CN103389577A - 含自由曲面棱镜的大视场紧凑型扫描红外光学系统 - Google Patents

Abstract

含自由曲面棱镜的大视场紧凑型扫描红外光学系统属于光学仪器技术领域，目的在于解决现有技术存在的扫描视场角较小，系统结构较长、透镜数目较多、结构复杂及调制传递函数值下降的问题。包括整流罩、校正透镜组、自由曲面棱镜和探测器像面，红外辐射经过非球面整流罩之后依次通过校正透镜组所包含的透镜A和透镜B，透过透镜B后的光线首先经过自由曲面棱镜的第一表面透射进入，在第二表面内侧发生反射，之后在第一表面内侧发生全反射，再经过第三表面透射出，到达探测器像面完成成像。本发明采用自由曲面棱镜完成了剩余像差校正、扫描成像和折叠光路任务，透镜数目少、结构简单，并且不存在常见的折反射系统的光线遮拦，缩短了系统的总长度。

Description

含自由曲面棱镜的大视场紧凑型扫描红外光学系统

技术领域

本发明属于光学仪器技术领域，具体涉及一种用于飞行器非球面窗口含自由曲面棱镜的大视场紧凑型扫描红外光学系统。

背景技术

红外成像技术在现代侦查、救援中的作用日益突出。目前，红外导引头的非球面光学整流罩的外表面具有尖拱状外形，由于这种整流罩的面型为非球面，当后面的光学系统对一定范围的视场进行跟踪扫描成像时，整流罩参与成像的部分曲率不同，因此给各个视场引入的像差不同，增加了成像光学系统设计的难度。

为了消除像差随视场变化带来的影响，通常采用固定的校正透镜来实现像差的校正，这种方法是在整流罩和成像系统中间加入一组透镜，结构简单，容易实现，但系统扫描视场角较小（一般不大于35°），因视场角增大至一定程度时整流罩引入像差过大，单纯用固定透镜组无法完全补偿像差。校正透镜后的成像系统通常采用两种结构实现：一种是采用折反式结构，此种结构反射镜的次镜会造成中心遮拦，导致调制传递函数值下降；另一种结构是采用透射式结构，此种结构系统较长，透镜数目较多，结构复杂。

发明内容

本发明的目的在于提出一种含自由曲面棱镜的大视场紧凑型扫描红外光学系统，解决现有技术存在的扫描视场角较小，系统结构较长、透镜数目较多、结构复杂及调制传递函数值下降的问题。

为实现上述目的，本发明的含自由曲面棱镜的大视场紧凑型扫描红外光学系统包括整流罩、校正透镜组、自由曲面棱镜和探测器像面；所述校正透镜组包括透镜A和透镜B，所述整流罩的光轴与所述校正透镜组的透镜A和透镜B同轴排列，所述整流罩与系统零视场时的视轴重合，所述自由曲面棱镜包括第一表面、第二表面和第三表面三个光学表面；无穷远目标发射的红外辐射经过非球面整流罩之后依次通过校正透镜组所包含的透镜A和透镜B，透过透镜B后的光线首先经过自由曲面棱镜的第一表面透射进入自由曲面棱镜，然后在第二表面内侧发生反射，之后在第一表面内侧发生全反射，再经过第三表面透射出，透射出的光线到达探测器像面完成成像。

所述自由曲面棱镜可绕位于整流罩光轴上的一旋转中心R转动，从而对±50°范围内扫描视场成像，所述旋转中心R为校正透镜组中透镜B后表面和自由曲面棱镜第一表面之间的任意一点。

所述自由曲面棱镜的第一表面和第二表面为自由曲面，曲面方程分别满足式（1）和式（2）：

本发明中坐标定义如下：Y-Z平面为纸面，z轴水平向右，y轴在纸面内垂直于z轴向上，x轴垂直于纸面向里，构成右手坐标系；

$z=\frac{C_x{x}^2+C_y{y}^2}{1+\sqrt{1-(1+k_x){C_x}^2{x}^2-\left({1+k}_y\right){C_y}^2{y}^2}}$

$+A{[(1-A_P)x^2+(1+A_P)y^2]}^2+B\{(1-B_P)x^2+(1+B_P)y^2{]}^3$

$+C{[(1-C_P)x^2+(1-C_P)y^2]}^4+D{[(1-D_P)x^2+(1+D_P)y^2]}^5---\left(1\right)$

其中：其中，C_x、C_y和k_x、k_y分别为曲面在X-Z平面内和Y-Z平面内的曲率和圆锥常数，A、B、C、D为4、6、8、10阶非球面系数。A_p、B_p、C_p、D_p是面型4-10阶偏离轴对称的系数；

$z=\frac{C(x^2+y^2)}{1+\sqrt{1-(1+k)C^2{x}^2}}+\underset{j=1}{\overset{66}{\mathrm{\Σ}}}{z}_j{c}_j---\left(2\right)$

其中，C、k分别为曲面的曲率和圆锥常数，z_j为泽尼克多项式第j项，最高可用到66项，c_j为第j项的系数。

全部光线前后两次经过第一表面1的入射角应满足公式（3）的条件：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&theta;}}_1<\arcsin (1/n^{\&prime;})\\ {\mathrm{\&theta;}}_2>\arcsin (1/n^{\&prime;})\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，θ₁为光线第一次入射到第一表面的入射角，θ₂为光线第二次经过第一表面时的入射角，n′为自由曲面棱镜内部材料的折射率。

所述的红外光学系统还包括系统光阑，所述系统光阑位于自由曲面棱镜L3的后方，与自由曲面棱镜的出射面沿系统光轴的距离为0～15mm。

所述整流罩外表面和内表面均为椭球面；校正透镜组的透镜A和透镜B的前表面和后表面均为非球面。

本发明的有益效果为：本发明利用校正透镜组进行旋转对称非球面整流罩产生的像差的初步校正，之后仅采用一块自由曲面棱镜就完成了剩余像差校正、扫描成像和折叠光路等多重任务，整个光学系统仅由整流罩和透镜A、透镜B、自由曲面棱镜三片透镜组成，透镜数目少、结构简单，并且不存在常见的折反射系统的光线遮拦。整流罩前端顶点到探测器像面沿水平方向的最大距离即最大目标视场时的距离仅为系统焦距的2.5倍，缩短了系统的总长度，适合于推进器内部空间狭小的使用条件。同时，该系统在光圈数2.0的情况下，全扫描视场可达100°或更高，有利于大目标视场扫描成像。系统成像质量好，各视场的调制传递函数值都接近衍射极限。

附图说明

图1为本发明红外光学系统在零度扫描视场的结构示意图；

图2为本发明红外光学系统在大扫描视场的结构示意图；

图3为本发明在零度扫描视场的光学传递函数图；

图4本发明在大扫描视场的光学传递函数图；

其中：1、整流罩，2、校正透镜组，201、透镜A，202、透镜B，3、自由曲面棱镜，301、第一表面，302、第二表面，303、第三表面，4、探测器像面。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

参见附图1和附图3，本发明的含自由曲面棱镜3的大视场紧凑型扫描红外光学系统包括整流罩1、校正透镜组2、自由曲面棱镜3和探测器像面4；所述校正透镜组2包括透镜A201和透镜B202，所述整流罩1与所述校正透镜组2的透镜A201和透镜B202同轴排列，所述整流罩1的光轴S与系统零视场时的视轴重合，所述自由曲面棱镜3包括第一表面301、第二表面302和第三表面303三个光学表面；无穷远目标发射的红外辐射经过非球面整流罩1之后依次通过校正透镜组2所包含的透镜A201和透镜B202，透过透镜B202后的光线首先经过自由曲面棱镜3的第一表面301透射进入自由曲面棱镜3，然后在第二表面302内侧发生反射，之后在第一表面301内侧发生全反射，再经过第三表面303透射出，透射出的光线到达探测器像面4完成成像。

所述自由曲面棱镜3可绕位于整流罩1光轴上的一旋转中心R转动，从而对±50°范围内扫描视场成像，所述旋转中心R为校正透镜组2中透镜B202后表面和自由曲面棱镜3第一表面301之间的任意一点。

所述自由曲面棱镜3的第一表面301和第二表面302为自由曲面，曲面方程分别满足式（1）和式（2）：

本发明中坐标定义如下：Y-Z平面为纸面，z轴水平向右，y轴在纸面内垂直于z轴向上，x轴垂直于纸面向里，构成右手坐标系；

$z=\frac{C_x{x}^2+C_y{y}^2}{1+\sqrt{1-(1+k_x){C_x}^2{x}^2-\left({1+k}_y\right){C_y}^2{y}^2}}$

$+A{[(1-A_P)x^2+(1+A_P)y^2]}^2+B\{(1-B_P)x^2+(1+B_P)y^2{]}^3$

$+C{[(1-C_P)x^2+(1-C_P)y^2]}^4+D{[(1-D_P)x^2+(1+D_P)y^2]}^5---\left(1\right)$

其中：其中，C_x、C_y和k_x、k_y分别为曲面在X-Z平面内和Y-Z平面内的曲率和圆锥常数，A、B、C、D为4、6、8、10阶非球面系数。A_p、B_p、C_p、D_p是面型4-10阶偏离轴对称的系数；

$z=\frac{C(x^2+y^2)}{1+\sqrt{1-(1+k)C^2{x}^2}}+\underset{j=1}{\overset{66}{\mathrm{\&Sigma;}}}{z}_j{c}_j---\left(2\right)$

其中，C、k分别为曲面的曲率和圆锥常数，z_j为泽尼克多项式第j项，最高可用到66项，c_j为第j项的系数。

全部光线前后两次经过第一表面3011的入射角应满足公式（3）的条件：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&theta;}}_1<\arcsin (1/n^{\&prime;})\\ {\mathrm{\&theta;}}_2>\arcsin (1/n^{\&prime;})\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中：θ₁为光线第一次入射到第一表面301的入射角，θ₂为光线第二次经过第一表面301时的入射角，n′为自由曲面棱镜3内部材料的折射率。

所述的红外光学系统还包括系统光阑，所述系统光阑位于自由曲面棱镜303的后方，与自由曲面棱镜3的出射面沿光轴的距离为2mm，便于系统使用制冷型红外探测器，各个透镜的具体参数参见表1：

表1(单位：mm)

所述整流罩1外表面和内表面均为椭球面；校正透镜组2的透镜A201和透镜B202的前表面和后表面均为非球面。

参见附图2和附图4，利用自由曲面棱镜3实现大视场扫描成像的光学系统，系统全扫描视场可达100°，瞬时视场达3°，各视场的传函在17lp/mm处达到0.7以上。

为了满足推进器内部空间狭小的使用条件，本发明中的自由曲面棱镜3不仅作为扫描成像元件，还同时担负校正部分像差以及对光路进行折叠的作用。这种设计有利于增大系统扫描视场，同时有效减少了成像元件的总长，并且极大地简化了光学系统结构。整流罩1前端顶点到探测器像面4沿水平方向的最大距离即最大目标视场时为系统焦距的2.5倍。此外，这种结构避免了中心遮拦问题，不会使调制传递函数值下降。

本发明将主要应用于以制冷型红外焦平面光电阵列探测器作为成像接收器的大视场、高传递函数值的红外光学系统，在对地观测中能获得无穷远目标的高清晰度照片，可广泛应用于侦查、救援等领域中。

本实施例中整流罩1采用的是氟化镁，固定校正透镜组2及自由曲面棱镜3由于含有非球面及自由曲面，选择易加工的锗和硫化锌作为材料。

以上为本发明的具体实施方式，但绝非对本发明的限制。

Claims (7)

1.含自由曲面棱镜的大视场紧凑型扫描红外光学系统，包括整流罩（1）、校正透镜组（2）和探测器像面（4），其特征在于，还包括自由曲面棱镜（3）；所述校正透镜组（2）包括透镜A（201）和透镜B（202），所述整流罩（1）与所述校正透镜组（2）的透镜A（201）和透镜B（202）同轴排列，所述整流罩（1）的光轴与系统零视场时的视轴重合，所述自由曲面棱镜（3）包括第一表面（301）、第二表面（302）和第三表面（303）三个光学表面；无穷远目标发射的红外辐射经过非球面整流罩（1）之后依次通过校正透镜组（2）所包含的透镜A（201）和透镜B（202），透过透镜B（202）后的光线首先经过自由曲面棱镜（3）的第一表面（301）透射进入自由曲面棱镜（3），然后在第二表面（302）内侧发生反射，之后在第一表面（301）内侧发生全反射，再经过第三表面（303）透射出，透射出的光线到达探测器像面（4）完成成像。

2.根据权利要求1所述的含自由曲面棱镜的大视场紧凑型扫描红外光学系统，其特征在于，所述自由曲面棱镜（3）可绕位于整流罩（1）光轴上的一旋转中心R转动，对±50°范围内扫描视场成像。

3.根据权利要求2所述的含自由曲面棱镜的大视场紧凑型扫描红外光学系统，其特征在于，所述旋转中心R为校正透镜组（2）中透镜B（202）后表面和自由曲面棱镜（3）第一表面（301）之间的任意一点。

4.根据权利要求1所述的含自由曲面棱镜的大视场紧凑型扫描红外光学系统，其特征在于，所述自由曲面棱镜（3）的第一表面（301）和第二表面（302）为自由曲面，曲面方程分别满足式（1）和式（2）：

本发明中坐标定义如下：Y-Z平面为纸面，z轴水平向右，y轴在纸面内垂直于z轴向上，x轴垂直于纸面向里，构成右手坐标系；

$z=\frac{C_x{x}^2+C_y{y}^2}{1+\sqrt{1-(1+k_x){C_x}^2{x}^2-\left({1+k}_y\right){C_y}^2{y}^2}}$

$+A{[(1-A_P)x^2+(1+A_P)y^2]}^2+B\{(1-B_P)x^2+(1+B_P)y^2{]}^3$

$+C{[(1-C_P)x^2+(1-C_P)y^2]}^4+D{[(1-D_P)x^2+(1+D_P)y^2]}^5---\left(1\right)$

其中，C_x、C_y和k_x、k_y分别为曲面在X-Z平面内和Y-Z平面内的曲率和圆锥常数，A、B、C、D为4、6、8、10阶非球面系数。A_p、B_p、C_p、D_p是面型4-10阶偏离轴对称的系数；

$z=\frac{C(x^2+y^2)}{1+\sqrt{1-(1+k)C^2{x}^2}}+\underset{j=1}{\overset{66}{\mathrm{\&Sigma;}}}{z}_j{c}_j---\left(2\right)$

其中，C、k分别为曲面的曲率和圆锥常数，z_j为泽尼克多项式第j项，最高可用到66项，c_j为第j项的系数。

5.根据权利要求1所述的含自由曲面棱镜的大视场紧凑型扫描红外光学系统，其特征在于，全部光线前后两次经过第一表面（301）1的入射角应满足公式（3）的条件：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&theta;}}_1<\arcsin (1/n^{\&prime;})\\ {\mathrm{\&theta;}}_2>\arcsin (1/n^{\&prime;})\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中：θ₁为光线第一次入射到第一表面（301）的入射角，θ₂为光线第二次经过第一表面（301）时的入射角，n′为自由曲面棱镜（3）内部材料的折射率。

6.根据权利要求1所述的含自由曲面棱镜的大视场紧凑型扫描红外光学系统，其特征在于，所述的红外光学系统还包括系统光阑，所述系统光阑位于自由曲面棱镜（3）L3的后方，与自由曲面棱镜（3）的出射面沿系统光轴的距离为0～15mm。

7.根据权利要求1所述的含自由曲面棱镜的大视场紧凑型扫描红外光学系统，其特征在于，所述整流罩（1）外表面和内表面均为椭球面；校正透镜组（2）的透镜A（201）和透镜B（202）的前表面和后表面均为非球面。

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