CN104297908B - 一种中波/长波双色多视场光学系统 - Google Patents

一种中波/长波双色多视场光学系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种中波/长波双色多视场光学系统，包括由沿光入射方向依次设置的前组红外物镜、调焦透镜组、折转反射镜组、会聚透镜组和探测器的焦平面构成的窄视场光路，还包括用于径向切入所述前组红外物镜与调焦透镜组之间光轴的中视场镜组和宽视场镜组，窄视场光路作为基础光路，中视场镜组、宽视场镜组分别切入基础光路中构成中视场光路、宽视场光路，探测器为中波/长波双色探测器；本系统可对中波/长波红外同时成像，并通过径向切换两个不同变倍透镜组实现多视场的转换，既能够在保证光学系统窄视场具有最高的光轴精度和最高的光学透过率，又能显著地减轻系统整机重量，使红外各视场同时具有高的成像质量及效果，而且运动机构简单易于控制。

Description

一种中波/长波双色多视场光学系统
技术领域
本发明属于光学技术领域，涉及一种中波/长波双色多视场光学系统。
背景技术
在大气环境中，目标的红外辐射只能在1～2.5微米、3～5微米和8～14微米三个窗口内有效传输。然而，现在的红外成像系统绝大多数工作在其中某个单一波段，由于红外系统使用区域的不同、气候温度的改变、目标的伪装，单一波段的系统获取的信息减弱，特别是探测目标本身的操作或者行为的改变导致辐射波段移动等原因，使成像系统探测不到目标或者探测准确度下降。如果一个红外成像系统能同时在其中两个波段获取目标信息，就可对复杂的背景进行抑制，提高对目标的探测效果，在预警、搜索和跟踪系统中能明显的降低虚警率。
目前，国外已有双色导引头、双色热像仪的应用实例，国内还未开展具体的应用研究，对于双色多视场光学系统国内外均未见报道。
在红外波段(3～5μm、8～14μm)可用的光学晶体材料非常有限且非常昂贵，如单晶锗、单晶硅、硒化锌、硫化锌、氟化钙等，特别是长波红外波段可用的红外材料更少，仅有单晶锗、硒化锌、硫化锌。对于中波/长波双波段光学系统来讲，选用的红外光学材料必须在3～ 5μm波段和8～14μm波段同时具有高透过率，这样的红外光学材料更为稀少，这对双色光学系统的像差校正非常不利，限制了系统设计时的自由度。
衍射光学元件可以产生一般传统光学元件不能实现的光学波面，同时在系统设计过程中，为设计者提供了更多的参数自由度，既可以简化系统的结构，还可以改善光学系统性能。但是，普通的衍射光学元件在复色光学设计尤其是在红外宽光谱光学设计时，存在一个很大的缺陷，就是色散严重。谐衍射透镜也称为多级衍射透镜，谐衍射透镜既利用了衍射光成像的特性，又可以在一系列分离的波长处获得相同的光焦度，而且提高了各波段的衍射效率。利用谐衍射光学元件不但改进了传统的光学系统，减少重量体积，提高像质，为光学设计提供了更多的自由度。
国内外红外多视场变倍光学系统普遍采用的实现方式，分为切入方式和轴向移动方式。切入方式多视场光学系统通过不同变倍镜组切换的方式实现视场的转换，该方式的优点是窄视场具有最高的光轴精度和最高的光学透过率。缺点是由于采用切换方式造成了系统径向尺寸过大、运动机构复杂并且重量较重。轴向移动方式多视场光学系统通过变倍镜组与补偿镜组在光轴上移动不同位置实现视场的转换，该方式的优点是系统的体积小、重量轻。缺点是由于采用轴向移动的方式，所有光学元件为各视场所共用，造成了整个光学系统的透过率偏低、光轴与视场到位精度相对较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种构型简单、控制方便、光轴精度高的中波/长波双色多视场光学系统。
为实现上述目的，本发明的中波/长波双色多视场光学系统技术方案如下：该系统包括由沿光入射方向依次设置的前组红外物镜、调焦透镜组、折转反射镜组、会聚透镜组和探测器的焦平面构成的窄视场光路，还包括用于径向切入所述前组红外物镜与调焦透镜组之间光轴的中视场镜组和宽视场镜组，所述窄视场光路作为基础光路，中视场镜组切入基础光路中构成中视场光路，宽视场镜组切入基础光路中构成宽视场光路，所述探测器为中波/长波双色探测器。
所述双色探测器为320×256、384×288或640×512的制冷型红外焦平面探测器，适用波长为：中波3μm～5μm、长波8μm～12μm。
本发明的中波/长波双色多视场光学系统，采用双色探测器能同时在中波、长波两个波段获取优良像质，能对复杂的背景进行抑制，提高对目标的探测效果；通过切换不同变倍透镜组的方式实现窄、中、宽多个光学视场的转换，适用多种不同的需求，窄视场用于远距离目标的识别，中视场用于目标的探测，宽视场用于昼夜辅助导航及起降，窄视场光路为光学系统的基本光路，其中无运动部件，光机装调可保证窄视场光轴达到很高的精度，宽、中视场采用径向切换的方式转换，运动机构简单且易于控制；谐衍射光学元件的使用，使得系统的结构简单，显著地减轻系统整机重量，提高像质，为光学系统的设计提供了更多的自由度。
附图说明
图1是实施例的窄视场光路图；
图2是实施例的中视场光路图；
图3是实施例的宽视场光路图。
具体实施方式
下面结合附图来详细说明中波/长波双色多视场光学系统的具体实现。
中波/长波双色多视场光学系统中波/长波双色多视场光学系统包括前组红外物镜1、调焦透镜组2、折转反射镜组3、会聚透镜组4、探测器焦平面5、中视场镜组6以及宽视场镜组7，调焦透镜组2包括第一调焦透镜2-1和第二调焦透镜2-2，折转反射镜组3包括第一折转反射镜3-1和第二折转反射镜3-2，会聚透镜组4包括第一会聚透镜4-1和第二会聚透镜4-2，其中前组红外物镜1、调焦透镜组2 和第一折转反射镜3-1依次共轴设置在探测光路中，第一折转反射镜 3-1设置在该探测光路中，会聚透镜组4设置在第二折转反射镜3-2 的反射光路中，探测器设置在会聚透镜组4会聚光路上。前组红外物镜1与调焦透镜组2之间的光轴一侧设置有可径向进入光路，探测器为中波/长波双色探测器。中视场镜组6径向切入前组红外物镜1与调焦透镜组2之间光路时，构成中视场光路。宽视场镜组7径向切入前组红外物镜1与调焦透镜组2之间光路时，构成宽视场光路。双色探测器可为320×256、384×288、640×512的制冷型红外焦平面探测器，适用波长：中波3μm～5μm、长波8μm～12μm。窄视场焦距在400㎜～800mm范围内、中视场焦距在100mm～300mm范围内、宽视场焦距在10mm～30mm范围内；系统采用二次成像的方式；光学系统F 数：f/2、f/3、f/4均可；全视场内畸变≤5％；并采用反射镜组折叠光路。
该光路示意图是采用谐衍射原理与多视场变焦原理，实现宽、中、窄中波/长波双色多视场转换的原理图。具体光学参数见下表1、2、3 所示，为了提高各视场的成像质量，光路中加入了谐衍射面和部分非球面参与像差平衡。本系统中部分光学元件选用硫系玻璃等特殊透波材料，如：前组红外物镜1、第一会聚透镜4-1、第二会聚透镜4-2、第一 中视场透镜6-1、第三中视场透镜6-3、宽视场透镜组7-1和宽视场透镜组7-3透镜材料为硫系玻璃材料AMTIR1，可实现中波/长波红外同时成像。
如图1所示为中波/长波双色多视场光学系统窄视场光路图。前组红外物镜1、调焦透镜组2、折转反射镜组3、会聚透镜组4、探测器焦平面5组成的窄视场光路为基础光路。中视场镜组 6和宽视场镜组 7 设置在前组红外物镜1与调焦透镜组2之间的光轴一侧，并在电机驱动下，可径向切入光路，进行视场切换。窄视场光学参数如下表1所示。
窄视场光学参数表(单位：mm)
如图2所示为中波/长波双色多视场光学系统的中视场光路图。电机驱动中视场镜组 6径向切入窄视场光路的前组红外物镜1与调焦透镜组2之间，并使中视场镜组6的光轴与窄视场的光轴重合，中视场镜组6与前组红外物镜1结合成为中视场物镜，与调焦透镜组2、折转反射镜组3、会聚透镜组4、探测器焦平面5组成中视场光路。当电机驱动中视场镜组6径向切出，前组红外物镜1、调焦透镜组2、折转反射镜组3、会聚透镜组4、探测器焦平面5恢复为窄视场光路。中视场镜组光学参数如下表2所示。
中视场镜组光学参数表(单位：mm)
如图3所示为中波/长波双色多视场光学系统的宽视场光路图。电机驱动宽视场镜组7径向切入窄视场光路的前组红外物镜1与调焦透镜组2之间，并使宽视场镜组7的光轴与窄视场的光轴重合，宽视场镜组7与前组红外物镜1结合成为宽视场物镜，与调焦透镜组2、折转反射镜组3、会聚透镜组4、探测器焦平面5组成宽视场光路。当电机驱动宽视场镜组7径向切出，前组红外物镜1、调焦透镜组2、折转反射镜组3、会聚透镜组4、探测器焦平面5恢复为窄视场光路，从而实现宽、中、窄双色多视场的变换。宽视场镜组光学参数如下表 3所示。
宽视场镜组光学参数表(单位：mm)
上表中第一会聚透镜4-1的后表面、第二会聚透镜4-2的前表面、第三中视场透镜6-3后表面、宽视场透镜组7-3的后表面所采用的非球面面型方程为：其中 z(r)为非球面的面型函数；r为垂直光轴方向的径向坐标；K为圆锥系数；R为球面顶点处的曲率半径；A为四阶非球面系数；B为六阶非球面系数；C为八阶非球面系数；D为十阶非球面系数。
第二调焦透镜2-2的前表面所采用的衍射非球面面型方程为：
其中z(r)为衍射非球面的面型函数；r为垂直光轴向的径向坐标； K为圆锥系数；R为球面顶点处的曲率半径；A为四阶非球面系数；B 为六阶非球面系数；C为八阶非球面系数；D为十阶非球面系数。HOR 是衍射级次，一般情况下为1或-1，n和n0分别是衍射结构基体和其所在介质的折射率。λ0为衍射面的工作波长，c1、c2分别为2次、4 次位相系数。
本波/长波双色多视场光学系统利用谐衍射原理与多视场变焦原理，通过切换两个不同变倍透镜组的方法实现中/长波双色多视场的转换，通过光学系统的优化设计，既能够在中波、长波波段同时保证光学系统窄视场具有最高的光轴精度和最高的光学透过率，又能显著地减轻系统整机重量，使红外各视场、各波段同时具有高的成像质量及效果，而且运动机构简单易于控制，因此具有较大的实际应用价值。

Claims (2)

1.一种中波/长波双色多视场光学系统，其特征在于，该系统包括由沿光入射方向依次设置的前组红外物镜、调焦透镜组、折转反射镜组、会聚透镜组和探测器的焦平面构成的窄视场光路，还包括用于径向切入所述前组红外物镜与调焦透镜组之间光轴的中视场镜组和宽视场镜组，所述窄视场光路作为基础光路，中视场镜组切入基础光路中构成中视场光路，宽视场镜组切入基础光路中构成宽视场光路，所述探测器为中波/长波双色探测器；所述中视场镜组包括由光入射方向依次设置的三个透镜分别为第一中视场透镜(6-1)、第二中视场透镜(6-2)和第三中视场透镜(6-3)，第一中视场透镜(6-1)两个面均为凹面，各凹面的曲率半径分别为-208.66mm、282.96mm，焦距为-75.6mm，中心厚度为2.5mm；第二中视场透镜(6-2)的一个面为凸面，凸面的曲率半径为65.62mm，另一个面为凹面，凹面的曲率半径为62.23mm，焦距为3200mm，中心厚度为8mm；第三中视场透镜(6-3)两个面均为凸面，各凸面的曲率半径分别为227.8mm、-264.2mm，焦距为82.5mm，中心厚度为7mm。
2.根据权利要求1所述的一种中波/长波双色多视场光学系统，其特征在于：所述双色探测器为320×256、384×288或640×512的制冷型红外焦平面探测器，适用波长为：中波3μm～5μm、长波8μm～12μm。
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