CN103278916B - 一种激光与中、长波红外共孔径的三波段成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光与中、长波红外共孔径的三波段成像系统，该系统包括各波段的共用入瞳、反射表面为凹面且中心开孔的主镜、折反并用的凸面次镜、中红外波或长波红外光路成像透镜组、激光会聚光斑接收单元、中波红外与长波红外波段的分光镜、中长波红外双波段成像透镜组与探测像面。本系统能够实现对同一目标的场景红外辐射能量和其反射的激光回波能量进行共孔径收集，入瞳位于主镜前方，利用次镜进行激光与中长波红外波段的分光，并通过倾斜分色镜实现中波红外与长波红外的分光，结构紧凑，提高了系统光能和空间的利用率，有利于中波、长波红外两波段分别进行像差校正与光束聚焦，成像质量明显提高。

Description

一种激光与中、长波红外共孔径的三波段成像系统

技术领域

本发明涉及一种激光与中、长波红外共孔径的三波段成像系统，特别适用于红外成像导引头对目标的搜索、跟踪、捕获等红外制导系统中。

背景技术

三波段的共孔径成像光学系统与传统的单一波段的非共孔径光学系统相比，一方面，三波段探测，提高了复杂环境背景下对目标搜索与跟踪的精度；另一方面，该共孔径系统相当于三个独立的光学成像系统，系统的前端部分是由激光、中波红外、长波红外的三个光路所共用，有效地节约了光学元件的使用，提高了元件的利用率，从而大大降低了成本。随着红外成像技术的发展，单一红外波段成像已经难以满足对目标信息收集的需求。同时，红外成像系统的功能，将越来越趋向于多元化，多波段共孔径成像系统日趋成为光学领域的研究热点。但目前，涉及激光、红外波段的多波段共孔径系统的研究还不成熟，仍有较多的问题：三波段共孔径成像系统前端共用部分的设计，要同时考虑激光、中波、长波红外成像光路的会聚光斑尺寸大小与像差校正，具有一定的设计难度；中、长波红外波段成像光路中冷光阑的匹配，由于两光路共用系统前端同一部分，也共用同一入瞳，同时实现两光路的冷光阑100％匹配比较困难；由于系统包括三个光路，系统前端共用部分与系统分光路后光路需要分别安装，其加工装调也有一定的难度。

国内与本发明相似的专利为CN201110025070.9与CN201110028648.6，前者是一种具有卡塞格林前端的共视场共孔径多光谱成像系统，如图2所示，实现了可见至近红外波段与中波或长波红外或中长波红外双波段的多光谱共孔径成像；后者是一种折反混合多光谱成像系统，如图3所示，是在前者的基础研究上，加入了短波波段的成像，实现了可见至近红外波段、短波波段、中波红外或长波红外或中长波红外双波段的多光谱共孔径成像。这两个系统的设计，主要是实现可见光、近红外、中波红外或长波红外或中长波红外双波段及短波波段的两光路或者三光路同光轴同视场的多光谱成像。

本发明设计是一种激光、中波红外、长波红外共孔径的三波段成像系统，是一种折反混合的光学系统，考虑到红外波段成像的热效应控制及像差校正的困难，系统设计过程中，选择了常用的红外材料锗、砷化镓和折射率温度变化系数较小且中、长波波段具有很高透过率的Ge-As-Se红外材料(常用红外材料与某些特殊红外材料的搭配)。共孔径系统提高了光能量利用率，在要求的频率范围内，可以接近衍射极限，满足成像质量要求，共孔径折转系统的设计，还有效地节省了系统空间。该系统通过对目标辐射的红外能量和反射的激光回波能量的收集，可以得到中、长波两波段的目标红外图像，而APD接收器光敏面上的激光回波能量，经过分析，可以对目标进行准确定位，便于精确制导。目前，在单波段对目标背景的探测精度条件下，现有的单一红外波段成像系统对复杂背景中目标的搜索与跟踪已经难以满足红外制导装置的精度要求；同时，红外波段成像在工作过程中，存在着温度对系统成像质量的影响。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种激光与中、长波红外共孔径的三波段成像系统，选择合适的系统结构形式，进行系统无热化设计，以满足红外精确制导的需求。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

如附图1所示，激光与中、长波红外共孔径的三波段成像系统包括：孔径大小可变的光阑1、光焦度为负的非球面主镜2、折反并用的非球面次镜3、中继透镜4、中长波红外分色镜5、折转光路的平面反射镜6、中波红外成像镜组7、长波红外成像镜组8、中波红外探测器9、长波红外探测器10、长波红外探测器的冷屏11、中波红外探测器的冷屏12、激光接收器APD光电管13；沿光线的传播方向，各光学元件按图1标示的顺序依次排列。

各波段的波长范围为：

激光波段：1064nm；

中波红外波段：3.7μm～4.8μm；

长波红外波段：7.7μm～9.5μm；

其中，孔径大小可变的光阑1是激光、中波红外、长波红外三波段共用的，其位置保持不变，具有两个孔径尺寸；光焦度为负的非球面主镜2是凹的非球面反射镜；折反并用的非球面次镜3是透射激光，反射中、长波红外波段的凸面镜；中继透镜4是将经过前端光焦度为负的非球面主镜2和折反并用的非球面次镜3成一次中间像后的光线平行或接近平行出射；中长波红外分色镜5将中波红外与长波红外波段分为两个光路，反射光束是中波红外波段，折射光束是长波红外波段，各光路分别成像；折转光路的平面反射镜6将中波光路折转到与原光路平行；分光路后，中、长波红外波段分别经过中波红外成像镜组7与长波红外成像镜组8，并分别到达中波红外探测器9和长波红外探测器10完成红外波段的两次成像。

具体的设计原理如下：

1.孔径大小可变的光阑1，在中、长波波段时，其孔径大小为62.8mm，在激光波段时，其孔径大小为70mm，以分别满足红外波段和激光波段的分辨率、像面光照度的需求。

2.为了实现红外与激光波段共孔径系统的设计，采用了折反射式结构形式，光焦度为负的非球面主镜2作为第一面反射镜，折反并用的非球面次镜3作为第二面反射镜，红外波段经2、3两次反射后，成一次像，激光波段经2反射后，经3透射，成一个光斑，由激光接收器APD光电管13所接收，实现了红外与激光两波段光路的分离。

3.为了方便红外波段的中波与长波两光路分离，红外波段一次成像后，经中继透镜4后，近似平行光线入射到中长波红外分色镜5，其中，中波红外被反射至折转光路的平面反射镜6，长波红外经5透射，并沿平行于原光轴的方向传播，从而将中波红外与长波红外波段分为两个光路。

4.为了缩短系统长度，减小系统的体积，中波红外成像镜组7与长波红外成像镜组8采用非球面透镜组，非球面透镜还有利于像差校正，提高系统的成像质量。

5.中、长波红外波段光路的探测器，中波红外探测器9和长波红外探测器10为制冷型探测器，中继透镜4和中长波红外分色镜5分别与由折转光路的平面反射镜6、中波红外成像镜组7组成的中波波段光路和由长波红外成像镜组8组成的长波波段光路组成中、长波红外波段的二次成像镜组，使得中、长波红外光线经折反并用的非球面次镜3一次成像后，再经中、长波红外波段的二次成像镜组，在中波红外探测器9和长波红外探测器10两个制冷型探测器上二次成像，孔径大小可变的光阑1经两反射镜和中、长波红外波段的二次成像镜组，分别在两制冷型探测器的冷屏11、12上成像，以实现红外系统100％冷光阑效率。

本发明具有以下显著有点：本发明采用了光焦度为负的非球面主镜2和折反并用的非球面次镜3组成卡塞格林结构来缩短系统长度、扩大视场，由折反并用的非球面次镜3和中、长波分光的分色镜5有效地将激光波段、中波红外、长波红外分为三个光路，激光波段由激光接收器APD光电管13所接收，具有非球面透镜的中、长波红外波段的二次成像镜组，进行系统像质补偿，中波红外与长波红外分别实现较高的成像质量，MTF值达到要求范围。本发明适应于对同一目标场景红外辐射能量和目标反射的激光回波能量共孔径收集，系统长度较短，结构紧凑，红外波段成像质量满足MTF值要求，特别适用于红外成像导引头对目标的搜索、跟踪、捕获等制导系统中。

附图说明

图1是本发明的一种激光与中、长波红外共孔径的三波段成像系统的结构示意图。

图2是专利CN201110025070.9中设计的一种具有卡塞格林前端的共视场共孔径多光谱成像系统的结构示意图。

图3是专利CN201110028648.6中设计的一种折反混合多光谱成像系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。

如图1所示，一种激光与中、长波红外共孔径的三波段成像系统包括：孔径大小可变的光阑1、光焦度为负的非球面主镜2、折反并用的非球面次镜3、中继透镜4、中长波红外分色镜5、折转光路的平面反射镜6、中波红外成像镜组7、长波红外成像镜组8、中波红外探测器9、长波红外探测器10、激光接收器APD光电管13；沿光线的传播方向，各光学元件按图示的顺序依次排列。

无穷远目标场景红外辐射能量和目标反射的激光回波能量分别依次通过以上共孔径系统中对应光路的光学元件，照射到探测器和接收器元件上，得到最后的像和光斑。

孔径大小可变的光阑1限制入射到光焦度为负的非球面主镜2上的红外与激光光束直径，光焦度为负的非球面主镜2对入射光束进行反射，折反并用的非球面次镜3对由光焦度为负的非球面主镜2反射的光束进行反射和折射；其中，中、长波波段的光束经折反并用的非球面次镜3反射，得到反射光束，并一次成像，经折反并用的非球面次镜3的中心开孔出射；激光波段的光束经折反并用的非球面次镜3折射，得到折射光束，并由激光接收器APD光电管13所接收。

中继透镜4和中长波红外分色镜5分别与由折转光路的平面反射镜6、中波红外成像镜组7组成的中波波段光路和由长波红外成像镜组8组成的长波红外波段光路组成中、长波红外波段的二次成像镜组；中、长波红外波段的二次成像镜组和两个制冷型探测器9、10，用于红外波段的视场扩展和二次成像；目标场景辐射的红外光束，在两制冷型红外探测器的感光面上二次成像，孔径大小可变的光阑1经中、长波红外波段两光路分别成像于中波红外探测器9和长波红外探测器10的冷屏11、冷屏12处，实现100％冷光阑效率。中长波红外分色镜5和折转光路的平面反射镜6，主要是用于不同光波波段分光路和光路折转，不影响系统成像质量，也不影响系统的同轴性。中波红外波段：3.7μm～4.8μm；长波红外波段：7.7μm～9.5μm。

Claims (2)

1.一种制导用激光与中、长波红外共孔径的三波段成像系统，其特征在于：包括孔径大小可变的光阑(1)、光焦度为负的非球面主镜(2)、折反并用的非球面次镜(3)、中继透镜(4)、中长波红外分色镜(5)、折转光路的平面反射镜(6)、中波红外成像镜组(7)、长波红外成像镜组(8)、中波红外探测器(9)、长波红外探测器(10)、长波红外探测器的冷屏(11)、中波红外探测器的冷屏(12)、激光接收器APD光电管(13)；所述系统为共光轴系统，其中激光光路具有独立的视场和入瞳孔径大小，中、长波双波段光路具有相同的视场和入瞳孔径大小；孔径大小可变的光阑(1)是激光、中波、长波红外三波段所共用的，其位置保持不变，具有两个孔径尺寸；光焦度为负的非球面主镜(2)是凹的非球面反射镜；折反并用的非球面次镜(3)是透射激光，反射中、长波红外波段的凸面镜；中继透镜(4)令经过前端光焦度为负的非球面主镜(2)、折反并用的非球面次镜(3)成一次中间像后的光线平行出射；中长波红外分色镜(5)将中波与长波红外波段分为两个光路，反射光束是中波红外波段，折射光束是长波红外波段，各光路分别成像；折转光路的平面反射镜(6)将中波红外光路折转到与原光路平行；分光路后，中、长波红外波段分别经过中波红外成像镜组(7)与长波红外成像镜组(8)，并分别到达中波红外探测器(9)和长波红外探测器(10)完成红外波段的二次成像；所述激光为1064nm，所述中波红外波长范围为3.7μm～4.8μm，所述长波红外波长范围为7.7μm～9.8μm。

2.根据权利要求1所述的一种制导用激光与中、长波红外共孔径的三波段成像系统，其特征在于：

1)、由目标反射的激光回波能量和目标场景的红外辐射能量，被共孔径收集到系统中；

2)、光焦度为负的非球面主镜(2)和折反并用的非球面次镜(3)为激光、中波红外与长波红外三波段共用的部分，折反并用的非球面次镜(3)的凸面镀有反射中、长波红外波段，同时透射激光的膜层；

3)、中、长波红外波段经过光焦度为负的非球面主镜(2)和折反并用的非球面次镜(3)后，一次成像在光焦度为负的非球面主镜(2)开孔位置附近，在光线分光路前，在折反并用的非球面次镜(3)与倾斜的中长波红外分色镜(5)之间，加入了中继透镜(4)，使会聚成一次中间像的红外光线平行入射到中长波红外分色镜(5)上；

4)、中长波红外分色镜(5)前表面镀有反射中波红外波段，同时透射长波红外波段的膜层，长波红外光线经折射通过中长波红外分色镜(5)，沿原光路的方向传播，中波红外光线被反射至折转光路的平面反射镜(6)后，光路折转到与长波红外光线平行的方向，二者经过各自的成像镜组分别成像，由各光路中的红外探测器接收；

5)、折反并用的非球面次镜(3)采用二氧化硅材料，中长波红外分色镜(5)采用锗材料；

6)、本系统的三波段共孔径设计，中、长波红外成像波段共视场，激光光束具有独立视场，便于激光探测器接收激光回波能量。