CN107656368A - 一种大长径比大扫描视场无热化共形光学系统 - Google Patents

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白静
程军梅
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刘菲
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Abstract

本发明公开了一种大长径比大扫描视场无热化共形光学系统，包括：共形头罩(1)、固定校正镜(2)、第一透镜(3)、第二透镜(4)、第三透镜(5)和第四透镜(6)。采用长径比大于1的共形头罩(1)，扫描视场为60°×60°，工作温度为‑40℃～60℃，焦距为80mm，通光口径为40mm，工作波段为3μm～5μm。采用一片固定校正镜(2)校正60°×60°视场内共形头罩引入的非对称像差。瞬时视场为5°×5°，保持共形头罩(1)和固定校正镜(2)不动，使固定校正镜(1)后透镜组体绕着位于固定校正镜(1)后55mm的旋转中心点进行俯仰方向和方位方向的旋转，完成对60°×60°视场范围的扫描。本发明利用光学材料与机械材料的热膨胀系数相互匹配，实现‑40℃～60℃范围内共形光学系统的被动无热化。

Description

一种大长径比大扫描视场无热化共形光学系统
技术领域
本发明涉及一种共形光学系统，特别是一种大长径比大扫描视场无热化共形光学系统。
背景技术
共形光学系统比球罩形光学系统气动性能优良许多，十分利于飞行器在空气中的超高速飞行。共形光学系统的气动性能与共形头罩的长度与口径的比值(长径比)有关，长径比越大，整流罩越尖，气动特性越好。但长径比越大，共形头罩引入的非对称像差就越大。为校正共形头罩引入的非对称像差，需要在共形头罩之后加入像差补偿用的校正镜，又进一步增加了共形光学系统结构的复杂性。因此，共形光学系统的实现性具有较大的挑战。目前的共形光学系统绝大部分长径比小于1，多采用非制冷型探测方式，温度适应性较差，校正镜结构臃肿而复杂，扫描视场角有限，难以满足工程应用需求。
发明内容
本发明目的在于提供一种大长径比大扫描视场无热化共形光学系统，解决以往共形光学系统温度适应性差、大长径比下校正镜结构复杂、扫描视场不足和工程应用性较差等问题。
一种大长径比大扫描视场无热化共形光学系统，包括：共形头罩、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜，还包括：固定校正镜。
所述大长径比大扫描视场无热化共形光学系统为单片固定校正镜补偿像差的冷光阑匹配一次成像结构。所述共形头罩位于系统最前端，为椭球形结构，所用材料为氟化镁，中心顶点厚度为5mm，长径比大于1，共形头罩椭球长轴半径为142mm，短轴半径为70mm。所述固定校正镜位于共形头罩顶点之后105mm位置，为双面高次非球面结构，所用材料为锗。所述第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜组成红外透镜组，红外透镜组位于固定校正镜之后，红外透镜组中第一透镜在前，第二透镜、第三透镜和第四透镜依次排列在后。所述第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜所用材料依次为硅、锗、硫化锌、硒化锌，其中第二透镜、第三透镜和第四透镜为高次非球面结构，第一透镜为球面结构。所述共形光学系统在进行视场扫描时，共形头罩和固定校正镜不发生位置变动，第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜组成红外透镜组整体绕着位于固定校正镜后55mm的旋转中心点进行俯仰方向和方位方向的旋转扫描。
大长径比大扫描视场无热化共形光学系统工作时，60°×60°视场内的入射光束首先照射至大长径比共形头罩，经共形头罩折射后入射到固定校正镜，经固定校正镜补偿像差后，每5°×5°视场的光束依次经第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜折射，最后进入制冷探测器。由于系统凝视视场为5°×5°，而有60°×60°视场的光束入射到共形头罩和固定校正镜，因此需要进行视场扫描。视场扫描时，共形头罩和固定校正镜不发生位置变动，第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜组成的红外透镜组整体绕着位于固定校正镜后55mm的旋转中心点进行俯仰方向和方位方向的旋转扫描。红外透镜组采用硅、锗、硫化锌和硒化锌的材料，搭配铝合金材料机械结构件，以各元件不同的热胀冷缩实现-40℃～60℃温度下光学系统均具有优良的成像质量。大长径比大扫描视场无热化共形光学系统头罩长径比大于1，焦距为80mm，通光口径为40mm，工作波段为3μm～5μm，扫描视场为60°×60°，瞬时视场为5°×5°，工作温度为-40℃～60℃。
本发明采用单片固定校正镜实现大长径比大扫描视场共形系统，能够解决以往共形光学系统温度适应性差、大长径比下校正镜结构复杂、扫描视场不足和工程应用性较差等问题。
附图说明
图1一种无热化大长径比共形光学系统在0°扫描角下组成示意图。
图2一种无热化大长径比共形光学系统在15°扫描角下组成示意图。
图3一种无热化大长径比共形光学系统在30°扫描角下组成示意图。
1.共形头罩 2.固定校正镜 3.第一透镜 4.第二透镜 5.第三透镜 6.第四透镜
具体实施方式
一种大长径比大扫描视场无热化共形光学系统，包括：共形头罩1、第一透镜3、第二透镜4、第三透镜5、第四透镜6，还包括：固定校正镜2。
所述大长径比大扫描视场无热化共形光学系统为单片固定校正镜补偿像差的冷光阑匹配一次成像结构。所述共形头罩1位于系统最前端，为椭球形结构，所用材料为氟化镁，中心顶点厚度为5mm，长径比大于1，共形头罩1椭球长轴半径为142mm，短轴半径为70mm。所述固定校正镜2位于共形头罩1顶点之后105mm位置，为双面高次非球面结构，所用材料为锗。所述第一透镜3、第二透镜4、第三透镜5和第四透镜6组成红外透镜组，红外透镜组位于固定校正镜2之后，红外透镜组中第一透镜3在前，第二透镜4、第三透镜5和第四透镜6依次排列在后。所述第一透镜3、第二透镜4、第三透镜5和第四透镜6所用材料依次为硅、锗、硫化锌、硒化锌，其中第二透镜4、第三透镜5和第四透镜6为高次非球面结构，第一透镜3为球面结构。所述共形光学系统在进行视场扫描时，共形头罩1和固定校正镜2不发生位置变动，第一透镜3、第二透镜4、第三透镜5和第四透镜6组成红外透镜组整体绕着位于固定校正镜2后55mm的旋转中心点进行俯仰方向和方位方向的旋转扫描。
大长径比大扫描视场无热化共形光学系统工作时，60°×60°视场内的入射光束首先照射至大长径比共形头罩1，经共形头罩1折射后入射到固定校正镜2，经固定校正镜2补偿像差后，每5°×5°视场的光束依次经第一透镜3、第二透镜4、第三透镜5和第四透镜6折射，最后进入制冷探测器。由于系统凝视视场为5°×5°，而有60°×60°视场的光束入射到共形头罩1和固定校正镜2，因此需要进行视场扫描。视场扫描时，共形头罩1和固定校正镜2不发生位置变动，第一透镜3、第二透镜4、第三透镜5和第四透镜6组成的红外透镜组整体绕着位于固定校正镜2后55mm的旋转中心点进行俯仰方向和方位方向的旋转扫描。红外透镜组采用硅、锗、硫化锌和硒化锌的材料，搭配铝合金材料机械结构件，以各元件不同的热胀冷缩实现-40℃～60℃温度下光学系统均具有优良的成像质量。大长径比大扫描视场无热化共形光学系统头罩长径比大于1，焦距为80mm，通光口径为40mm，工作波段为3μm～5μm，扫描视场为60°×60°，瞬时视场为5°×5°，工作温度为-40℃～60℃。

Claims (6)

1.一种大长径比大扫描视场无热化共形光学系统，包括：共形头罩(1)、第一透镜(3)、第二透镜(4)、第三透镜(5)、第四透镜(6)，其特征在于还包括：固定校正镜(2)；
所述大长径比大扫描视场无热化共形光学系统为单片固定校正镜补偿像差的冷光阑匹配一次成像结构；所述共形头罩(1)位于系统最前端，为椭球形结构，所用材料为氟化镁，中心顶点厚度为5mm，长径比大于1，共形头罩(1)椭球长轴半径为142mm，短轴半径为70mm；所述固定校正镜(2)位于共形头罩(1)顶点之后105mm位置，为双面高次非球面结构，所用材料为锗；所述第一透镜(3)、第二透镜(4)、第三透镜(5)和第四透镜(6)组成红外透镜组，红外透镜组位于固定校正镜(2)之后，红外透镜组中第一透镜(3)在前，第二透镜(4)、第三透镜(5)和第四透镜(6)依次排列在后；所述第一透镜(3)、第二透镜(4)、第三透镜(5)和第四透镜(6)所用材料依次为硅、锗、硫化锌、硒化锌，其中第二透镜(4)、第三透镜(5)和第四透镜(6)为高次非球面结构，第一透镜(3)为球面结构。
2.如权利要求1所述的大长径比大扫描视场无热化共形光学系统，其特征在于，所述共形光学系统凝视视场为5°×5°，入射光束的视场范围为60°×60°。
3.如权利要求2所述的大长径比大扫描视场无热化共形光学系统，其特征在于，60°×60°视场内的入射光束首先照射至大长径比共形头罩(1)，经共形头罩(1)折射后入射到固定校正镜(2)，经固定校正镜(2)补偿像差后，通过进行视场扫描使得每5°×5°视场的光束依次经第一透镜(3)、第二透镜(4)、第三透镜(5)和第四透镜(6)折射，最后进入制冷探测器。
4.如权利要求3所述的大长径比大扫描视场无热化共形光学系统，其特征在于，共形光学系统进行视场扫描时，共形头罩(1)和固定校正镜(2)不发生位置变动，第一透镜(3)、第二透镜(4)、第三透镜(5)和第四透镜(6)组成红外透镜组整体绕着位于固定校正镜(2)后55mm的旋转中心点进行俯仰方向和方位方向的旋转扫描。
5.如权利要求4所述的大长径比大扫描视场无热化共形光学系统，其特征在于，红外透镜组采用硅、锗、硫化锌和硒化锌的材料，搭配铝合金材料机械结构件，以各元件不同的热胀冷缩实现-40℃～60℃温度下光学系统的成像。
6.如权利要求1至权利要求5任一所述的大长径比大扫描视场无热化共形光学系统，其特征在于，大长径比大扫描视场无热化共形光学系统共形头罩(1)长径比大于1，焦距为80mm，通光口径为40mm，工作波段为3μm～5μm，扫描视场为60°×60°，瞬时视场为5°×5°，工作温度为-40℃～60℃。
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