测器的大视场高分辨率的红外成像光学系统，广泛应用在航空、航天和地面的侦察、跟踪和拦截中。
在现代高技术战争中，精确制导武器攻击过程中遇到的对抗层次越来越多，对抗手段越来越复杂。因此，对末制导技术提出了更高的要求。由于精确制导武器采用的非成像的单一寻的制导方式已不能完成作战使命，必须在发展成像寻的制导技术的同时，大力发展多模复合寻的制导技术，从而使导弹具有作用距离远、制导精度高和低空性能好的特点，适应未来远程精确打击的战术需要。目前，在各种复合制导技术中，由于红外成像寻的制导能自主捕获目标、抗干扰能力强、角精度高、隐蔽性好、目标识别能力强，但是没有目标的距离信息、系统不能全天候工作。而主动激光雷达拥有全天候攻击、制导精度高、保密性好、可探测距离和抗干扰能力强等优点，但是探测距离近、受气象条件影响大。因此将这两种制导模式相结合，构成红外/激光双模制导系统可以实现系统性能上的优势互补，能明显的提高导弹制导系统的性能，适应恶劣战场环境中的作战需要。红外光学系统在红外成像制导技术中发挥重要的作用，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。
与本发明最为接近的现有技术如图1所示，一种红外/激光双模导引头系统，采用了共孔径的结构模式，红外能量和反射的激光能量共口径部分为双反射形式，红外和激光信号的分离是通过在次镜上镀分色膜来实现。
但是该系统存在以下不足之处：
（1）系统的瞬时视场比较小，视场角只有±1.96°；
（2）共口径部分采用双反射形式，中心视场的光线被遮拦，能量损失大；
（3）系统适用于像元数为320×256，像元尺寸为30μm的红外探测器，空间分辨率不高。
发明内容
为了克服现有双模导引头系统的瞬时视场比较小、能量损失大、空间分辨率不高的不足，本发明提供了一种红外光学系统。
本发明的红外光学系统包括从物面到像面依次同轴设置的整流罩1、第一透镜组2、棱镜3、第二透镜组4和红外成像探测器5，无穷远目标首先经过整流罩1后照射到第一透镜组2，经过棱镜3后得到一次像，然后经过第二透镜组4透射成像到红外成像探测器5上。
本发明红外光学系统采用折射二次成像的结构形式达到了大视场的要求，同时实现了100%的冷光阑效率，中间像面处设置有视场光阑，可以很好的抑制杂散光，且该系统适用于小像元探测器，提高了系统的成像分辨率。本发明红外成像光学系统通过引入非球面和二元光学技术，有效提高了系统的成像质量，简化了系统的结构。本发明对比现有技术具有以下显著优点：
（1）具有较大的搜索视场，瞬时视场可达到10°～15°；
（2）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；
（3）能量利用率高，集中度非常高；
（4）材料选择常规红外玻璃，易加工和检测；
（5）系统成像质量高；
（6）系统含有中间像面，在中间像面附近放置分光棱镜有利于分光，在中间像面处设置视场光阑，有效抑制杂光；
（7）特别适合作为高精度，大视场，小型化和轻量化需要的红外/激光双模导引头中的红外光学系统。
附图说明
图1为现有技术的结构示意图；
图2为本发明的红外光学系统结构示意图；
图3为本发明的红外光学系统的光路图；
图4为本发明的红外光学系统光学传递函数MTF曲线；
图5为本发明的红外光学系统能量包围圆图；
图6为本发明的红外光学系统点列图。
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2所示，本发明提供了一种红外光学系统，该红外光学系统采用折射二次成像的结构形式，从物面到像面依次同轴设置有整流罩1、第一透镜组2、棱镜3、第二透镜组4和红外成像探测器5。
本发明所提及的透镜组2包括第一正透镜2-1、第一负透镜2-2。
本发明所提及的透镜组4包括第二负透镜4-1、第二正透镜4-2、第三正透镜4-3、第三负透镜4-4、第四正透镜4-5。
本发明所提及的红外成像探测器5包括探测窗口5-1、冷光阑5-2、红外成像焦平面5-3。
如图3所述，无穷远目标首先经过整流罩1后依次照射到第一透镜组2的第一正透镜2-1、第一负透镜2-2，经过棱镜3后得到一次像，然后依次经过第二透镜组4的第二负透镜4-1、第二正透镜4-2、第三正透镜4-3、第三负透镜4-4、第四正透镜4-5透射到探测窗口5-1，最后成像到探测器的红外成像焦平面5-3上。
上述整流罩1到第一透镜组2的第一正透镜2-1前表面的距离d1为30mm。
上述第一透镜组2的第一负透镜2-2到棱镜3前表面的距离d2满足：30mm<d2<60mm。
上述棱镜3后表面到第二透镜组4的第二负透镜4-1的距离d3满足：4mm<d1<7mm。
上述第二透镜组4的第四正透镜4-5透射到探测窗口5-1的距离d4为3mm。
上述红外光学系统的整流罩1为平窗。
上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。
上述红外光学系统的棱镜3为分光棱镜，其作用是为了将红外和反射的激光能量分离开。
上述红外光学系统的整流罩1、第一正透镜2-1、第一负透镜2-2、棱镜3、第二负透镜4-1、第二正透镜4-2、第三正透镜4-3、第三负透镜4-4、第四正透镜4-5的材料依次为蓝宝石（Saphir）、硒化锌（Znse）、氟化钙（Caf2）、硒化锌（Znse）、锗（Ge）、硫化锌（Zns）、硅（Si）、锗（Ge）、硅（Si）。
上述红外光学系统的第二正透镜4-2的两表面至少有一面是非球面。
上述红外光学系统的第三负透镜4-4的两表面至少有一面是非球面。
上述红外光学系统的第四正透镜4-5的两表面至少有一面是衍射面。
上述红外光学系统的第二透镜组4的第三正透镜4-3和第三负透镜4-4是小间隙双分离透镜。
上述红外光学系统的上述高精度小型化红外光学系统的红外成像探测器5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。
上述红外光学系统的红外探测器5是小像元制冷型的碲镉汞焦平面阵列探测器，且其冷光阑5-2作为本发明红外光学系统的孔径光阑。其冷光阑5-2到红外成像焦平面5-3的距离是20mm，其冷光阑前1mm处为一个材料为硅的探测窗口5-1，该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1。
表1 红外光学系统的各技术参数
| 整流罩1 | n1=1.67 | R1=∞ | R2=∞ |
| 第一正透镜2-1 | n2=2.43 | 63<R3<81 | 272<R4<321 |
| 第一负透镜2-2 | n3=1.41 | -70 <R5<-110 | -122<R6<-164 |
| 棱镜3 | n4=2.43 | R7=∞ | R8=∞ |
| 第二负透镜4-1 | n5=4.02 | -18 <R9<-24 | -16<R10<-28 |
| 第二正透镜4-2 | n6=2.25 | -23 <R11<-40 | -20 <R12<-36 |
| 第三正透镜4-3 | n7=3.42 | 25 <R13<54 | 190 <R14<237 |
| 第三负透镜4-4 | n8=4.02 | 220 <R15<276 | 30 <R16<65 |
| 第四正透镜4-5 | n9=3.42 | -520 <R17<650 | -68<R18<100 |
对于第二正透镜4-2前表面，引入非球面系数为：二次非球面系数A为4.24e-006，四次非球面系数B为-3.28e-008，六次非球面系数C为1.04e-010。
对于第三负透镜4-4后表面，引入非球面系数为：二次非球面系数A为-2.71e-006，四次非球面系数B为1.98e-009，六次非球面系数C为-4.80e-012。
对于第二正透镜4-2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-4.89e-005，四次位相系数c2为3.34e-006，六次位相系数c3为-5.23e-008，八次位相系数c4为1.85e-010。
本发明所提供的红外成像光学系统的总长小于250mm，体积小，实现结构的小型化设计。图4给出红外光学系统的光学传统函数MTF曲线，可以看出所设计的红外光学系统的光学传统函数MTF曲线接近衍射极限。图5给出红外光学系统的点列图，其最大弥散斑直径为8.28μm，小于探测器单个像元尺寸。图6给出系统在不同温度下的能量包围圆图，90%的能量都集中在直径为13μm的圆内，小于探测器单个像元尺寸，能量利用率非常高。本发明红外成像光学系统实现大视场、高分辨率的同时，充分考虑了小型化和轻量化的要求，特别适用于红外/激光双模制导中的红外成像制导光学系统。
Claims (10)
1.一种红外光学系统，其特征在于所述的红外光学系统采用折射二次成像的结构形式，从物面到像面依次同轴设置有整流罩（1）、第一透镜组（2）、棱镜（3）、第二透镜组（4）和红外成像探测器（5），无穷远目标首先经过整流罩（1）后照射到第一透镜组（2），经过棱镜（3）后得到一次像，然后经过第二透镜组（4）透射成像到红外成像探测器（5）上。
2.根据权利要求1所述的红外光学系统，其特征在于所述的整流罩（1）为平窗。
3.根据权利要求1所述的红外光学系统，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。
4.根据权利要求1所述的红外光学系统，其特征在于所述第一透镜组（2）包括第一正透镜（2-1）、第一负透镜（2-2）；所述棱镜（3）为分光棱镜；所述第二透镜组（4）包括第二负透镜（4-1）、第二正透镜（4-2）、第三正透镜（4-3）、第三负透镜（4-4）、第四正透镜（4-5）；所述红外成像探测器（5）包括探测窗口（5-1）、冷光阑（5-2）、红外成像焦平面（5-3）。
5.根据权利要求4所述的红外光学系统，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）、棱镜（3）、第二负透镜（4-1）、第二正透镜（4-2）、第三正透镜（4-3）、第三负透镜（4-4）、第四正透镜（4-5）的材料依次为蓝宝石、硒化锌、氟化钙、硒化锌、锗、硫化锌、硅、锗、硅。
6.根据权利要求4或5所述的红外光学系统，其特征在于所述第二正透镜（4-2）的两表面至少有一面是非球面。
7.根据权利要求4或5所述的红外光学系统，其特征在于所述第三负透镜（4-4）的两表面至少有一面是非球面。
8.根据权利要求4或5所述的红外光学系统，其特征在于所述第四正透镜（4-5）的两表面至少有一面是衍射面。
9.根据权利要求1或4所述的高精度小型化红外光学系统，其特征在于所述红外探测器（5）是小像元制冷型的焦平面阵列探测器。
10.根据权利要求4所述的高精度小型化红外光学系统，其特征在于所述冷光阑（5-2）作为红外光学系统的孔径光阑。
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
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