CN109358423A - 一种非制冷大面阵快扫光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种非制冷大面阵快扫光学系统，通过在开普勒望远系统形成的平行光路中加入快速扫描摆镜，快速扫描摆镜摆动以补偿成像系统运动的视场角度，保证积分时间内目标在像面成像位置保持稳定，从而实现图像的清晰成像，解决了面阵快扫成像系统运动过程中图像变虚、拖尾的问题。通过近轴光学系统理论计算分析，确定了光学系统的构型，通过优化透镜曲率半径、透镜间隔、不同光学材料匹配以及采用非球面、衍射面等特殊面型来校正光学系统的像差，使像质达到最优。

Description

一种非制冷大面阵快扫光学系统
技术领域
本发明属于光学技术，涉及一种非制冷大面阵快扫光学系统。
背景技术
面阵凝视连续快扫成像系统相比线列扫描成像系统，较容易实现变速扫描时对重点区域实行重点监测、跟踪，其应用的难点在于探测器积分时间内焦平面和景物之间会产生相对运动，从而使图像变得模糊、拖尾。采用大面阵非制冷探测器件更容易实现系统的小型化、轻量化以及制造成本。
在面阵凝视快扫像方补偿光学系统设计，通过在开普勒望远系统形成的平行光路中加入快速扫描摆镜，快速扫描摆镜回摆角度以补偿成像系统运动的视场角度，保证积分时间内成像目标在像面成像位置保持不变，从而实现图像的清晰成像，解决了面阵凝视连续快扫成像系统运动过程，成像图像变虚、拖尾的问题。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种非制冷大面阵快扫光学系统，由开普勒望远光学系统、快速扫描摆镜以及会聚光学系统构成。可以实现凝视成像和快扫成像，能够适应超宽环境温度(-40℃～+60℃)变化，并能保持高质量成像。
技术方案
一种非制冷大面阵快扫光学系统，其特征在于包括沿光路设置的第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、快速扫描摆镜5、第五透镜6、第六透镜7、第七透镜8和第八透镜9以及终端的探测器10；透镜1和透镜2构成的开普勒望远物镜组，透镜3和透镜4构成开普勒望远目镜组，透镜6、透镜7、透镜8和透镜9构成的会聚成像组；
所述各透镜光学参数为：
所述第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、快速扫描摆镜5、第五透镜6、第六透镜7、第七透镜8和第八透镜9选取材料为鍺、硒化锌或K9玻璃。
所述第一透镜1、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜6、第六透镜7和第八透镜9选取材料为鍺；所述第二透镜2和第七透镜8选取材料为硒化锌；所述快速扫描摆镜5选取材料为K9玻璃。
所述探测器10的像素数320×256、384×288、640×512、1024×768，像素大小适用于12μm、17μm、25μm的非制冷焦平面探测器，适用波长：8μm～12μm。
有益效果
本发明提出的一种非制冷大面阵快扫光学系统，通过在开普勒望远系统形成的平行光路中加入快速扫描摆镜，快速扫描摆镜摆动以补偿成像系统运动的视场角度，保证积分时间内目标在像面成像位置保持稳定，从而实现图像的清晰成像，解决了面阵快扫成像系统运动过程中图像变虚、拖尾的问题。通过近轴光学系统理论计算分析，确定了光学系统的构型，通过优化透镜曲率半径、透镜间隔、不同光学材料匹配以及采用非球面、衍射面等特殊面型来校正光学系统的像差，使像质达到最优。
有益效果：
1成像质量优
利用非球面、衍射面等特殊光学面型校正光学系统的像差，平衡了各种像差，得到了优良像质。
2凝视成像和快扫成像
光学系统可以直接实现凝视成像，也可利用快扫反射镜实现扫描成像，实现多用途。
3温度适应性好
采用多种红外光学材料和机械材料进行匹配，保证光学系统在整个超宽温度范围-40℃～+60℃的成像性能。
附图说明
图1本发明光路示意图。
其中，1-透镜1、2-透镜2、3-透镜3、4-透镜4、5-快速扫描摆镜、6-透镜6、7-透镜7、8-透镜8、9-透镜9、10-探测器焦平面。
图2扫描零位光学传递函数曲线图。
图3扫描正极限位置光学传递函数曲线图。
图4扫描负极限位置光学传递函数曲线图。
图5光学系统畸变曲线图。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
图1是由开普勒望远光学系统、扫描摆镜以及会聚光学系统构成的非制冷大面阵快扫光学系统光路原理图。
按光路走向由开普勒望远物镜组、开普勒望远目镜组、快速扫描摆镜5、会聚透镜组以及探测器10组成。其中，开普勒望远物镜组由第一透镜1、第二透镜2构成；开普勒望远目镜组由第三透镜3、第四透镜4构成；会聚成像组由第五透镜6、第六透镜7、第七透镜8、第八透镜9构成。详细光学参数见下表。
光学参数表(单位：mm)
非球面方程为：
其中：r——与光轴的距离；
R——非球面顶点出的曲率半径；
K——二次曲线常数；
A、B、C、D——非球面系数。
衍射非球面方程为：
其中：r——与光轴的距离；
R——非球面顶点出的曲率半径；
K——二次曲线常数；
A、B、C、D——非球面系数；
HOR——衍射级次；
c1、c2——衍射面系数；
n——基地材料折射率；
n0——空气折射率；
λ0——中心波长。

Claims (4)

1.一种非制冷大面阵快扫光学系统，其特征在于包括沿光路设置的第一透镜(1)、第二透镜(2)、第三透镜(3)、第四透镜(4)、快速扫描摆镜(5)、第五透镜(6)、第六透镜(7)、第七透镜(8)和第八透镜(9)以及终端的探测器(10)；透镜(1)和透镜(2)构成的开普勒望远物镜组，透镜(3)和透镜(4)构成开普勒望远目镜组，透镜(6)、透镜(7)、透镜(8)和透镜(9)构成的会聚成像组；
所述各透镜光学参数为：
2.根据权利要求1所述的非制冷大面阵快扫光学系统，其特征在于：所述第一透镜(1)、第二透镜(2)、第三透镜(3)、第四透镜(4)、快速扫描摆镜(5)、第五透镜(6)、第六透镜(7)、第七透镜(8)和第八透镜(9)选取材料为鍺、硒化锌或K9玻璃。
3.根据权利要求1所述的非制冷大面阵快扫光学系统，其特征在于：所述第一透镜(1)、第三透镜(3)、第四透镜(4)、第五透镜(6)、第六透镜(7)和第八透镜(9)选取材料为鍺；所述第二透镜(2)和第七透镜(8)选取材料为硒化锌；所述快速扫描摆镜(5)选取材料为K9玻璃。
4.根据权利要求1所述的非制冷大面阵快扫光学系统，其特征在于：所述探测器(10)的像素数320×256、384×288、640×512、1024×768，像素大小适用于12μm、17μm、25μm的非制冷焦平面探测器，适用波长：8μm～12μm。
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