CN107192463A - 一种基于分光式平板器件的长波红外与激光复合光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于分光式平板器件的长波红外与激光复合光学系统，为半主动激光和非制冷红外共口径光学成像系统，其中激光系统采用的是半主动激光成像，该成像方式不仅提高了制导的抗干扰能力、作用距离而且提高了自身的安全性；红外光学系统采用的是被动式机械补偿方法，利用结构的热膨胀抵消补偿像面的热漂移，该形式的系统具有较宽的工作温度范围，而且结构简单，工作可靠；复合结构采用的是共轴分光式，该形式结构简单，降低了装调难度，该系统应用于复合成像领域，未来装备量较大，有着广泛的应用和发展前景。
Description
技术领域
本发明属于复合成像技术领域，具体涉及一种基于分光式平板器件的长波红外与激光复合光学系统。
背景技术
在现代战争中，攻防对抗日益激烈，精确制导武器攻击时遇到的对抗层次越来越高，对抗手段越来越高明，再加上目标的隐身、掠海攻击，低空、超低空高速突防以及多方位、饱和攻击战术的使用等，精确制导武器采用单一末制导方式已经难以完成使命，不得不发展多模复合制导方式。激光/红外双模复合制导启动后，激光子系统和红外子系统同时进入工作状态。当弹目距离远时激光照射器锁定目标带动激光子系统进行目标跟踪，当弹目距离近时切换红外子系统进行目标跟踪，红外系统精确锁定目标以后，不用再必须进行激光导引，提高了打击精度，并且避免暴露目标，提高了自身的安全性。该系统应用于复合成像领域，未来装备量较大，有着广泛的应用和发展前景。
目前，激光与红外复合制导光学系统主要有分离孔径式、共轴独立式、共轴分光式。分离孔径式系统一种光学系统过球心，另一个光学系统偏心布置，这样制导框架转动时，离轴的光学系统光路会发生变化，转角越大，测角误差越大，将会影响最终的跟踪精度；共轴独立式优点是两光轴均过球心，旋转对光学系统无影响，能量可以保持原有水平，缺点是一个光学系统需要做成卡式结构、体积较大、杂光抑制和装调难度大.
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于分光式平板器件的长波红外与激光复合光学系统,通过共轴分光式结构的使用，该形式令两光轴均过球心，旋转对光学系统无影响，结构简单，有利于简化结构，能够有效降低装调难度
一种长波红外与激光复合光学系统，包括共口径镜组G1、分光片SPE、激光透镜组G2、激光四象限探测器、红外透镜组G3以及非制冷红外探测器；其中，共口径镜组G1、分光片SPE、红外透镜组G3以及非制冷红外探测器靶面沿光线传播方向共光轴放置；激光透镜组G2置于分光片SPE的反射光路中，激光四象限探测器位于激光透镜组G2透射光路中。
较佳的，共口径镜组G1包括弯月透镜L11和弯月透镜L12。
较佳的，激光透镜组G2沿光线传播方向依次包括光阑L21、双凸透镜L22、双凹透镜L23以及双凸透镜L24。
较佳的，共口径镜组G1和激光透镜组G2组成的激光分系统工作波长为1.064um，瞬时视场为±3°，焦距为95mm，入瞳大小为44mm，光斑直径5.99mm～5.03mm。
较佳的，红外透镜组G3包括弯月透镜L31和弯月透镜L32。
较佳的，共口径镜组G1、分光片SPE和红外透镜组G3组成的红外光学分系统的工作波段为8μm～12μm，焦距为85mm，视场角为6°×4.8°，F数为1，工作温度为：-50℃～+70℃。
较佳的，第一透镜L11前表面S1，第二透镜L12前表面S3，第四透镜L32前表面S9均为非球面。
本发明具有如下有益效果：
本发明所提到的一种基于分光式平板器件的长波红外与激光复合光学系统为半主动激光和非制冷红外共口径光学成像系统，其中激光系统采用的是半主动激光成像，该成像方式不仅提高了制导的抗干扰能力、作用距离而且提高了自身的安全性；红外光学系统采用的是被动式机械补偿方法，利用结构的热膨胀抵消补偿像面的热漂移，该形式的系统具有较宽的工作温度范围，而且结构简单，工作可靠。复合结构采用的是共轴分光式，该形式结构简单，降低了装调难度，该系统应用于复合成像领域，未来装备量较大，有着广泛的应用和发展前景。
附图说明
图1为系统主要组成图，G1由2组镜片组成，L11、L12；SPE为分光镜；G2由3组镜片组成，L21、L22、L23；G3由2组镜片组成，L31，L32；IR-Image为非制冷红外探测器靶面；Laser-Image为激光四象限探测器靶面。
图2为非制冷红外光学系统的综合像质评价函数MTF(传递函数)在不同温度时的图示，附图2.1为温度20℃下的MTF图示；附图2.2为温度-55℃下的MTF图示；附图2.3为温度70℃下的MTF图示。
图3为激光光学系统在不同视场角下弥散斑的图示。
图4为激光光学系统的径向能量分布图示。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
如附图1所示，本发明的长波红外与激光复合光学系统包括共口径镜组G1、分光片SPE、激光透镜组G2、激光四象限探测器、红外透镜组G3以及非制冷红外探测器；其中，共口径镜组G1、分光片SPE、红外透镜组G3以及非制冷红外探测器靶面沿光线传播方向共光轴放置；激光透镜组G2置于分光片SPE的反射光路中，激光四象限探测器位于激光透镜组G2透射光路中。
光线入射到共口径镜组G1，然后到达分光片SPE，分光片SPE将光束分为两部分，其中一部分在分光片SPE处发生反射，经后续激光透镜组G2聚焦形成一均匀圆形光斑后到达激光四象限探测器靶面的四个象限上，四象限探测器把接收到的光信号转换为电信号，根据四个象限能量的分布，来测定目标相对于光轴的偏移量大小和偏移量方位，从而实现目标方位的精确识别；另一部分透过分光片SPE经红外透镜组G3聚焦到达非制冷红外探测器靶面上，把目标热信号转换为电信号，得到目标的红外图像。
本发明的长波红外与激光复合光学系统系统中，共口径镜组G1包括弯月透镜L11和弯月透镜L12；激光透镜组G2沿光线传播方向依次包括光阑STO、双凸透镜L21、双凹透镜L22以及双凸透镜L23；红外透镜组G3包括弯月透镜L31和弯月透镜L32。
如上所述的系统，共口径镜组G1和激光透镜组G2组成的激光系统工作波长为1.064um，瞬时视场：±3°，焦距为95mm，入瞳大小为44mm，光斑直径5.99mm～5.03mm。以下表一内容将举出本发明中激光系统的实施例参数。
在表一中，曲率半径是指每个表面的曲率半径，间距是指两相邻表面间的距离，举例来说，表面S1的间距，即表面S1至表面S2间的距离。
如上所述的系统，共口径镜组G1、分光片SPE和红外透镜组G3组成的红外光学系统为工作波段为8μm～12μm，焦距为85mm，视场角为6°×4.8°，F数为1，工作温度：-50℃～+70℃。以下表二内容将举出本发明中激光系统的实施例参数。
表二中第一透镜L11前表面S1，第二透镜L12前表面S3，第四透镜L32前表面S9的非球面系数如下：
其中，曲面方程表示为：其中，Z为光轴方向的位变；Y为光轴的高；R为近轴曲率半径；K为Conic系数；A、B、C和D为非球面系数。
如图2.1、2.2和2.3所示，该系统红外波段传递函数值在30lp/mm时所有视场均大于0.3，如图3所示，在激光部分系统各个视场光斑能量分布均匀，光斑稳定性优于3％；并且进行了无热化设计，如图4所示，复合系统可在-55℃～+70℃宽温度范围内工作。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种长波红外与激光复合光学系统，其特征在于，包括共口径镜组G1、分光片SPE、激光透镜组G2、激光四象限探测器、红外透镜组G3以及非制冷红外探测器；其中，共口径镜组G1、分光片SPE、红外透镜组G3以及非制冷红外探测器靶面沿光线传播方向共光轴放置；激光透镜组G2置于分光片SPE的反射光路中，激光四象限探测器位于激光透镜组G2透射光路中。
2.如权利要求1所述的一种长波红外与激光复合光学系统，其特征在于，共口径镜组G1包括弯月透镜L11和弯月透镜L12。
3.如权利要求2所述的一种长波红外与激光复合光学系统，其特征在于，激光透镜组G2沿光线传播方向依次包括光阑L21、双凸透镜L22、双凹透镜L23以及双凸透镜L24。
4.如权利要求3所述的一种长波红外与激光复合光学系统，其特征在于，共口径镜组G1和激光透镜组G2组成的激光分系统工作波长为1.064um，瞬时视场为±3°，焦距为95mm，入瞳大小为44mm，光斑直径5.99mm～5.03mm。
5.如权利要求4所述的一种长波红外与激光复合光学系统，其特征在于，所述激光分系统中元件的参数如表一：
6.如权利要求2所述的一种长波红外与激光复合光学系统，其特征在于，红外透镜组G3包括弯月透镜L31和弯月透镜L32。
7.如权利要求6所述的一种长波红外与激光复合光学系统，其特征在于，共口径镜组G1、分光片SPE和红外透镜组G3组成的红外光学分系统的工作波段为8μm～12μm，焦距为85mm，视场角为6°×4.8°，F数为1，工作温度为：-50℃～+70℃。
8.如权利要求7所述的一种长波红外与激光复合光学系统，其特征在于，所述红外分系统中元件的参数如表二：
9.如权利要求8所述的一种长波红外与激光复合光学系统，其特征在于，第一透镜L11前表面S1，第二透镜L12前表面S3，第四透镜L32前表面S9均为非球面。
10.如权利要求9所述的一种长波红外与激光复合光学系统，其特征在于，第一透镜L11前表面S1，第二透镜L12前表面S3，第四透镜L32前表面S9的非球面系数如下：
其中，曲面方程表示为：其中，Z为光轴方向的位变；Y为光轴的高；R为近轴曲率半径；K为Conic系数；A、B、C和D为非球面系数。
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