CN103852889A

CN103852889A - 用于高空中工作的机载吊舱光学系统

Info

Publication number: CN103852889A
Application number: CN201410106719.3A
Authority: CN
Inventors: 宋宇; 王治乐; 钱育龙; 张慧莉
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2014-03-21
Filing date: 2014-03-21
Publication date: 2014-06-11

Abstract

本发明公开了一种用于高空中工作的机载吊舱光学系统，其特征在于所述光学系统由可见光路和中波红外光路共用的反射系统(100)，反射可见光、透射中波红外的分光系统(200)、可见光路补偿透镜组(300)以及红外光路补偿透镜组和中继透镜组(400)四部分组成。本发明特点在于:可以实现远距离，高分辨率以及全天候成像。系统包括可见、红外两个波段，可分别工作于白天和夜间。采用可见、红外光路共用反射系统(100)，分光系统(200)靠近主镜以及加入折叠反射镜的结构设计，可以达到结构紧凑，缩小体积的目的，并且满足航空相机对成像质量以及视场的要求。

Description

用于高空中工作的机载吊舱光学系统

技术领域

本发明属于光学技术领域，涉及一种可见、红外双波段成像光学系统，尤其涉及一种适用于高空中工作的机载吊舱成像光学系统。

背景技术

制空权在现代战争中起到了越来越重要的作用，机载吊舱以其灵活快捷的优点在航空领域倍受关注。通过调研国内外机载吊舱研究现状，可以看出航空机载吊舱的发展势头强劲，不断追求高分辨、宽覆盖、远距离以及全天候成像。同时，体积和重量的减小意味着飞行速度和距离的增加，因此在满足成像质量的前提下，体积小、结构紧凑的光学系统也成为研究的热点。

目前，我国自行研制的机载吊舱分辨率一般较低、飞行高度多为低空或中高空。若要实现在高空中工作，分辨率高的机载吊舱光机系统对光学系统也将提出较高要求，则系统必为较长焦距，较大口径，同时，为了实现全天候成像的目的，应包括可见、红外两个光路系统，分别工作于白天和夜晚。在航空应用中，为了提高航空相机的可靠性，通常需要尽量减少设备部件，同时满足空间体积小、重量轻和功耗小的要求，若对两个系统分别设计将无法达到此目的。因此，目前迫切需要研制一种可以在高空中工作，同时满足体积和成像质量要求的机载吊舱光学系统。

发明内容

为了解决机载吊舱工作高度、体积以及成像质量方面的问题，本发明提出了一种可以实现远距离、高分辨率以及全天候成像的可见、红外双波段机载吊舱光学系统，同时兼顾系统小型化、轻量化的需求。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的:

一种用于高空中工作的机载光学系统，包括可见光路和中波红外光路共用的反射系统，反射可见光、透射中波红外的分光系统，可见光路补偿透镜组以及中波红外光路补偿透镜组和中继透镜组四部分，其中:

所述反射系统沿光路方向由主镜和次镜组成;

所述可见光路补偿透镜组沿光路方向由第一反射镜、可见光路补偿透镜和可见光探测器组成;

所述红外光路补偿透镜组和中继透镜组沿光路方向由像散补偿镜、第二反射镜、中波红外光路补偿透镜、第三反射镜、中波红外光路中继透镜和红外探测器组成;

所述系统工作波段为可见光和中波红外波段，全波段光束通过反射系统入射到分光系统，可见光经分光系统反射后经第一反射镜及可见光路补偿透镜成像在靠近主镜下方的可见光探测器的光敏面上;中波红外光路经分光系统透射后经像散补偿镜、第二反射镜及中波红外光路补偿透镜一次成像在主镜右方，再经过第三反射镜及中波红外光路中继透镜最终二次成像在主镜上方的红外探测器光敏面上。

本发明的用于高空中工作的机载吊舱光学系统中可见光系统的工作波段为0.5～0.8μm，中波红外系统的工作波段为3.7～4.8μm，光束经过RC反射系统入射到平行平板分光镜，可见光路经过二次反射及补偿透镜成像在主镜下方的可见光探测器光敏面上。中波红外光路透过分光镜，经反射镜及补偿透镜一次成像在方镜右方处，再次经过反射镜及中继透镜最终二次成像在主镜上方的红外探测器光敏面上，实现了中波红外系统100%冷光栏效率。并且在分光镜后加入了倾斜的像散补偿镜，用以补偿倾斜平板产生的较大像散。

本发明的用于高空中工作的机载光学系统采用折反结构，可满足长焦距、大口径的需求，并且结构简单。百先参考高空中工作的先进机载吊舱的技能指标，选定探测器，分别确定可见、红外两个波段的系统焦距、口径、视场等参数。依据像差理论，通过增减透镜，改变透镜结构及材料等对其进行优化，可见光系统透镜材料的折射率限制在1.4～1.8之间，中波红外系统材料选为常用的中波红外材料。为满足可见、红外部分共光路的要求，两系统各自优化过程中保持前端两反RC系统的所有参数不变。最后得到本发明的用于高空中工作的机载光学系统的光学结构。

本发明的用于高空中工作的机载吊舱光学系统，为实现结构紧凑的目的，平行平板分光镜倾斜45°置于主镜和次镜间靠近主镜处，反射可见光，透过中波红外。各光路再次经过反射镜折叠光路，最终分别成像于主镜的上下方，从而达到缩小体积的要求。

本发明具有以下优点:

1、该系统采用可见光路和中波红外光路共用反射镜的结构形式，不仅满足双波段探测的需求，而且结构相对简单，大大减少了系统的体积和重量。

2、该系统中平行平板分光镜置于主次镜间靠近主镜位置处，将光束分成两路，并通过折叠反射镜分别成像在主镜上下方，从而有效地利用了体积空间，使结构更加紧凑。

3、满足体积的前提下，该系统实现了长焦距、大口径及高分辨率成像，可见光系统焦距达2100mm，中波红外系统焦距达1568mm，从而适用于高空中工作。

4、该系统中可见光路及中波红外光路的成像质量均接近衍射限。

附图说明

图1为本发明的用于高空中工作的机载光学系统的结构示意图;

图2为本发明的用于高空中工作的机载光学系统可见光系统的结构示意图;

图3本发明的用于高空中工作的机载光学系统可见光系统的调制传递函数(MTF)示意图。

图4为本发明的用于高空中工作的机载光学系统中波红外系统的结构示意图;

图5本发明的用于高空中工作的机载光学系统中波红外系统的调制传递函数(MTF)示意图。

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的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

如图1所示，本实施方式所述用于高空中工作的机载吊舱光学系统包括可见光路和中波红外光路共用的反射系统100，反射可见光、透射中波红外的分光系统200，可见光路补偿透镜组300以及红外光路补偿透镜组和中继透镜组400四部分。

全波段光束经过反射系统100入射到分光系统200，可见光波段在分光系统200反射，经过可见光路补偿透镜成像在主镜110下方的可见光探测器光敏面320上。中波红外波段在分光系统200处透射，经第二反射镜412及中波红外光路补偿透镜一次成像主镜110右方，再次经过第三反射镜421及中波红外光路中继透镜最终二次成像在主镜110上方的红外探测器光敏面433上，使系统出瞳432与红外探测器冷光阑432重合。

为降低像差，减小系统加工检测难度，本实施方式中，反射系统100采用RC两反系统，包括主镜110和次镜120，主次镜面型都为双曲面。

本实施方式中，分光系统200采用平行平板分光镜，其表面镀有分光膜，反射可见光，透射中波红外。分光镜材料需同时满足透过率和硬度需求，最终选为折射率较低，硬度较高的MgF₂，厚度为1.9mm。

图2给出了本实施方式中可见光系统的结构示意图。可见光路补偿透镜组300沿光路方向由第一反射镜311、可见光路补偿透镜和可见光探测器组成。为实现缩小体积目的，可见光波段光束经过分光系统200后再次经过第一反射镜311折叠光路，经过可见光路补偿透镜成像于主镜110下方。所述可见光路补偿透镜沿光路方向包括第一透镜312、第二透镜313、第三透镜314和第四透镜315四片透镜，玻璃材料的折射率限制在1.4～1.8之间，透镜表面均采用标准球面，对可见光系统进行优化，并保持前方与中波红外共用部分的参数不变。最终，系统在最大空间频率411p/mm处的MTF均在0.7以上，接近衍射极限，如图3所示。

系统技术指标如下:

入瞳直径:280mm;

焦距:2100mm;

视场角2w:0.73°;

工作波段:0.3～0.5μm。

图4给出了本实施方式中中波红外系统结构示意图。红外光路补偿透镜组和中继透镜组400沿光路方向由绕y轴旋转45°的平行平板像散补偿镜411、第二反射镜412、中波红外光路补偿透镜、第三反射镜421、中波红外光路中继透镜和红外探测器组成。其中，中波红外光路补偿透镜沿光路方向包括第五透镜413、第六透镜414、第七透镜415和第八透镜416四片透镜。为了矫正像差，透镜组采用两片含有非球面的透镜。第一非球面位于第六透镜414的入射面，第二非球面位于第八透镜416的出射面。第五透镜413和第八透镜416采用Ge晶体，第六透镜414采用ZnS晶体，第七透镜415采用Si晶体。光束经过象散补偿镜411，通过第二反射镜412折叠光路后，经四片透镜组成像于垂直于光轴方向上，通过中波红外光路补偿透镜后，红外系统焦距扩大到1568mm。

红外系统所成一次像面再次经过第三反射镜421折叠光路后通过中波红外光路中继透镜二次成像于位于主镜110上方的中波红外探测器的光敏面上433。中波红外光路中继透镜沿光路方向包括第九透镜422、第十透镜423、第十一透镜424和第十二透镜425四片透镜，放大倍率为-1倍，经二次成像，最终使系统出瞳与探测器冷光阑432重合，系统F数为5.6，与中波红外制冷型探测器相匹配。中波红外探测器位于该系统第十二透镜425后，图4中绘出了中波红外探测器的探测器窗口431、冷光阑432和光敏面433。为了矫正像差，中波红外光路中继透镜采用一片含有非球面的透镜。非球面位于第十透镜423的入射面。第九透镜422和第十二透镜425采用Ge晶体，第十透镜423采用ZnSe晶体，第十一透镜424采用Si晶体。对中波红外系统进行优化，保持前方与可见光系统共用部分的参数不变。最终，系统在最大空间频率201p/mm处的MTF均在0.7以上，接近衍射极限，如图5所示。

系统技术指标如下:

入瞳直径:280mm;

焦距:1568mm;

视场角2w:0.73°;

工作波段:3.7～4.8μm。

本实施方式中，光学系统体积在435×420×420mm³之内，系统充分利用有限空间，达到缩小体积，结构紧凑的目的，像差校正十分理想，可见光系统、中波红外系统成像质量均满足设计要求。

Claims

1.一种用于高空中工作的机载吊舱光学系统，其特征在于所述光学系统由可见光路和中波红外光路共用的反射系统(100)，反射可见光、透射中波红外的分光系统(200)，可见光路补偿透镜组(300)以及红外光路补偿透镜组和中继透镜组(400)四部分组成，其中:

所述反射系统(100)沿光路方向由主镜(110)和次镜(120)组成;

所述可见光路补偿透镜组(300)沿光路方向由第一反射镜(311)、可见光路补偿透镜和可见光探测器组成;

所述红外光路补偿透镜组和中继透镜组(400)沿光路方向由像散补偿镜(411)、第二反射镜(412)、中波红外光路补偿透镜、第三反射镜(421)、中波红外光路中继透镜和红外探测器组成;

所述系统工作波段为可见光和中波红外波段，全波段光束通过反射系统(100)入射到分光系统(200)，可见光经分光系统(200)反射后经第一反射镜(311)及可见光路补偿透镜成像在主镜(110)下方的可见光探测器的光敏面(320)上;中波红外光路经分光系统(200)透射后经像散补偿镜(411)、第二反射镜(412)及中波红外光路补偿透镜一次成像在主镜(110)右方，再经过第三反射镜(421)及中波红外光路中继透镜最终二次成像在主镜(110)上方的红外探测器光敏面(433)上。

2.根据权利要求1所述的用于高空中工作的机载吊舱光学系统，其特征在于所述可见光的工作波段为0.5～0.8μm，中波红外波段的工作波段为3.7～4.8μm，共用口径为280mm。

3.根据权利要求1所述的用于高空中工作的机载吊舱光学系统，其特征在于所述反射系统(100)为RC系统，主镜(110)和次镜(120)的面型均为双曲面。

4.根据权利要求1或3所述的用于高空中工作的机载吊舱光学系统，其特征在于所述分光系统(200)位于主镜(110)和次镜(120)之间靠近主镜(110)。

5.根据权利要求4所述的用于高空中工作的机载吊舱光学系统，其特征在于所述分光系统(200)为倾斜45°平行平板分光镜，其表面镀有分光膜。

6.根据权利要求5所述的用于高空中工作的机载吊舱光学系统，其特征在于所述分光镜的材料为MgF₂。

7.根据权利要求1所述的用于高空中工作的机载吊舱光学系统，其特征在于所述可见光路补偿透镜沿光路方向依次由第一透镜(312)、第二透镜(313)、第三透镜(314)和第四透镜(315)四片透镜组成。

8.根据权利要求1所述的用于高空中工作的机载吊舱光学系统，其特征在于所述中波红外光路补偿透镜沿光路方向依次由第五透镜(413)、第六透镜(414)、第七透镜(415)和第八透镜(416)组成。

9.根据权利要求1所述的用于高空中工作的机载吊舱光学系统，其特征在于所述中波红外光路中继透镜沿光路方向依次由第九透镜(422)、第十透镜(423)、第十一透镜(424)和第十二透镜(425)组成。