CN106772949B - 弹载消热差中长波红外双波段望远成像物镜 - Google Patents

弹载消热差中长波红外双波段望远成像物镜 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种弹载消热差中长波红外双波段望远成像物镜，针对远处的红外目标，能高透过率高像质的获取目标双波段光学图像。它的光学系统包括共口径前置望远镜组、平面反射镜组、场镜、中继成像镜组和红外探测器；共孔径前置望远镜组、中继成像镜组的结构形式均为透射式柯克三片式。光学系统采用二次成像光学结构，便于与制冷型焦平面探测器相匹配，具有100%冷光阑效率；并能压缩第一物镜的口径，结构紧凑，体积小；通过优选材料实现了光学系统的被动消热差，成像质量接近衍射极限，满足了系统小型化的要求。

Description

弹载消热差中长波红外双波段望远成像物镜
技术领域
本发明涉及一种弹载消热差中长波红外双波段望远成像物镜，可适用于双波段红外探测的小型化中长波双波段红外导引头光学系统等。
背景技术
红外成像系统能够在强光或闪光的干扰下不致盲，应而在战场能够发挥比可见光成像技术无以比拟的作用。由于受红外焦平面技术的限制，传统的红外成像系统一般工作的波段较窄，获取的信息量有限，一些有用的信息湮没在工作波段内，这是因为不同辐射特性的景物在短波红外(SWIR)、中波红外(MWIR)、长波红外(LWIR)有着不同的表现，比如在存在杂散辐射或靠近热源的情况下，长波红外具有较强的侦察能力；在湿热的环境下，中波红外的优势更为明显；短波红外特性与可见光比较接近。因此,结合各个波段的成像特点，工作于多个波段的红外光学系统能够获取充分有用的信息，有效剔除目标的伪装信息，提高目标的探测与识别能力、识别速率，并降低系统的虚警率，在军事作战中占有发挥举足轻重的地位。
红外双波段光学系统的设计是双色导引头实现的一项关键技术。随着红外光学系统应用越来越广泛，工作环境越来越复杂，对红外光学系统的成像质量要求越来越高，设计能够工作在恶劣环境条件下的高性能红外光学系统成为必然。环境温度变化将引起材料折射率的变化、系统焦距改变、像面位移、成像质量下降等。由于大多数红外光学材料的折射率随温度变化较大,红外光学系统的热不稳定性表现得尤为明显。因此，在设计红外光学系统的过程中，必须采用一定的补偿技术以消除温度变化造成的影响，使红外光学系统能够在一定的环境温度范围内保持良好的成像质量。
传统的无热化设计方法可分为三类：(1) 机械被动式；(2) 机电主动式；(3) 光学被动式。其中光学被动消热差技术凭借其重量小、无功耗、可靠性高等优点，成为光学系统消热差的首选方法，可通过匹配透镜与镜头结构件的热性能自动消除热差。但目前适用于工作在中长波红外双波段的弹载消热差望远成像物镜系统还未见报道。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提供一种体积紧凑，成像质量高，工作于中长波红外双波段，出瞳与探测器冷光阑准确匹配的弹载消热差望远成像物镜。
实现本发明目的的技术方案是提供一种弹载消热差中长波红外双波段望远成像物镜，它的光学系统包括共口径前置望远镜组、平面反射镜组、场镜、中继成像镜组和红外探测器；所述的共孔径前置望远镜组、中继成像镜组的结构形式均为透射式柯克三片式；共孔径前置望远镜组中各透镜的光焦度范围依次为0.02～0.035、 -0.008～-0.02、-0.02～-0.04、0.001～0.005，各透镜的材料依次为ZnSe、Ge、ZnS、ZnSe；中继成像镜组中各透镜的光焦度范围依次为0.02～0.035、 -0.01～-0.04、 -0.01～-0.02、0.03～0.05，各透镜的材料依次为ZnSe、BaF2、Ge、ZnSe；所述的共孔径前置望远镜组的焦距与物镜光学系统的焦距之比为1.5:1～2.5:1；所述的中继成像镜组的焦距与物镜光学系统的焦距之比为1:1～2:1。
本发明提供的弹载消热差中长波红外双波段望远成像物镜，其光学系统的一种具体结构是：共口径前置望远镜组的出射光经两块平面反射镜折叠光路，在两块平面反射镜中加入二向分色镜，将中波红外反射，长波红外透射；所述的中波红外光经场镜聚焦目标，再经平面反射镜折叠一次光路形成一次像后，通过中继成像镜组将目标成像于中波红外探测器的焦平面上；所述的长波红外光经另一场镜形成一次像，再通过另一中继成像镜组将目标成像于长波红外探测器的焦平面上。
光学系统的另一种具体结构可以是：共口径前置望远镜组的出射光由三块平面反射镜折叠光路，在经第三块平面反射镜后以场镜聚焦目标，再经第四块反射镜折叠一次光路形成一次像，通过中继成像镜组将目标成像于双色探测器的焦平面上。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、光学系统采用非球面来实现大视场要求，同时利用反射镜组进行折叠光路，采用了透射式进行一次成像，结构紧凑，满足系统小型化的要求。
2、光学系统采用光学被动消热差方法，通过匹配光学材料归化热差系数和光学机械结构件材料的热膨胀系数，使各影响因素的热离焦量进行互相补偿，使光学系统的成像质量在工作环境温度范围内始终保持可以良好的水平，具有重量小、无功耗、可靠性高等优点。
3、光学系统采用红外双波段高透过率增透膜，实现了整个光学系统的高透过率。
4、光学系统不仅可适用于两个分别响应中波和长波的探测器，同时适用于中长波双色焦平面探测器。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的采用单色探测器时弹载消热差中长波红外双波段望远成像物镜的光路图；
图2为本发明实施例提供的几种常见红外材料在中波红外和长波红外的归化色差系数组成的色差图；
图3和图4为本发明实施例提供的弹载消热差中长波红外双波段望远成像物镜的调制传递函数（MTF）曲线；
图5和图6为本发明实施例提供的弹载消热差中长波红外双波段望远成像物镜的点列图；
图7和图8为本发明实施例提供的弹载消热差中长波红外双波段望远成像物镜的畸变图；
图9至图14为本发明实施例提供的弹载消热差中长波红外双波段望远成像物镜的两个不同波段下随着温度的变化，各自调制传递函数（MTF）曲线；
图15为本发明实施例2提供的采用双色探测器时弹载消热差中长波红外双波段望远成像物镜的光路图。
图中：1、光学系统头罩，2、共孔径前置望远镜组第一块透镜，3、共孔径前置望远镜组第二块透镜，4、共孔径前置望远镜组第三块透镜，5、共孔径前置望远镜组第四块透镜，6、第一块平面反射镜，7、第二块平面反射镜，8-1、二向分色镜，8-2、第三块反射镜，9、场镜，10、反射镜，11、中波红外中继成像镜组第一块透镜，12、中波红外中继成像镜组第二块透镜，13、中波红外中继成像镜组第三块透镜，14、中波红外中继成像镜组第四块透镜，15、中波红外探测器锗窗片，16、另一块场镜，17、长波红外中继成像镜组第一块镜头，18、长波红外中继成像镜组第二块镜头，19、长波红外中继成像镜组第三块镜头，20、长波红外中继成像镜组第四块镜头，21、长波红外探测器锗窗片，22、中波红外探测器焦平面，23、长波红外探测器焦平面，24、双色探测器焦平面。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步的具体阐述。
实施例1：
本实施例采用单色探测器，提供一种弹载消热差部分共孔径中长波红外双波段望远成像物镜。
本实施例的光学指标如下所示：
望远镜通光口径： φ50mm ；
相对孔径： 1：2；
焦距： 100mm ；
视场： 5°×4° ；
工作波长： 3μm ～ 5μm / 8μm ～ 10μm ；
工作温度： -40℃～+80℃。
本实施例提供的采用单色探测器时弹载消热差中长波红外双波段望远成像物镜光学系统包括共孔径前置望远镜组、中继成像镜组、三块平面反射镜、一块分色镜、两块场镜，中波红外探测器和长波红外探测器。共孔径前置望远镜组和中继成像镜组均采用柯克三片式结构形式，共孔径前置望远镜中各透镜的光焦度范围依次为0.02～0.035、 -0.008～-0.02、-0.02～-0.04、0.001～0.005，中继成像镜组中各透镜的光焦度范围依次为0.02～0.035、 -0.01～-0.04、 -0.01～-0.02、0.03～0.05；共孔径前置望远镜组的焦距与物镜光学系统的焦距之比为1.5:1～2.5:1；中继成像镜组的焦距与物镜光学系统的焦距之比为1:1～2:1；中继成像镜将目标二次成像于红外探测器光敏面上。
参见附图1，它是本实施例提供的采用单色探测器时弹载消热差中长波红外双波段望远成像物镜的光路图；由图1可见，光学系统的具体结构为：来自远处目标的红外辐射能量经过光学头罩1进入共孔径前置望远镜组中， 通过第一块（ZnSe）透镜2和第二块（Ge）透镜3，逐步汇聚到第三块（ZnS）透镜4上；经过第三块透镜的发散作用到达第四块（ZnSe）透镜5上，在第四块透镜的出射光路中采用两块平面反射镜分别为第一块反射镜6和第二块反射镜7进行折叠光路，并在该光路中加入二向分色镜8-1将中波反射，长波透射。中波红外经过场镜9对目标进一步聚焦，并利用成像平面反射镜10折叠一次光路形成一次像，再分别经过中继成像镜组中的第一块（ZnSe）透镜11和第二块（BaF2）透镜12，逐步汇聚进入第三块（Ge）透镜13上，且受到其折射作用发散到第四块（ZnSe）透镜14上，通过第四块透镜的汇聚作用将目标二次聚焦到中波红外探测器的锗窗片15上，最终成像到焦平面22上。同时，经二向分色镜8-1透射的长波红外经过另一块场镜16形成一次像，再分别经过中继成像镜组中的第一块（ZnSe）透镜17和第二块（BaF2）透镜18，逐步汇聚进入第三块（Ge）透镜19上，且受到其折射作用发散到第四块（ZnSe）透镜20上，通过其汇聚作用将目标二次聚焦到长波红外探测器的锗窗片21上，最终成像到焦平面23上。
参见附图2，为本实施例提供的几种常见红外材料在中波红外和长波红外的归化色差系数组成的色差图，其中，横坐标表示在中波红外3～5um上的归化色差系数，纵坐标表示在长波红外8～12um上的归化色差系数。在色差图上，优选出三种红外材料，使其组成的三角形面积较大，且形状不宜扁平，使得各透镜的光焦度绝对值尽可能小，以此减轻系统消除单色像差的压力，从而达到消色差的效果较好。综合考虑材料的可用性及成本，前置望远镜组选用Ge、ZnS和ZnSe三种材料；中继成像镜组选用ZnSe、Ge、BaF2三种材料。由于前置望远镜组选用的三种材料中ZnS的折射率最低，同时考虑到场曲及色差的校正，ZnS放在中间做负透镜；中继成像镜组中BaF2的折射率最低，将其作为中间负透镜。由于系统的相对口径较大，且受到消色差和消热差的要求，前组透镜选用Ge和ZnSe。当机械结构件选用同一材料时，使得透镜材料的热差系数引起的离焦与镜头机械结构材料，并综合系统经济性，机械结构件采用金属铝，其热膨胀系数为23.6×10-6/˚C。
本实施例提供的采用单色探测器时弹载消热差中长波红外双波段望远成像物镜的光学系统各透镜具体数据及所采用的材料见表1。
表1
Figure 63117DEST_PATH_IMAGE001
Figure 885580DEST_PATH_IMAGE002
参见附图3和图4，是本实施例光学系统的调制传递函数（MTF）曲线，对于中波和长波红外，光学系统像面处的调制传递函数（MTF）曲线分别如图3和4所示，图3为中波红外（3.7 μm～4.8μm），图4为长波红外（7.7μm～9.5μm）；由图可见，不同视场的像质接近衍射极限，在频率20lp/mm处的中波红外MTF值高于0.7，全视场平均值为0.74；长波红外MTF值高于0.5，全视场平均值为0.52。
参见附图5和图6，是本实施例光学系统光线追迹像平面上的点列图，图中黑色圆圈表示艾里斑。中波红外的半径约为10.68µm；长波红外的半径约为21.64µm。可见像斑大部分能量集中在艾里斑内，表明该系统具有好的成像质量。
参见附图7和图8，是本实施例光学系统网格畸变图，横坐标表示畸变量，用百分比表示，纵坐标表示归一化的不同视场角。由图可以看出，边缘视场畸变最大，中波边缘视场畸变小于0.25%；长波边缘视场畸变小于0.12%。系统存在的畸变可通过图像处理进行校正。
参见附图9至图14，是本实施例光学系统的消热差设计后的调制传递函数（MTF）曲线，当工作温度在-40℃～+80℃变化范围内，对于中波红外，波长3.7μm、4.25μm、4.8μm处权重因子均为1时，光学系统像面处的调制传递函数（MTF）曲线，如图9、10和11所示，图9为T=-40℃，图10为T=20℃，图11为T=80℃；对于长波红外，当波长7.7μm、8.6μm、9.5μm处权重因子均为1时，光学系统像面处的调制传递函数（MTF）曲线，如图12、13和14所示，图12为T=-40℃，图13为T=20℃，图14为T=80℃。由此可得，各视场的像质接近衍射极限。
实施例2：
本实施例采用双色探测器，提供一种弹载消热差完全共孔径中长波红外双波段望远成像物镜。
本实施例的光学指标如下所示：
望远镜通光口径： φ50mm ；
相对孔径： 1：2；
焦距： 100mm ；
视场： 5°×4° ；
工作波长： 3μm ～ 5μm/8μm ～ 10μm ；
工作温度： -40℃～+80℃。
光学系统包括前置望远镜组、中继成像镜组、平面反射镜组、场镜和双色红外探测器。前置望远镜组采用柯克三片式结构形式；中继成像镜组同样采用柯克三片式的结构形式，中继成像镜将目标二次成像于红外探测器光敏面上；共孔径前置望远镜中各透镜的光焦度范围依次为0.02～0.035、 -0.008～-0.02、-0.02～-0.04、0.001～0.005，中继成像镜组中各透镜的光焦度范围依次为0.02～0.035、 -0.01～-0.04、 -0.01～-0.02、0.03～0.05；共孔径前置望远镜组的焦距与物镜光学系统的焦距之比为1.5:1～2.5:1；中继成像镜组的焦距与物镜光学系统的焦距之比为1:1～2:1；。
参见附图15，它是本实施例所提供的光学系统的光路图，其具体结构为：来自远处目标的红外辐射能量经过光学头罩1进入孔径前置望远镜组中，通过第一块（ZnSe）透镜2和第二块（Ge）透镜3，逐步汇聚到第三块（ZnS）透镜4上，然后经过第三块透镜的发散作用到达第四块（ZnSe）透镜5上，在第四块透镜的出射光路中采用平面反射镜6、7和8-2进行折叠光路，在该光路中利用场镜9对目标进一步聚焦，并利用反射镜10折叠一次光路形成一次像。接着，中间像分别经过中继成像镜组中的第一块（ZnSe）透镜11和第二块（BaF2）透镜12，逐步汇聚进入第三块（Ge）透镜13上，且受到其折射作用发散到第四块（ZnSe）透镜14上，通过第四块透镜的汇聚作用将目标二次聚焦到双色探测器的锗窗片15上，最终成像到焦平面24上。
按实施例1提供的色差图方法，本实施例提供的采用双色探测器时弹载消热差中长波红外双波段望远成像物镜的光学系统各透镜具体数据及所采用的材料参见表2。
表2
Figure 683772DEST_PATH_IMAGE003
Figure 882672DEST_PATH_IMAGE004
本发明的光学系统的优点是：该光学系统视场较大,结构紧凑，体积小；采用二次成像光学结构，便于与制冷型焦平面探测器相匹配，具有100%冷光阑效率；通过优选材料实现了光学系统的被动消热差，畸变较小，传递函数高，可实现大温度范围光学补偿无热化成像；不仅适用于两个分别响应中波和长波的探测器，同时适用于中长波双色焦平面探测器。
参见附图3和图4，是系统的调制传递函数（MTF）曲线，对于中波和长波红外，光学系统像面处的调制传递函数（MTF）曲线分别如图3和4所示，可见不同视场的像质接近衍射极限，在频率20lp/mm处的中波红外MTF值高于0.7，全视场平均值为0.74；长波红外MTF值高于0.5，全视场平均值为0.52。
参见附图5和图6，是光线追迹像平面上的点列图，图中黑色圆圈表示艾里斑。图5所示中波红外的半径约为10.68µm；图6所示长波红外的半径约为21.64µm。可见像斑大部分能量集中在艾里斑内，表明该系统具有好的成像质量。
参见附图7和图8，是系统网格畸变图，横坐标表示畸变量，用百分比表示，纵坐标表示归一化的不同视场角。由图可以看出，边缘视场畸变最大，图7所示中波边缘视场畸变小于0.25%；图8所示长波边缘视场畸变小于0.12%。系统存在的畸变可通过图像处理进行校正。
参见附图9至图14，它是系统的消热差设计后的调制传递函数（MTF）曲线，当工作温度在-40℃～+80℃变化范围内，对于中波红外，波长3.7μm、4.25μm、4.8μm处权重因子均为1时，光学系统像面处的调制传递函数（MTF）曲线，如图9、10和11所示，图9为T=-40℃，图10为T=20℃，图11为T=80℃；对于长波红外，当波长7.7μm、8.6μm、9.5μm处权重因子均为1时，光学系统像面处的调制传递函数（MTF）曲线，如图12、13和14所示，图12为T=-40℃，图13为T=20℃，图14为T=80℃。由此可得，不同视场的像质均接近衍射极限。

Claims (3)

1.一种弹载消热差中长波红外双波段望远成像物镜，其特征在于它的光学系统包括共口径前置望远镜组、平面反射镜组、场镜、中继成像镜组和红外探测器；所述的共口径前置望远镜组、中继成像镜组的结构形式均为透射式柯克三片式；共口径前置望远镜组中各透镜的光焦度依次为0.0282 mm-1、 -0.01 mm-1、-0.008 mm-1、0.002 mm-1，各透镜的材料依次为ZnSe、Ge、ZnS、ZnSe；中继成像镜组中各透镜的光焦度范围依次为0.02～0.035 mm-1、 -0.01～-0.04 mm-1、 -0.01～-0.02 mm-1、0.03～0.05 mm-1，各透镜的材料依次为ZnSe、BaF2、Ge、ZnSe；所述的共口径前置望远镜组的焦距与物镜光学系统的焦距之比为1.5:1～2.5:1；所述的中继成像镜组的焦距与物镜光学系统的焦距之比为1:1～2:1。
2.根据权利要求1所述的一种弹载消热差中长波红外双波段望远成像物镜，其特征在于：共口径前置望远镜组的出射光经两块平面反射镜折叠光路，在两块平面反射镜中加入二向分色镜，将中波红外反射，长波红外透射；所述的中波红外光经场镜聚焦目标，再经平面反射镜折叠一次光路形成一次像后，通过中继成像镜组将目标成像于中波红外探测器的焦平面上；所述的长波红外光经另一场镜形成一次像，再通过另一中继成像镜组将目标成像于长波红外探测器的焦平面上。
3.根据权利要求1所述的一种弹载消热差中长波红外双波段望远成像物镜，其特征在于：共口径前置望远镜组的出射光由三块平面反射镜折叠光路，在经第三块平面反射镜后以场镜聚焦目标，再经第四块反射镜折叠一次光路形成一次像，通过中继成像镜组将目标成像于双色探测器的焦平面上。
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