CN104136955B - 具有扩展的谱覆盖范围的全场geo成像仪光学装置 - Google Patents
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Abstract
一种宽视场红外光学成像系统，其谱覆盖范围扩展到1.0至2.5μm的波长范围中。在一个例子中，光学成像系统包含对至少1.0μm至5.0μm的波长范围中的光敏感的成像检测器、以及被光学耦合在一起且被配置为将入射光聚焦于成像检测器上的多个透镜，所述多个透镜中的每一个都包含对至少1.0μm至5.0μm的波长范围中的光透明的材料，其中，光学成像系统的光瞳位于所述多个透镜之外、在所述多个透镜与成像检测器之间。
Description
背景技术
宽视场(WFOV)红外成像系统被用于各种应用中，诸如用于目标识别用无人机(UAV)平台上、或者诸如对地静止卫星或地球同步环地轨道(GEO)卫星的卫星上。可依赖于应用在各种波长范围上执行广域监视。例如，来自GEO的红外光学系统被用于导弹警告应用。关注的波长范围包括约1.4微米(μm)和3μm之间的波长范围中的短波长红外(SWIR)带、约3μm和8μm之间的波长范围中的中波长红外(MWIR)带、以及约8μm和12μm之间的波长范围中的长波长红外(LWIR)带。
发明内容
常规上，地球同步平台上的全场(full-field)传感器光学装置仅覆盖了SWIR谱带并很少地覆盖了MWIR谱带，以用于导弹警告应用。方面和实施例针对具有扩展的谱覆盖范围(spectral coverage)的多功能WFOV光学成像系统。特别地，某些方面针对全场地球同步成像仪光学形式的扩展实施例以覆盖附加的谱带，例如，从约1.0μm至5.0μm的谱区，从而在“反射”太阳区域中允许残留感测功能。根据一个实施例，如下面进一步讨论的那样，多功能光学系统被配置为既在SWIR和MWIR谱带中提供传统的导弹警告功能，又在约1.0-2.5μm谱带中提供用于例如“对地观测(see-to-the-ground)”或气象(例如，云量(cloud-cover)和风暴进展)成像的其它应用的附加感测能力。
根据一个实施例，光学成像系统包括对至少1.0μm至5.0μm的波长范围中的光敏感的成像检测器、以及被光学耦合在一起且被配置为将入射光聚焦于成像检测器上的多个透镜，所述多个透镜中的每一个都包含对至少1.0μm至5.0μm的波长范围中的光透明的材料，其中，光学成像系统的光瞳位于所述多个透镜之外、在所述多个透镜与成像检测器之间。
在光学成像系统的一个例子中，所述多个透镜包含第一透镜和位于第一透镜之后的第二透镜，第一透镜具有正焦度(power)并且由清澈透明的硫化锌制成。第二透镜可具有负焦度并且可由例如氟化镁制成。所述多个透镜可进一步包含位于第二透镜与光瞳之间的第三透镜，第三透镜具有负焦度并由例如Amtir1制成。在另一例子中，所述多个透镜进一步包含位于第三透镜与光瞳之间的第四透镜，第四透镜具有负焦度并由氟化钡制成。在另一例子中，所述多个透镜进一步包含位于第四透镜与光瞳之间的第五透镜，第五透镜具有正焦度并由清澈透明的硫化锌制成。所述多个透镜可被配置和布置以给光学成像系统提供约18至20度的视场。
根据另一例子，光学成像系统进一步包括非球面校正器，所述非球面校正器被光学耦合于所述多个透镜与成像检测器之间，并被配置为在至少1.0μm至5.0μm的波长范围上校正所述多个透镜的非球面像差。在一个例子中，非球面校正器是Schmidt校正器板。非球面校正器可由例如Amtir1制成。在一个例子中，成像检测器是二维焦平面阵列。成像系统可进一步包括低温杜瓦瓶(dewar)，其中成像检测器位于低温杜瓦瓶内。该系统可进一步包括孔径光阑，所述孔径光阑位于光学成像系统的光瞳处且位于低温杜瓦瓶内。在一个例子中，该系统进一步包括设置在所述多个透镜与成像检测器之间的至少一个谱滤波器(spectral filter)。在另一例子中，该系统进一步包括分束器，所述分束器位于所述多个透镜与成像检测器之间，并被配置为将入射光分成至少两个波带(waveband)。在一个例子中，所述至少两个波带包含第一波带和第二波带，并且成像检测器包含被配置用于第一波带的第一检测器和被配置用于第二波带的第二检测器。在另一例子中，所述至少两个波带包含第一波带和第二波带，并且成像检测器包含对第一波带中的光敏感的第一区域和对第二波带中的光敏感的第二区域。第一波带例如可包含从约1.0至2.5μm的波长范围，并且第二波带例如可包含短波长红外谱带和中波长红外谱带中的至少一个。
还有其它方面、实施例以及这些示例性方面和实施例的优点在下面被详细讨论。在此公开的实施例可按与在此公开的至少一个原理一致的任何方式与其它实施例组合，并且，对“实施例”、“一些实施例”、“替代性实施例”、“各种实施例”或“一个实施例”等的提及未必是相互排斥的，而意在指示可在至少一个实施例中包括所描述的特定的特征、结构或特性。在此出现这样的术语未必均指的是同一实施例。
附图说明
下面参照并不意在按比例绘制的附图讨论至少一个实施例的各种方面。图被包含以提供对各种方面和实施例的说明和进一步理解，并且被并入本说明书中且构成其一部分，但不意在作为对本发明限制的限定。在图中，在各种图中示出的各同样或几乎同样的组件由类似的附图标记表示。为了清楚的目的，可能没有在每个图中标注每个组件。在图中：
图1是用于导弹警告应用的红外光学成像系统的一个例子的射线轨迹(ray trace)；
图2是根据本发明方面的具有扩展的谱覆盖范围的光学成像系统的一个例子的射线轨迹；以及
图3是根据本发明方面的具有扩展的谱覆盖范围的光学成像系统的另一例子的射线轨迹。
具体实施方式
方面和实施例针对能至少在从约1.0微米(μm)到约5μm的谱带上成像的多功能光学成像系统。根据一个实施例，除了在SWIR和MWIR带中的任一个或全部中之外还在1.0至2.5μm带中成像的能力允许系统既提供传统的导弹警告功能或利用红外成像的其它功能，又提供用于其它应用的附加感测能力，诸如例如以高空间分辨率和快速帧时间提供气象信息。常规上，这些不相同的感测功能由各被配置为仅针对相关谱带的完全分离的成像系统提供。
参照图1，示出了诸如可在导弹警告系统中使用的红外光学成像系统的一个例子。光学成像系统100典型地位于GEO平台上，并且包含如下的光学装置：来自被观察场景(例如，使整个地球半球内凹(coving))的光路通过所述光学装置以到达成像传感器。光学系统100包含多个透镜105、110、115、120和125，所述多个透镜被配置为提供所需的场景的视场和焦距，并将地球的区域的图像聚焦于诸如二维焦平面阵列的红外检测器130上。检测器130被容纳于用作冷屏(cold shield)的杜瓦瓶140内，在该冷屏内检测器130被冷却到例如低温。杜瓦瓶140设有被选为对系统100的所希望的工作波长范围内的红外辐射透明的窗口145。对于SWIR或MWIR谱带中的典型的导弹警告应用，第一透镜105由硅制成，并且第二透镜110由锗制成。第三透镜115由硒化锌(ZnSe)制成，第四透镜120由砷化镓(GaAs)制成，并且第五透镜125由氟化钡(BaF2)制成。
这些材料提供了能够在高的SWIR和MWIR谱带中提供具有高空间分辨率和快速帧时间的图像的光学系统100。但是，由于用于光学装置的材料中的几种对具有短于中SWIR带的波长的光不透明，因此该系统的谱覆盖范围受限。例如，硅、锗和砷化镓均在约1.0μm的波长处不透明。硅(第一透镜105的材料)对低于约1.1μm的波长不透明。类似地，锗(第二透镜110的材料)对短于约2μm的波长不透明。砷化镓(透镜120的材料)在低于约2μm的情况下也不透明。
根据一个实施例，提供一种光学系统，在该光学系统中，透镜材料和光学元件的布置被选择和配置，以使得该系统除了在SWIR和MWIR带中以外还能够在低于2μm的波长范围中成像，例如能够在约1-5μm的波长范围中成像。如以上所讨论的那样，该能力可允许系统执行各种功能，包括例如导弹警告功能和气象成像功能两者。如以下进一步讨论的那样，某些实施例基于后部遮光(rear-stopped)的WFOV折射光学形式。选择光学元件的材料和布置，不仅是为了如以上所讨论的那样在扩展的红外谱带中的透射，而且是为了在扩展的范围上提供良好的图像质量。
参照图2，示出了根据一个实施例的扩展谱覆盖范围的光学成像系统的例子。与系统100类似，成像系统200可位于GEO平台上，并且包含如下的光学装置：来自被观察场景的光线202通过该光学装置以到达成像传感器或检测器205。成像系统200包含捕获来自远场物体的光线202并将入射光线202聚焦到检测器205上的透镜的布置。因此检测器205位于成像系统200的焦点或焦平面280处。在示出的例子中，成像系统200包含第一透镜215、第二透镜220、第三透镜225、第四透镜230和第五透镜235。在一个例子中，透镜215-235被配置为给成像系统200提供WFOV，例如，约18°和20°之间的圆形视场。成像系统200还可包含用于校正透镜215-235中的非球面像差的非球面校正器240，例如，Schmidt型校正器板。
在一个例子中，检测器205是二维焦平面阵列(FPA)。FPA可以是大的正式的FPA，例如，具有20μm像素的4000×4000像素(已知为4K×4K FPA)阵列。在某些例子中，检测器205对例如从约1μm至约5μm的红外波长范围中的光敏感。如以上所讨论的那样，检测器205可在成像系统200的工作期间被冷却，例如，被低温冷却。因此，成像系统200可包含容纳检测器205并用作冷屏的冷杜瓦瓶(colddewar)210，在所述冷屏内检测器205被冷却。如以上参照图1所讨论的那样，杜瓦瓶210设有被选为对系统200的所希望的工作波长范围内的红外辐射透明的窗口250。在一个例子中，成像系统200的出射光瞳260位于透镜215-235的组之外。该配置的有利之处可在于：利用外部光瞳，透镜215-235均无需位于杜瓦瓶210内。在一个例子中，如图2所示，冷孔径光阑265被设置在外部光瞳260处，该外部光瞳260可处于杜瓦瓶210内。以此方式，检测器205被防止看见来自温热的(即，未被杜瓦瓶210冷屏蔽)并因此可具有高发射率的其它光学组件或透镜表面的辐射。一个或更多个谱滤波器270、275可被设置在杜瓦瓶210内并被用于波长选择。
如以上所讨论的那样，在常规的红外光学成像系统中，至少一些透镜典型地由对1μm至2μm或2.5μm范围中的波长不透明或者仅较差地(poorly)透明的材料制成。相反，根据一个实施例，所有透镜215-235由在1μm至2.5μm范围中的波长处有效透射的材料制成，而并不牺牲在上SWIR范围和MWIR范围中的性能。在一个实施例中，例如，第一透镜215由硫化锌(ZnS)或清澈透明的硫化锌(ClZnS)制成，并且第二透镜220由氟化镁(MgF2)制成。在图2所示的例子中，第一透镜215具有正光焦度，并且第二透镜220具有负焦度。在一个例子中，第三透镜225和第四透镜230两者均具有负焦度。第三透镜可由例如Amtir1制成，并且第四透镜230可由例如氟化钡(BaF2)制成。第五透镜235可具有正焦度并且可由例如硫化锌制成。如以上所讨论的那样，这些材料可被选择来提供具有宽带谱覆盖范围的光学成像系统200。
表1提供了与图2所示的射线轨迹对应的示例光学系统200的光学规格(prescription)。可使用作为工业标准且本领域技术人员已知的方程产生光学系统200的本例子的光学规格。但要理解，表1中给出的规格仅是示例性的，并且通过要由光学系统执行的预计成像任务来确定光学系统200的各种实施例的规格。表1中的单位是厘米(cm)。
表1
在表1中，CC是圆锥常数，Rd是半径，T是厚度，并且Ad、Ae、Af和Ag是非球面常数。利用表1中给出的光学规格，图2所示的光学系统200的对应例子以约25.41cm的焦距、约18.4°的视场(FOV)、以及1.1至4.5μm的谱覆盖范围实现约F/2.20的F数或速度。在本例子中，孔径直径约为11.54cm，并且光阑250具有约6.76cm的直径。
如以上所讨论的那样，可以在光学成像系统200中使用一个或更多个滤波器270、275以用于波长选择。在一些应用中，系统可用于在例如SWIR的一个谱带中拍摄图像，然后，可改变滤波器270、275中的一个或更多个以允许系统200在例如MWIR的不同波长带中拍摄图像。在其它的应用中，可能希望提供在多个谱带中同时成像的能力。因此，参照图3，在一个实施例中，光学成像系统300包括可将入射光线202同时导向两个或更多个不同的焦平面或检测器的立方型(cube-type)分束器310。在图3所示的例子中，分束器310是立方分束器，并且可以是例如二向色分束器或谱分束器。在一个例子中，分束器310由硅制成。
分束器310可用于将入射光线202分成不同的谱带，并将不同的波带导向相应的检测器。在一个例子中，检测器205可包含可位于不同的焦平面上、各自被配置为接收来自分束器310的特定波带的两个或更多个分离的检测器。在另一例子中，检测器205可被分段或者分割成不同的区域，每个区域被配置为用于来自分束器310的特定波带。例如，光学系统300可被配置成检测器205的一个检测器或区域在1.0-2.5μm带和SWIR带中敏感而另一检测器或区域在MWIR中敏感。分束器310可因此被配置为在1.0-2.5μm和SWIR带以及MWIR之间分离入射光线202，以将适当的波带导向适当的检测器。在另一例子中，光学系统300可被配置成检测器205的一个检测器或区域在1.0-2.5μm带中敏感而另一检测器或区域在SWIR和/或MWIR带中敏感。分束器310可被配置为适当地分离和引导入射光线202。
以上已经描述了至少一个实施例的几个方面，要理解，本领域技术人员将容易想到各种变更、修改和改进。这样的变更、修改和改进意在是本公开的一部分，并意在处于本发明的范围内。由此，这里讨论的装置的实施例在应用中不受限于在说明书中阐述或者在附图中示出的组件的构成和布置的细节。具体实施的例子在这里仅是出于说明目的而被提供，并不意在是限制的。并且，这里使用的措辞和术语是出于描述的目的，不应被视为是限制的。对这里以单数形式提到的系统和方法的实施例或要素或行为(act)的任何提及也可包括含有多个这些要素的实施例，并且这里以复数形式对任何实施例或要素或行为的任何提及也可包括仅包含单个要素的实施例。这里对“包括”、“包含”、“具有”、“含有”、“涉及”及其变体的使用意味着包含其后列出的项目及其等价物以及附加的项目。因此，前面的描述和附图仅是作为例子，并且本发明的范围应由对所附的权利要求和它们的等价物的合适解释来确定。
Claims (13)
1.一种光学成像系统，包括：
成像检测器，对1.0μm至5.0μm的波长范围中的光敏感，所述成像检测器包含对第一波带中的光敏感的第一区域和对第二波带中的光敏感的第二区域，所述第一波带包含从1.0μm至2.5μm的波长范围，并且所述第二波带包含短波长红外谱带和中波长红外谱带中的至少一个；
多个透镜，被光学耦合在一起并且被配置为将入射光聚焦于成像检测器上，所述多个透镜中的每一个都包含对1.0μm至5.0μm的波长范围中的光透明的材料；以及
分束器，位于所述多个透镜与成像检测器之间，并被配置为将入射光至少分成所述第一波带和所述第二波带，以及将所述第一波带引导至成像检测器的所述第一区域并将所述第二波带引导至成像检测器的所述第二区域，
其中，光学成像系统的光瞳位于所述多个透镜之外、在所述多个透镜与成像检测器之间；以及
其中，所述成像检测器是二维焦平面阵列。
2.根据权利要求1所述的光学成像系统，其中，所述多个透镜包含第一透镜和位于第一透镜之后的第二透镜，所述第一透镜具有正焦度并且由清澈透明的硫化锌制成。
3.根据权利要求2所述的光学成像系统，其中，所述第二透镜具有负焦度并由氟化镁制成。
4.根据权利要求3所述的光学成像系统，其中，所述多个透镜进一步包含位于所述第二透镜与所述光瞳之间的第三透镜，所述第三透镜具有负焦度并由Amtir1制成。
5.根据权利要求4所述的光学成像系统，其中，所述多个透镜进一步包含位于所述第三透镜与所述光瞳之间的第四透镜，所述第四透镜具有负焦度并由氟化钡制成。
6.根据权利要求5所述的光学成像系统，其中，所述多个透镜进一步包含位于所述第四透镜与所述光瞳之间的第五透镜，所述第五透镜具有正焦度并由清澈透明的硫化锌制成。
7.根据权利要求6所述的光学成像系统，其中，所述多个透镜被配置和布置以给光学成像系统提供18度至20度的视场。
8.根据权利要求1所述的光学成像系统，进一步包括非球面校正器，所述非球面校正器被光学耦合于所述多个透镜与成像检测器之间，并被配置为在1.0μm至5.0μm的波长范围上校正所述多个透镜的非球面像差。
9.根据权利要求8所述的光学成像系统，其中，所述非球面校正器是Schmidt校正器板。
10.根据权利要求8所述的光学成像系统，其中，所述非球面校正器由Amtir1制成。
11.根据权利要求1所述的光学成像系统，进一步包括低温杜瓦瓶，并且其中所述成像检测器位于所述低温杜瓦瓶内。
12.根据权利要求11所述的光学成像系统，进一步包括孔径光阑，所述孔径光阑位于所述光学成像系统的光瞳处，并位于所述低温杜瓦瓶内。
13.根据权利要求1所述的光学成像系统，进一步包括至少一个谱滤波器，所述至少一个谱滤波器被设置在所述多个透镜与成像检测器之间。
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