CN106353880B - 一种激光半主动探测变焦式光学接收系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种激光半主动探测变焦式光学接收系统，沿光入射的方向依次包括光学头罩、第一透镜、第二透镜、窄带滤波片、第三透镜和第四透镜，第三透镜与第四透镜的间距为1mm至17mm可调。本发明只需移动第三片透镜与第四片透镜的距离1mm至17mm便可实现20mm至50mm范围内的连续变焦，相当于由无数个定焦系统组成，实现了系统最大视场角的连续改变，可在大视场范围捕获目标，在小视场范围对目标进行精确跟踪。
Description
技术领域
本发明涉及激光探测技术领域，具体涉及一种激光半主动探测变焦式光学接收系统。
背景技术
激光波束方向性强且发散角极小、波束窄，故激光探测作用距离远、命中精度高、抗干扰能力强。激光半主动探测时用激光目标指示器对准目标发射激光束，激光接收系统接收由目标漫反射回来的激光至四象限探测器，从而获得目标位置信息并实现精确探测。
光学接收系统是半主动激光探测的重要部件之一，能对其汇聚的光斑均匀性及大小、透过率、滤除杂散光能力等指标进行控制。目前半主动激光探测光学接收系统以定焦系统为主，不同焦距要求情况下使用不同的光学接收系统，导致探测范围较小。
发明内容
为解决现有定焦半主动探测光学接收系统探测范围小的问题，本发明提供一种激光半主动探测变焦式光学接收系统，实现了系统最大视场角的连续改变，可在大视场范围捕获目标，在小视场范围对目标进行精确跟踪打击。
为实现本发明的技术目的，本发明采用了如下技术方案：
一种激光半主动探测变焦式光学接收系统，沿光入射的方向依次包括光学头罩、第一透镜、第二透镜、窄带滤波片、第三透镜和第四透镜，第三透镜与第四透镜的间距为1mm至17mm可调。
进一步地，所述第三透镜的第一面曲率半径为40-60mm，第二面曲率半径为40-50mm；所述第四透镜的第一面曲率半径为40-50mm，第二面曲率半径为40-50mm。
进一步地，所述第一透镜的第一面曲率半径为50-60mm，第二面曲率半径为40-50mm；所述第二透镜的第一面曲率半径为40-50mm，第二面曲率半径为40-50mm。
进一步地，所述第一透镜的厚度为3.8mm，口径26mm，其与透镜二间距为2.8mm；所述第二透镜的厚度为1mm，口径25mm，第二透镜与第三透镜的间距为11mm。
进一步地，所述头罩的口径为66mm，中心厚度5.02mm，其第一面曲率半径为50mm，第二面曲率半径为44.98mm，前后面为同心圆面。
进一步地，所述头罩采用熔石英材料JGS3。
本发明的有益技术效果体现在：
该系统只需移动第三片透镜与第四片透镜的距离(1mm至17mm)便可实现20mm至50mm范围内的连续变焦，相当于由无数个定焦系统组成，实现了系统最大视场角的连续改变(5.7°至14°)，可在大视场范围捕获目标，在小视场范围对目标进行精确跟踪。与现有技术相比所具有的优点是：
1、该光学接收系统能够满足20mm至50mm(最大视场角改变范围为5.7°至14°)焦距范围内的连续变焦；
2、可在大视场范围捕获目标，在小视场范围对目标进行精确跟踪打击；
3、该光学接收系统在变焦范围内光斑具有较好的均匀性和对称性；
4、采用窄带滤波片的手段，具有较好的抗杂散光能力。
附图说明
图1为本发明光学系统结构图。
图2为分别取透镜三与透镜四间隔分别为1mm、12.2mm、17mm(对应焦距分别为20mm、35mm、50mm)时的3D光学系统结构图。
图3为焦距为50mm(最大视场角为5.7°)时点列图。
图4为焦距为50mm(最大视场角为5.7°)时0°视场的包围圆能量分析图。
图5为焦距为50mm(最大视场角为5.7°)时2°视场的包围圆能量分析图。
图6为焦距为50mm(最大视场角为5.7°)时4°视场的包围圆能量分析图。
图7为焦距为50mm(最大视场角为5.7°)时5.7°视场的包围圆能量分析图。
图8为焦距为35mm(最大视场角为8.1°)时点列图
图9为焦距为35mm(最大视场角为8.1°)时0°视场的包围圆能量分析图。
图10为焦距为35mm(最大视场角为8.1°)时3°视场的包围圆能量分析图。
图11为焦距为35mm(最大视场角为8.1°)时6°视场的包围圆能量分析图。
图12为焦距为35mm(最大视场角为8.1°)时8.1°视场的包围圆能量分析图。
图13为焦距为20mm(最大视场角为14°)时点列图
图14为焦距为20mm(最大视场角为14°)时0°视场的包围圆能量分析图。
图15为焦距为20mm(最大视场角为14°)时7°视场的包围圆能量分析图。
图16为焦距为20mm(最大视场角为14°)时10°视场的包围圆能量分析图。
图17为焦距为20mm(最大视场角为14°)时14°视场的包围圆能量分析图。
图中，1-第一透镜 2-第二透镜 3-第三透镜 4-第四透镜 5-光学头罩 6-窄带滤波片
具体实施方式
图1为本发明光学系统结构图。本发明激光半主动探测变焦式光学接收系统沿光入射的方向依次包括：光学头罩5、第一透镜1、第二透镜2、窄带滤波片6、第三透镜3和第四透镜4。
其中光学头罩是激光导引头的密封元件，用来隔断外部环境和导引头内部系统，其对材料的主要要求为：热稳定性好，对特定波段透过率高；形状上满足一定的气动要求，故选择石英材料；头罩具有保护作用且外形符合气动力学要求，同时它作为光学元件对光斑质量影响很小，通过后面透镜的补偿即可，故不对其进行优化。窄带滤波片具有滤除杂光的作用，采用使用较普遍且成本低好镀膜的B270材料，由于滤波片前后面为平行面，只对光程产生影响，相当于相应光程的空气间隔，故不对其进行优化。
第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜的前后面曲率、厚度、空气间隔、材料为变量。其中：曲率变量8个，变化范围为0°-180°；厚度变量4个，变化范围为0.5mm-25mm(综合考虑光学加工水平、中心边缘厚度、光学系统总长)；空气间隔变量5个，变化范围为0.2mm-25mm；而常用的光学材料不少于百种，优化时需控制材料适用的温度范围、加工难度、成本、透光性等。
由于该激光光学系统为非成像系统且仅对激光进行聚焦，不需考虑色差、场曲、畸变等，需要考虑的基本像差主要为球差、慧差、像散。以第三透镜和第四透镜之间的空气间隔为变量建立多重结构，采取默认函数结合特殊操作数优化(SPHA、COMA、ASTI)的方法，对各焦距位置的像差进行优化与平衡，使变焦光学系统在各焦距位置的像差均得到校正与平衡。
为提高设计质量，通过应用田口方法分析基础像差对光斑均匀性的影响，根据专业知识及大量设计经验制定误差因素水平，以光斑均匀性作为质量特性值选取，通过田口方法优化各像差权重的参数，通过极差分析和方差分析，确定了各像差权重参数的最佳组合。其中，三种像差的权重分别设计为0.55-0.7、0.8-1、0.9-1，三种像差的权重分别优选为0.6、1、1时，能够得到较好的结果。
基于上述像差的权重分配，以下结合附图和优化实施例对本发明作进一步的详细描述：
本发明具体实例中光学头罩采用熔石英材料JGS3，具有适用温度范围宽、抗温度冲击能力好、抗压性强的优点。口径为66mm，中心厚度5.02mm，其第一面曲率半径为50mm，第二面曲率半径为44.98mm，前后面为同心圆面。
第一透镜选用材料牌号为H-ZLAF72，其第一面优选曲率半径为50-60mm，第二面优选曲率半径为40-50mm。优选厚度为3.8mm，口径26mm，与第二透镜间距为2.8mm。
第二透镜选用材料牌号为H-LAF6L，其第一面优选曲率半径为40-50mm，第二面优选曲率半径为40-50mm。优选厚度为1mm，口径25mm，透镜三的间距为11mm。
窄带滤波片选用材料牌号为B270，中心透过波段为1064nm，半波宽度±10nm，透过率不低于90％，厚度为3mm，口径22mm，与透镜三的间距为1mm。
第三透镜选用材料牌号为H-ZLAF80，其第一面优选曲率半径为40-60mm，第二面优选曲率半径为40-50mm。优选厚度为6mm，口径21mm，与透镜四的间距为1mm至17mm可调。
第四透镜选用材料牌号为LASF35，其第一面优选曲率半径为40-50mm，第二面优选曲率半径为40-50mm。优选厚度为7mm，口径8mm，与探测面的间距为9mm。
本光学接收系统实施例的技术指标情况如下：
1、有效口径：26mm；
2、焦距：20mm至50mm可调；
3、光学系统长度(焦面)：72.24mm；
4、光斑半径：小于1.6mm，大于1mm；
4、探测器光敏面半径：5mm；
5、视场角：最大视场角改变范围为5.7°至14°；
6、中心波长：1064nm。
本实例中除窄带滤光片外，头罩及其他透镜均双面镀增透膜，该接收光学系统的工作波段1064nm透过率达到80％以上。
激光半主动探测光学系统采用四象限探测器作为接收器件，漫散射激光于四象限探测器上形成光斑从而输出角度信息。为了测量激光能量在四个象限的分布情况，要求激光能量光斑在四象限探测器具有一定的面积，且光斑对称性和均匀性较好。本发明选择一个六片式(包含整流罩、滤波片)的对称式定焦激光接收系统(后离焦)为初始结构，中心波长为1064nm，入射光为平行光，有效口径为26mm。以第三透镜和第四透镜四之间的空气间隔为变量建立多重结构，采取默认函数结合特殊操作数优化(SPHA、COMA、ASTI)的方法，对各焦距位置的像差进行优化与平衡，使变焦光学系统在各焦距位置的像差均得到校正与平衡。得到激光半主动探测的变焦接收系统，详见图2(取第三透镜与第四透镜间隔分别为1mm、12.2mm、17mm，对应焦距分别为20mm、35mm、50mm)。
选取第三透镜与第四透镜间隔分别为1mm、12.2mm、17mm，对应焦距分别为50mm、35mm、20mm，对应最大视场角分别为5.7°、8.1°、14°。通过点列图和包围圆能量分析的方法来评价光学系统(图3至图17)：
通过点列图分析(图3)及不同视场包围圆能量分析图(图4至图7)可以看出，该系统焦距为50mm时，光斑大小为1.339mm至1.519mm,光斑对称性较好，光线落点较均匀，探测器接收到的0°、2°、4°、5.7°视场角光斑能量较均匀，对称性较好。
通过点列图分析(图8)不同视场包围圆能量分析图(图9至图12)可以看出，该系统焦距为35mm时，光斑大小为1.304mm至1.493mm,光斑对称性较好，光线落点较均匀，探测器接收到的0°、3°、6°、8.1°视场角光斑能量较均匀，对称性较好。
通过点列图分析(图13)不同视场包围圆能量分析图(图14至图17)可以看出，该系统焦距为20mm时，光斑大小为1.129mm至1.366mm,光斑对称性较好，光线落点较均匀，探测器接收到的0°、7°、10°、14°视场角光斑能量较均匀，对称性较好。
该系统只需机械移动第三透镜与第四透镜的距离便可实现20mm至50mm范围内的连续变焦，实现了系统最大视场角的连续改变(5.7°至14°)。分别取5.7°、8.1°、14°视场对整体像质进行了分析评价，分析得出该系统0.7倍最大视场角内光斑能量分布均匀性、对称性较好，光斑大小为1.129mm至1.519mm，适用于基于光敏面直径为10mm的四象限探测器的激光半主动探测。
Claims (5)
1.一种激光半主动探测变焦式光学接收系统，其特征在于，沿光入射的方向依次包括光学头罩、第一透镜、第二透镜、窄带滤波片、第三透镜和第四透镜，第三透镜与第四透镜的间距为1mm至17mm可调；所述激光半主动探测变焦式光学接收系统的球差、慧差、像散的权重分别为0.55-0.7、0.8-1、0.9-1；所述第三透镜的第一面曲率半径为40-60mm，第二面曲率半径为40-50mm；所述第四透镜的第一面曲率半径为40-50mm，第二面曲率半径为40-50mm。
2.根据权利要求1所述的激光半主动探测变焦式光学接收系统，其特征在于，所述第一透镜的第一面曲率半径为50-60mm，第二面曲率半径为40-50mm；所述第二透镜的第一面曲率半径为40-50mm，第二面曲率半径为40-50mm。
3.根据权利要求2所述的激光半主动探测变焦式光学接收系统，其特征在于，所述第一透镜的厚度为3.8mm，口径26mm，其与第二透镜间距为2.8mm；所述第二透镜的厚度为1mm，口径25mm，第二透镜与第三透镜的间距为11mm。
4.根据权利要求3所述的激光半主动探测变焦式光学接收系统，其特征在于，所述头罩的口径为66mm，中心厚度5.02mm，其第一面曲率半径为50mm，第二面曲率半径为44.98mm，前后面为同心圆面。
5.根据权利要求4所述的激光半主动探测变焦式光学接收系统，其特征在于，所述头罩采用熔石英材料JGS3。
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