CN103792652A - 结合主/被动探测的折返式光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光电探测技术领域，公开了一种结合主/被动探测的折返式光学系统。该系统包括：保护罩、平面反射镜、凹面主反射镜、主焦校正镜组、双面反射镜、转像透镜组、二次成像镜组和扩束镜组共同形成的红外通道、激光发射通道和激光接收通道；其中，所述保护罩、所述平面反射镜、所述凹面主反射镜、所述主焦校正镜组的第一透镜的第一光学表面形成为所述红外通道和所述激光接收通道的共光轴部分。本发明结合了红外探测和激光测距，增大了系统的有效孔径，缩小了光机系统的体积，机构紧凑，像差校正简单，可以广泛应用于各种光电探测平台。

Description

结合主/被动探测的折返式光学系统

技术领域

本发明涉及用于光电探测技术领域，具体来说是一种结合主/被动探测的折返式光学系统。

背景技术

一直以来雷达探测就是远程目标探测的最主要手段，该技术被广泛应用于军事或民用领域中对飞行器、舰船等中大型移动目标的探测上。但随着电子对抗、导弹、航空及航海技术的发展，雷达探测在应对高速小目标和隐身目标时的能力不足日益凸显，而且其较易受到电磁干扰或反辐射攻击手段的破坏。为克服雷达探测的缺陷，红外探测成为一种新的探测手段被广泛采用。与雷达探测相比，红外探测具有两个最本质的特征，一是工作于光频段，二是以被动方式工作；这使得红外探测系统具备了抗电子干扰能力强、不易受反辐射导弹攻击、探测隐身目标和高速飞行小目标能力强、目标识别和分类能力好、体积小、重量轻、功耗低、适装性强等特点。

但是，由于红外探测只能被动探测，只能定性地获知目标的存在和方位，而无法定量地获取目标的距离和移动速度等信息，具有很大的局限性。为此，红外探测系统通常要结合主动测距设备，特别是采用激光远程测距，从而为红外探测提供距离数据以进行定量分析。

现有技术中，结合主/被动探测功能的设备多采用红外系统与激光测距系统的结合，两系统以分口径的光学排布方式安装在地面站的转台上。由于现有技术的方式两系统集成度差，存在设备整体体积大、光机结构复杂等缺点，无法满足机载平台的安装需求。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何提高主/被动探测结合的光学系统的集成度。

为解决该问题，本发明提供了一种结合主/被动探测的折返式光学系统，该结合主/被动探测的折返式光学系统包括：保护罩、平面反射镜、凹面主反射镜、主焦校正镜组、双面反射镜、转像透镜组、二次成像镜组和扩束镜组共同形成的红外通道、激光发射通道和激光接收通道；

其中，所述保护罩、所述平面反射镜、所述凹面主反射镜、所述主焦校正镜组的第一透镜的第一光学表面形成为所述红外通道和所述激光接收通道的共光轴部分。

优选地，所述光学系统中：

所述保护罩、所述平面反射镜、所述凹面主反射镜、所述主焦校正镜组、所述双面反射镜的前表面以及所述转像透镜组形成所述红外通道；

所述扩束镜组、所述双面反射镜的后表面、所述平面反射镜以及所述保护罩形成所述激光发射通道；

所述保护罩、所述平面反射镜、所述凹面主反射镜、所述主焦校正透镜组中第一透镜的第一光学表面以及所述二次成像透镜组形成所述激光接收通道。

优选地，所述红外通道中：

所述平面反射镜设置在所述保护罩内的光线出入口处，所述双面反射镜设置在所述平面反射镜与所述主焦校正透镜组之间，所述凹面主反射镜设置在所述主焦校正透镜组的另一侧；

所述凹面主反射镜和所述主焦校正透镜组的中心轴重合为第一中心轴，所述平面反射镜与所述双面反射镜平行且与所述第一中心轴呈45度角，所述第一中心轴通过所述平面反射镜及所述双面反射镜的面心；

所述转像透镜组的入光口与所述第一中心轴垂直且通过所述双面反射镜的面心，出光口接红外探测器。

优选地，所述激光发射通道中：

所述扩束镜组的中心轴通过所述双面反射镜的面心，且所述扩束镜组的中心轴与所述平面反射镜及所述双面反射镜的面心的连线垂直。

优选地，所述激光接收通道中：

所述平面反射镜设置在所述保护罩内的光线出入口处，所述平面反射镜与所述凹面主反射镜分别设置在所述主焦校正透镜组的两侧；

所述凹面主反射镜和所述主焦校正透镜组的中心轴重合为第一中心轴，所述平面反射镜与所述第一中心轴呈45度角，所述第一中心轴通过所述平面反射镜；

所述凹面主反射镜的中心开有通孔，所述二次成像镜组设置在所述通孔处，所述二次成像镜组的中心轴与所述第一中心轴重合。

优选地，所述主焦校正镜组的第一透镜的第一光学表面作为激光和红外的分色面。

优选地，所述主焦校正镜组包括第一透镜和第二透镜，所述第一透镜为凹透镜、所述第二透镜为凸透镜，所述第一透镜和所述第二透镜之间的距离可动态调整。

优选地，所述二次成像镜组连接雪崩光电二极管进行激光测距。

本发明采用一种红外探测和激光测距共口径的折返式光学系统，可以增大系统的有效孔径，同时尽量缩小光机系统的体积，满足机载环境的应用，机构紧凑，像差校正简单，可以广泛应用于各种光电探测平台。

附图说明

图1为本发明的一个实施例中结合主/被动探测的折返式光学系统的结构示意图；

图2为本发明中7.7-9.3微米波段红外通道的调制传递函数示意图；

图3为本发明中1.064微米波段激光发射通道的调制传递函数示意图；

图4为本发明中1.064微米波段激光接收通道的调制传递函数示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例为实施本发明的较佳实施方式，所述描述是以说明本发明的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围应当以权利要求所界定者为准，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

现有的主被动结合的光学探测系统中，红外探测和激光测距通常是两套相对独立的设备，分口径完成光学排布，分别形成红外接收和激光收发的光路，随后利用各自的光路完成红外探测和激光测距。现有技术的方式系统集成度低，设备体积大，不便于机载应用，为此本发明了提供了一种共口径的折反式光学系统，可以增大系统的有效孔径，同时尽量缩小光机系统的体积。

参见图1，在本发明的一个实施例中，结合主/被动探测的折返式光学系统包括：保护罩1、平面反射镜2、凹面主反射镜3、主焦校正镜组（包括第一透镜4和第二透镜5）、双面反射镜6、转像透镜组、二次成像镜组和扩束镜组共同形成的红外通道、激光发射通道和激光接收通道；其中，保护罩1、平面反射镜2、凹面主反射镜3、主焦校正镜组的第一透镜4的第一光学表面形成为红外通道和激光接收通道的共光轴部分。

在图1的优选实施例中，保护罩1、平面反射镜2、凹面主反射镜3、主焦校正镜组、双面反射镜6的前表面以及转像透镜组形成红外通道；扩束镜组、双面反射镜6的后表面、平面反射镜2以及保护罩1形成激光发射通道；保护罩1、平面反射镜2、凹面主反射镜3、主焦校正透镜组中第一透镜4的第一光学表面以及二次成像透镜组形成激光接收通道。

进一步地，红外通道的运行方式为：光学系统旋转扫描到的红外辐射经保护罩1入射到平面反射镜2，随后反射到凹面主反射镜3，透过主焦校正透镜组，经双面反射镜6的前反射面形成一次像面，再经后端的转像透镜组成像到红外探测器，进行100%效率的光瞳匹配。其中，平面反射镜2设置在保护罩1内的光线出入口处，双面反射镜6设置在平面反射镜2与主焦校正透镜组之间，凹面主反射镜3设置在主焦校正透镜组的另一侧（相对于平面反射镜2和双面反射镜6所在的一侧）。凹面主反射镜3和主焦校正透镜组的中心轴重合为第一中心轴，平面反射镜2与双面反射镜6平行且与第一中心轴呈45度角，第一中心轴通过平面反射镜2及双面反射镜6的面心；转像透镜组的入光口与第一中心轴垂直且通过双面反射镜6的面心，出光口接红外探测器。平面反射镜2对入射的红外辐射进行了90度偏转，实现了大范围光轴粗指向；凹面主反射镜3再将光轴偏转180度，同时缩小光束截面；主焦校正透镜组接收光束并开始会聚；双面反射镜6的前反射面将会聚光偏转90度并形成一次成像；转像透镜组接收成像进行探测。

作为共口径折返式光学系统，激光发射通道共用了红外通道的部分组件，激光发射通道的运行方式为：扩束镜组发射激光，双面反射镜6的后表面对激光进行反射（使激光偏转90度），到平面反射镜2处再进行二次反射（再次使激光偏转90度，与原发射激光同向平行），随后激光经保护罩1出射。其中，扩束镜组的中心轴与第一中心轴垂直且通过双面反射镜6的面心（扩束镜组与转像透镜组分别设置在双面反射镜6的两侧）。

激光接收通道与红外通道共用了绝大多数核心组件，激光接收通道的运行方式为：激光回波经保护罩1入射到平面反射镜2，随后反射到凹面主反射镜3，再次反射到主焦校正透镜组的第一透镜4的第一光学表面再被反射，最后的反射光通过二次成像镜组进行APD（Avalanche Photo Diode，雪崩光电二极管）接收。其中，平面反射镜2、凹面主反射镜3和主焦校正透镜组的设置同红外通道，凹面主反射镜3的中心开有通孔；二次成像镜组设置在该通孔处，二次成像镜组的中心轴与第一中心轴重合，三次反射后的激光所成的像进入二次成像镜组被接收后送给APD。

更进一步地，主焦校正镜组包括第一透镜4和第二透镜5，第一透镜4的第一光学表面作为激光和红外的分色面。此外，第一透镜4为凹透镜、第二透镜5为凸透镜，通过调整第一透镜4和第二透镜5之间的距离，主焦校正镜组能进一步校正像差。

另外，激光发射通道和红外通道转像透镜组环绕在共轴光路周围，这样更加有效的保证了系统的紧凑性。

本发明的光学系统入瞳直径120mm，进一步参见图2、图3以及图4可以了解本发明的光学传递函数效果。其中，图2为7.7-9.3微米波段红外通道的调制传递函数，图3为1.064微米波段激光发射通道的调制传递函数，图4为1.064微米波段激光发射通道的调制传递函数。从图中函数曲线可以看出，本发明光学系统的成像质量良好，符合光电探测仪器的应用标准。

本发明提供了一种结合主/被动探测的折返式光学系统，它增大了系统的有效孔径，缩小了光机系统的体积，满足机载环境的应用结构紧凑，像差校正简单，广泛应用于各种光电探测平台，为其在航空、国防等领域的推广应用提供了坚实的技术保证，使其成为上述领域的必备设备之一。

虽然以上结合优选实施例对本发明进行了描述，但本领域的技术人员应该理解，本发明所述的方法和系统并不限于具体实施方式中所述的实施例，在不背离由所附权利要求书限定的本发明精神和范围的情况下，可对本发明作出各种修改、增加、以及替换。

Claims (8)

1.一种结合主/被动探测的折返式光学系统，其特征在于，所述光学系统包括：

保护罩、平面反射镜、凹面主反射镜、主焦校正镜组、双面反射镜、转像透镜组、二次成像镜组和扩束镜组共同形成的红外通道、激光发射通道和激光接收通道；

其中，所述保护罩、所述平面反射镜、所述凹面主反射镜、所述主焦校正镜组的第一透镜的第一光学表面形成为所述红外通道和所述激光接收通道的共光轴部分。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统中：

所述保护罩、所述平面反射镜、所述凹面主反射镜、所述主焦校正镜组、所述双面反射镜的前表面以及所述转像透镜组形成所述红外通道；

所述扩束镜组、所述双面反射镜的后表面、所述平面反射镜以及所述保护罩形成所述激光发射通道；

所述保护罩、所述平面反射镜、所述凹面主反射镜、所述主焦校正透镜组中第一透镜的第一光学表面以及所述二次成像透镜组形成所述激光接收通道。

3.根据权利要求1或2所述的光学系统，其特征在于，所述红外通道中：

所述平面反射镜设置在所述保护罩内的光线出入口处，所述双面反射镜设置在所述平面反射镜与所述主焦校正透镜组之间，所述凹面主反射镜设置在所述主焦校正透镜组的另一侧；

所述凹面主反射镜和所述主焦校正透镜组的中心轴重合为第一中心轴，所述平面反射镜与所述双面反射镜平行且与所述第一中心轴呈45度角，所述第一中心轴通过所述平面反射镜及所述双面反射镜的面心；

所述转像透镜组的入光口与所述第一中心轴垂直且通过所述双面反射镜的面心，出光口接红外探测器。

4.根据权利要求1或2所述的光学系统，其特征在于，所述激光发射通道中：

所述扩束镜组的中心轴通过所述双面反射镜的面心，且所述扩束镜组的中心轴与所述平面反射镜及所述双面反射镜的面心的连线垂直。

5.根据权利要求1或2所述的光学系统，其特征在于，所述激光接收通道中：

所述平面反射镜设置在所述保护罩内的光线出入口处，所述平面反射镜与所述凹面主反射镜分别设置在所述主焦校正透镜组的两侧；

所述凹面主反射镜和所述主焦校正透镜组的中心轴重合为第一中心轴，所述平面反射镜与所述第一中心轴呈45度角，所述第一中心轴通过所述平面反射镜；

所述凹面主反射镜的中心开有通孔，所述二次成像镜组设置在所述通孔处，所述二次成像镜组的中心轴与所述第一中心轴重合。

6.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述主焦校正镜组的第一透镜的第一光学表面作为激光和红外的分色面。

7.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述主焦校正镜组包括第一透镜和第二透镜，所述第一透镜为凹透镜、所述第二透镜为凸透镜，所述第一透镜和所述第二透镜之间的距离可动态调整。

8.根据权利要求1或2所述的光学系统，其特征在于，所述二次成像镜组连接雪崩光电二极管进行激光测距。

Images