CN106405806B - 一种用于红外目标模拟器的超宽谱段消热差投影光学系统 - Google Patents

一种用于红外目标模拟器的超宽谱段消热差投影光学系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于红外投影光学技术领域，具体地涉及一种用于中长波红外目标模拟器的超宽谱段消热差投影光学系统。该光学系统采用了卡塞格林反射结构和兼容中长波的透射材料，可保证中长波同时共口径工作，避免了双波段系统的复杂以及存在的像素匹配问题。采用反射结构还使得系统尺寸紧凑。使用ZnS与Ge起到消色差和消热差的作用，保证系统的超宽光谱覆盖范围，较宽的温度适应范围。

Description

一种用于红外目标模拟器的超宽谱段消热差投影光学系统
技术领域
本发明属于红外投影光学技术领域，具体地涉及一种用于中长波红外目标模拟器的超宽谱段消热差投影光学系统。
背景技术
红外目标模拟器广泛应用于红外成像系统测试与半实物仿真试验中，可为被测红外成像系统提供红外辐射场景。对于中长波复合的红外成像系统，红外目标模拟器输出波段必须同时覆盖中波与长波。由于中波红外到长波红外波段跨度大，光学系统消色差的难度大。目前已技术公开的用于红外目标模拟器的投影光学系统一般只覆盖一个波段或者同时覆盖短波与中波。如:专利CN20344417OU公开了一种波段范围覆盖短波红外和中波红外的光学准直系统。专利CN103744183A公开了一种红外宽波段多干扰复合光学系统，覆盖波段2.2-4.8μm，同样属于短波红外和中波红外。
为了同时覆盖两个波段，需要使用双色分光镜对两套光学系统进行合束，因此系统比较复杂，且存在投影像素匹配的问题。此外，投影光学系统还需适应环境温度变化，给光学系统的设计增加了难度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对中波与长波双波段投影使用需求，解决目前方案存在的缺点与问题，提出一种用于红外目标模拟器的超宽谱段消热差投影系统。
为了实现这一目的，本发明采取的技术方案是：
一种用于红外目标模拟器的超宽谱段消热差投影光学系统，该系统包括按顺序依次设置的红外光源、光学系统、出瞳；
(1)红外光源为一块有效尺寸是直径为100mm的真空靶板，采用聚焦电子束轰击真空靶板产生像素点，发光原理类似阴极射线显像管，工作波段内对比度为1000:1以上，像素点的直径小于200μm；
红外光源设置在真空腔体内，其产生的红外图像透过光学系统中的玻璃窗口往外辐射；
(2)光学系统采用卡塞格林反射结构，由4片镜片组成，按距离红外光源由近至远的顺序依次为玻璃窗口、双弯月正透镜、主反射镜、次反射镜；
其中，玻璃窗口采用ZnS平面窗片；
双弯月正透镜选用材料Ge，靠近红外光源的表面为球面，另一表面为非球面；
主反射镜靠近红外光源的表面为平面，另一表面为球面；主反射镜上设置直径为100mm的中心遮拦；
次反射镜的靠近红外光源的表面为球面，另一表面为平面；
玻璃窗口和红外光源之间的间隔距离为100mm；
双弯月正透镜的靠近红外光源的表面顶点和玻璃窗口之间的间隔距离为60.02mm；
次反射镜的靠近红外光源的表面顶点和双弯月正透镜的远离红外光源的表面顶点之间的间隔距离为687.56mm；
主反射镜的远离红外光源的表面顶点和次反射镜的靠近红外光源的表面顶点之间的间隔距离为550mm；
设定沿着光学传播方向，曲面为凸面的曲率半径为正，曲面为凹面的曲率半径为负；
双弯月正透镜的靠近红外光源的表面顶点曲率半径R31为87.52mm；
双弯月正透镜的远离红外光源的表面顶点曲率半径R32为52.34mm；
主反射镜球面顶点曲率半径R4为-1810.39mm；
次反射镜球面顶点曲率半径R5为-1198.41；
(3)该系统中全视场的角度为2.9°，出瞳口径为150mm，出瞳距为900mm，出瞳6和主反射镜4之间的间隔距离为1455mm；
(4)系统具有消热差功能，适应15到35℃的工作环境，在此温度区间内，系统的调制传递函数MTF的变化＜10％。
进一步的，如上所述的一种用于红外目标模拟器的超宽谱段消热差投影光学系统，根据以下公式计算确定双弯月正透镜后表面的非球面表面的参数：
其中，
Z：在光轴方向上距透镜顶点的距离；
Y：在垂直于光轴的方向上的距离；
C：透镜顶点上的曲率半径r的倒数；
K：二次常数；
A、B、C、D、E为已知的非球面系数。
进一步的，如上所述的一种用于红外目标模拟器的超宽谱段消热差投影光学系统，K＝-1.61，A＝-7.348*10-4，B＝2.8693*10-7，C＝4.7824*10-12，D＝2.974*10-16，E＝0。
进一步的，如上所述的一种用于红外目标模拟器的超宽谱段消热差投影光学系统，红外光源的工作波段为2～12μm。
本发明技术方案的有益效果在于：光学系统采用了卡塞格林反射结构和兼容中长波的透射材料，可保证中长波同时共口径工作，避免了双波段系统的复杂以及存在的像素匹配问题。采用反射结构还使得系统尺寸紧凑。使用ZnS与Ge起到消色差和消热差的作用，保证系统的超宽光谱覆盖范围，较宽的温度适应范围。
附图说明
图1为用于目标模拟器的超宽谱段消热差红外投影光学系统组成示意图；
图2为投影光学系统畸变曲线；
图3为投影光学系统调制传递函数。
图中：1为红外光源，2为玻璃窗口，3为双弯月正透镜，4为主反射镜，5为次反射镜，6为出瞳，d1为出瞳6和主反射镜4之间的间隔距离，d2为主反射镜4和次反射镜5之间的间隔距离，d3为次反射镜5和双弯月正透镜3之间的间隔距离，d4为双弯月正透镜3和玻璃窗口2之间的间隔距离，d5为玻璃窗口2和红外光源1之间的间隔距离，R21为窗口玻璃2前表面顶点曲率半径，R22为窗口玻璃2后表面顶点曲率半径，R31为双弯月正透镜3前表面顶点曲率半径，R32为双弯月正透镜3后表面顶点曲率半径，R4为主反射镜点曲率半径，R5为次反射镜点曲率半径。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细说明。
如图1所示，本发明一种用于红外目标模拟器的超宽谱段消热差投影光学系统，该系统包括按顺序依次设置的红外光源1、光学系统、出瞳6；
红外光源1为一块有效尺寸是直径100mm的真空靶板，采用聚焦电子束轰击真空靶板产生像素点，发光原理类似阴极射线显像管，工作波段内对比度为1000:1以上，像素点的直径小于200μm；
红外光源1设置在真空腔体内，其产生的红外图像透过光学系统中的玻璃窗口2往外辐射；在本实施例中，红外光源的工作波段为2～12μm。
光学系统采用卡塞格林反射结构，由4片镜片组成，按距离红外光源1由近至远的顺序依次为玻璃窗口2、双弯月正透镜3、主反射镜4、次反射镜5；
其中，玻璃窗口2采用ZnS平面窗片；
双弯月正透镜3选用材料Ge，靠近红外光源的表面为球面，另一表面为非球面；
主反射镜4靠近红外光源的表面为平面，另一表面为球面；主反射镜4上设置直径为100mm的中心遮拦；
次反射镜5的靠近红外光源1的表面为球面，另一表面为平面；
玻璃窗口2和红外光源1之间的间隔距离为100mm；
双弯月正透镜3的靠近红外光源1的表面顶点和玻璃窗口2之间的间隔距离为60.02mm；
次反射镜5的靠近红外光源1的表面顶点和双弯月正透镜3的远离红外光源1的表面顶点之间的间隔距离为687.56mm；
主反射镜4的远离红外光源1的表面顶点和次反射镜5的靠近红外光源1的表面顶点之间的间隔距离为550mm；
设定沿着光学传播方向，曲面为凸面的曲率半径为正，曲面为凹面的曲率半径为负；
双弯月正透镜3的靠近红外光源1的表面顶点曲率半径R31为87.52mm；
双弯月正透镜3的远离红外光源1的表面顶点曲率半径R32为52.34mm；
主反射镜4球面顶点曲率半径R4为-1810.39mm；
次反射镜5球面顶点曲率半径R5为-1198.41；
该系统中全视场的角度为2.9°，出瞳6口径为150mm，出瞳距为900mm，出瞳6和主反射镜4球面顶点之间的间隔距离为1455mm；
系统具有消热差功能，适应15到35℃的工作环境，在此温度区间内，系统的调制传递函数MTF的变化＜10％。
根据以下公式计算确定双弯月正透镜3后表面的非球面表面的参数：
其中，
Z：在光轴方向上距透镜顶点的距离；
Y：在垂直于光轴的方向上的距离；
C：透镜顶点上的曲率半径r的倒数；
K：二次常数；
A、B、C、D、E为已知的非球面系数，在本实施例中：K＝-1.61，A＝-7.348*10-4，B＝2.8693*10-7，C＝4.7824*10-12，D＝2.974*10-16，E＝0。
根据图1的光学结构，我们设计了一用于目标模拟器的超宽谱段消热差红外投影光学系统。设计结果：最大畸变量小于1.5％，如图2所示。系统的调制传递函数如图3所示，调制传递函数已经非常接近衍射限，限制系统分辨率的主要因素是光学系统衍射。在温度10℃～35℃范围内由温度变化引起的传函下降小于10％，点列图的均方根半径约为65μm，在光源像素半径内。光学系统技术指标如下：
出瞳口径：150mm；
出瞳距：900；
系统焦距：1975mm；
工作波长：3.5-12μm；
全视场：2.9°
红外光源口径：100mm
对于投影光学系统，采用倒置的方式进行设计，即将真实的光源面定义为设计中的光学系统的像面，真实系统中的出瞳面定义为设计中的光学系统的入瞳面。
本实施例设计光学系统具体结构设计参数如下表所示。

Claims (4)

1.一种用于红外目标模拟器的超宽谱段消热差投影光学系统，其特征在于：
该系统包括按顺序依次设置的红外光源(1)、光学系统、出瞳(6)；
(1)红外光源(1)为一块有效尺寸是直径100mm的真空靶板，采用聚焦电子束轰击真空靶板产生像素点，发光原理类似阴极射线显像管，工作波段内对比度为1000:1以上，像素点的直径小于200μm；
红外光源(1)设置在真空腔体内，其产生的红外图像透过光学系统中的玻璃窗口(2)往外辐射；
(2)光学系统采用卡塞格林反射结构，由4片镜片组成，按距离红外光源(1)由近至远的顺序依次为玻璃窗口(2)、双弯月正透镜(3)、主反射镜(4)、次反射镜(5)；
其中，玻璃窗口(2)采用ZnS平面窗片；
双弯月正透镜(3)选用材料Ge，靠近红外光源的表面为球面，另一表面为非球面；
主反射镜(4)靠近红外光源的表面为平面，另一表面为球面；主反射镜(4)上设置直径为100mm的中心遮拦；
次反射镜(5)的靠近红外光源(1)的表面为球面，另一表面为平面；
玻璃窗口(2)和红外光源(1)之间的间隔距离为100mm；
双弯月正透镜(3)的靠近红外光源(1)的表面顶点和玻璃窗口(2)之间的间隔距离为60.02mm；
次反射镜(5)的靠近红外光源(1)的表面顶点和双弯月正透镜(3)的远离红外光源(1)的表面顶点之间的间隔距离为687.56mm；
主反射镜(4)的远离红外光源(1)的表面顶点和次反射镜(5)的靠近红外光源(1)的表面顶点之间的间隔距离为550mm；
设定沿着光学传播方向，曲面为凸面的曲率半径为正，曲面为凹面的曲率半径为负；
双弯月正透镜(3)的靠近红外光源(1)的表面顶点曲率半径R31为87.52mm；
双弯月正透镜(3)的远离红外光源(1)的表面顶点曲率半径R32为52.34mm；
主反射镜(4)球面顶点曲率半径R4为-1810.39mm；
次反射镜(5)球面顶点曲率半径R5为-1198.41mm；
(3)该系统中全视场的角度为2.9°，出瞳(6)口径为150mm，出瞳距为900mm，出瞳(6)和主反射镜(4)球面顶点之间的间隔距离为1455mm；
(4)系统具有消热差功能，适应15到35℃的工作环境，在此温度区间内，系统的调制传递函数MTF的变化＜10％。
2.如权利要求1所述的一种用于红外目标模拟器的超宽谱段消热差投影光学系统，其特征在于：
根据以下公式计算确定双弯月正透镜(3)后表面的非球面表面的参数：
其中，
Z：在光轴方向上距透镜顶点的距离；
Y：在垂直于光轴的方向上的距离；
c：透镜顶点上的曲率半径r的倒数；
K：二次常数；
A、B、C、D、E为已知的非球面系数。
3.如权利要求2所述的一种用于红外目标模拟器的超宽谱段消热差投影光学系统，其特征在于：K＝-1.61，A＝-7.348*10-4，B＝2.8693*10-7，C＝4.7824*10-12，D＝2.974*10-16，E＝0。
4.如权利要求1所述的一种用于红外目标模拟器的超宽谱段消热差投影光学系统，其特征在于：红外光源的工作波段为2～12μm。
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