CN106054381B - 含变形镜的共形小凹红外光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及含变形镜的共形小凹红外光学系统，属于光学仪器技术领域。该系统包含旋转对称非球面整流罩、成像光学系统、主动光学元件变形镜以及探测器像面。系统采用符合流体动力学的非球面特殊整流罩，流体动力学性能良好；利用主动光学元件变形镜对非球面特殊整流罩的非对称像差进行校正以及对不同视场实现局部高分辨小凹成像。本发明满足介质动力学特性，结构简单，减少目标成像图像数据传输量，可广泛应用于侦查、救援等领域。

Description

含变形镜的共形小凹红外光学系统

技术领域

本发明属于光学仪器技术领域，涉及一种含主动光学元件变形镜以及共形整流罩的红外小凹光学系统，特别适用于目标的侦查与救援。

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，系统也向着体积小型化，飞行速度高速化的趋势发展。小凹光学系统模拟了人眼小凹成像的特性，通过引入主动光学元件来简化光学系统对目标的细节实现局部高分辨率成像，从而系统成像数据量相对较少，方便传输，并使光学系统更加小巧、轻便，非常适合于远程遥控以及其他对图像数据处理和传输速度有较高要求的应用中。作为小凹光学系统的前端保护罩，通过共形整流罩替换传统的球型整流罩，可以减少系统在高速飞行过程中所受到的空气动力学阻力，提升系统整体的空气动力学性能。但是引入共形整流罩提升系统空气动力学性能的同时，将会不可避免的引入非轴对称轴外像差，对小凹光学系统的成像质量产生影响。传统的光学校正方法是加入非球面校正板对共形整流罩引入的非轴对称像差进行校正，系统较为复杂，并且难以实现小凹光学系统的动态局部高分辨的功能，因此引入主动光学元件在校正共形整流罩引入的非轴对称的像差的同时实现共形小凹光学系统局部高分辨的目的。

目前存在的小凹成像的专利有两个，一个是专利号为201410097429.7的小凹成像光学系统设计，其通过扫描透镜组而并不是主动光学元件实现了简单的局部放大效果，扫描结构较为繁琐，系统较为复杂。一个是专利号为201410193562.2的含局部超分辨扫描的小凹成像光学系统，其通过引入透射式主动光学元件空间光调制器进行局部扫描超分辨成像。但是专利中并没有关于引入符合空气动力学的旋转对称非球面共形整流罩的共形小凹光学系统以及通过非扫描反射式主动光学元件变形镜来实现小凹成像的相关工作。

本发明设计了一种应用主动光学元件变形镜的共形小凹红外光学系统，与之前的两个小凹光学系统不同，应用波段为红外波段，系统结构简单，除共形整流罩以及主动光学元件变形镜外引用的全是球面透镜，并且片数较少。系统F数为2，观测视场可随要求，变形镜的尺寸进行调整，根据现有变形镜尺寸，理论上可达到60度观测视场。

发明内容

本发明的目的是解决在应用非球面共形整流罩的条件下，对光学系统进行小凹成像的问题。提出了一种应用主动光学元件变形镜的共形小凹光学系统。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的一种含有主动光学元件变形镜的共形红外小凹光学系统包括：旋转对称非球面共形整流罩(1)、固定透镜组(2)、主动光学元件变形镜(3)和探测器像面(4)；前端旋转对称非球面共形整流罩以及固定透镜组垂直于光轴，主动光学元件变形镜与光轴呈45°角，光通过变形镜折射在探测器像面上进行成像。探测器像面平行于水平光轴。

本发明具体设计方法如下：

1.采用符合空气动力学的旋转对称非球面共形整流罩(1)，通过主动光学元件变形镜(3)对其引入的非对称像差进行校正。在提高光学系统空气动力学性能的同时，校正其引入的随光轴变化的动态误差。

2.为了能简化光学系统，减少光学系统成像图像数据量，对目标视场实现局部高分辨，通过光学元件变形镜(3)校正该视场像差，对感兴趣的视场进行高分辨成像。

3.主动光学元件变形镜(3)是一种反射式的光学元件，为了同时对感兴趣视场实现局部高分辨以及由共形整流罩所引入的非对称像差进行校正，经过计算，为使变形镜校正量达到最大值，将主动光学元件变形镜放入到出瞳以及探测器像面(4)之间，通过控制主动光学元件变形镜(3)的面型，充分的应用主动光学元件变形镜(3)的校正能力，使得目标视场成像质量接近衍射极限。

通过以上的设计方法，本发明的一种含有主动光学元件变形镜的共形红外小凹光学系统，系统的F数为2。对共形光学系统的水平视场以及7.5°视场实现了小凹探测。

本发明的工作原理：无穷远目标发射的红外辐射依次经过旋转对称非球面共形整流罩(1)、固定透镜组(2)、主动光学元件变形镜(3)，最后在探测器像面(4)成像。

有益效果

本发明有以下显著优点：本发明采用了一种符合空气动力学的旋转对称非球面共形整流罩设计光学系统，F数为2。并使用了一种主动光学元件变形镜对感兴趣的目标视场进行局部高分辨，同时校正相应视场由共形整流罩引入的非对称像差。目标视场成像质量接近衍射极限。在减小介质阻力、提高运动范围的同时，使光学系统更加简单、体积紧凑，局部成像质量更加良好，减少了成像图像的数据传输量。在观测视场范围内，理论上可以通过控制主动光学元件变形镜的面型变化，实现任意视场的局部高分辨。特别适合现代侦查、救援等领域中。

附图说明

图1是本发明水平视场示意图；

图2是本发明7.5°视场示意图；

图中，1-旋转对称非球面共形整流罩、2-固定透镜组、3-主动光学元件变形镜、4-探测器像面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

实施例如图1所示，本发明将主要应用于共形红外小凹光学系统中。可广泛应用于现代侦查、救援等领域中。

如图1所示，本发明的一种含主动光学元件变形镜的共形红外小凹光学系统，包含旋转对称非球面共形整流罩(1)、固定透镜组(2)、主动光学元件变形镜(3)和探测器像面(4)；在光的传播方向上，含旋转对称非球面的共形整流罩以及固定透镜组垂直于水平光轴。而主动光学元件变形镜与光轴呈45°夹角。探测器像面平行于水平光轴。光线首先通过包含旋转对称非球面的共形整流罩(1)，与应用球罩相比，包含旋转对称非球面共形整流罩空气动力学更好，但是会引入更多的像差。然后光通过固定透镜组(2)，一般来说，为了校正由包含旋转对称非球面共形整流罩所引入的像差，都会选用非球面对其进行校正才会取得比较好的效果，但是如果引入非球面，会增加系统的复杂程度，增大光学系统的体积，本设计中的固定透镜组结构简单，镜片数量少，应用了两片简单的镜片作为固定透镜组，并没有将由于应用含旋转对称非球面共形整流罩所引入的非对称像差的校正任务分给固定透镜组来矫正，而是把像差校正任务给了光线将要通过的主动光学元件变形镜(3)，变形镜不光承担着校正由于应用包含旋转对称非球面共形整流罩所引入的非对称像差的任务，还承担着对特定视场进行局部高分辨、减少图像数据量的任务。变形镜可以通过一定方式的控制实现面型的变化，从而完成对非轴对称像差的校正以及局部高分辨的实现，在光学设计中，通过ZERNIKE面对变形镜面型的变化来进行描述。经过主动光学元件变型镜校正之后的光最后在探测器像面(4)上进行成像。由于应用的波段是长波红外，所以选用的是非制冷长波红外探测器，设计中并没有对制冷光阑进行体现。

实施例中，无穷远目标发射的红外辐射依次经过以上各光学元件后照射到探测器元件上，得到最后的像。

实施例中，旋转对称非球面共形整流罩(1)是有旋转对称轴的非球面，固定透镜组(2)用于汇聚光束，变换主动光学元件变形镜(3)用于实现共形光学系统局部高分辨。

实施例中透镜具体参数如表1所示，不同视场ZERNIKE系数如表2所示。

实施例中，采用的非球面共形整流罩符合流体动力学原理，使用主动光学元件变形镜实现局部视场高分辨以及视场像差校正：

1.在减小介质阻力、提高运动范围的同时，使用较简便的光路对含有旋转对称非球面共形整流罩的光学系统像差进行校正，光学系统较为简便，并且除了含有旋转对称非球面的共形整流罩以及用于校正像差以及实现局部高分辨的反射式主动光学元件变形镜外，整个光学系统并不含有非球面。

2.设计方法上，为了达到变形镜校正最大量，通过计算，将变形镜放到光学系统的出瞳位置附近，通过变换主动光学元件变形镜的镜面实现局部高分辨，在光学软件中，通过改变反射镜面型的ZERNIKE系数来模拟实际情况中变形镜的镜面变形。以此来减少成像图像数据量，并对感兴趣的区域实现局部高分辨，方便数据大量快速的进行传输。

3.系统F数为2，由于固定透镜组不主要承担光学系统像差校正任务，而是通过变形镜来进行校正。所以，光学系统体积较为紧凑，系统简便不繁琐。

表1(单位：mm)

表2

Zernike阶数	水平视场	7.5°视场
			1	-1.86331670	-3.91422916
2	0.04479271	0.00876244
			3	0.00045672	0.06746824
4	0.00289354	0.91428645
			5	-0.85497878	-0.48990162
6	-0.01067422	-0.02292396
			7	-0.01532028	-0.31237822
8	-0.04656916	0.10351296
			9	-0.53167217	-0.41743196
10	-1.06492259	-0.12259338

Claims (1)

1.一种含非球面整流罩的双视场红外光学系统，其特征在于：包含旋转对称非球面共形整流罩(1)、固定透镜组(2)、主动光学元件变形镜(3)和探测器像面(4)；在光的传播方向上，含旋转对称非球面的共形整流罩以及固定透镜组垂直于水平光轴；而主动光学元件变形镜与光轴呈45°夹角；探测器像面平行于水平光轴；无穷远目标发射的红外辐射依次经过各光学元件后照射到探测器元件上，得到最后的像；通过控制主动光学元件变形镜的面型来校正不同视场由非球面整流罩所带来的非对称像差以及实现小凹成像；

所述双视场红外光学系统的设计方法如下：1).整个含变形镜的共形小凹红外光学系统设计工作波长为10um-13um，F数为2，焦距为70mm，光学系统前端应用符合介质动力学的共形整流罩作为保护罩，设计时应用的旋转对称非球面共形整流罩的长径比为1，应用的材料为长波材料硫化锌；固定透镜组(2)应用的是长波锗玻璃，理论设计最大视场角度为60°；

2).所述光学系统不光可以适用于设计时的长波红外结构，可以更换近红外，中波红外波段所对应的材质对不同的红外波段实现含主动光学元件变形镜的共形红外小凹成像的效果；

3).变换主动光学元件变形镜面型实现局部高分辨，CODEV设计软件中，在光学系统出瞳位置前后加入反射式主动光学元件变形镜，通过ZERNIKE系数的变化来模拟变形镜的面型的变化，变形镜与水平光轴呈45度夹角，光经过变形镜会产生90度的偏折；其不单可以校正整个光学系统的像差，还可以对目标视场进行高分辨成像，有效减少成像图像数据量，方便图像传输。