CN109931817B - 抗激光损伤自适应防护装置和应用该装置的光学探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学系统技术领域，具体涉及一种用于光学探测系统抗激光损伤的自适应防护装置和应用该装置的光学探测系统。该防护装置由分光光栅、防护单元、合束光栅组成。其中分光光栅用于将入射的光线按照波长投射到薄膜防护阵列模块上不同的位置，而防护单元采用一体式分区域设计或分体设计，分为相变单元和反射单元，将探测器工作波段内的光线投射到防护单元的相变单元区域，将探测器工作波段外的光线投射到防护单元的反射单元区域。本发明有利于在工业、遥感等领域中，自适应快速滤除高能量激光，保护光学探测系统不被致盲或损伤，提高设备性能。

Description

抗激光损伤自适应防护装置和应用该装置的光学探测系统

技术领域

本发明涉及光学系统技术领域，具体涉及一种用于光学探测系统抗激光损伤的自适应防护装置和应用该装置的光学探测系统。

背景技术

光学探测系统被广泛应用于工业、遥感等领域，例如红外探测、可见光成像、光电侦查设备、光电告警防护装置、视频监视器等。由于光学探测系统具有一定的聚焦放大功能，而且光学元件、探测器等又是激光易损部件，因此，光学探测系统容易受到高能激光的影响而致盲或损伤。近年来，随着激光定向干扰/致盲/损伤防护装置的快速发展，光学探测系统面临的激光威胁越来越严重。

为了提高光学探测系统的抗激光损伤能力，目前，研究较多的是钒氧化物相变防护材料。典型代表材料为二氧化钒，VO₂薄膜在正常工作时，具有较高的光学透过率，保证探测器能正常工作；当受到激光照射时，薄膜迅速吸热发生半导体金属相变，光学特性由高透过变为低透过，阻止激光通过；待干扰激光消失后，薄膜迅速发生可逆相变，又恢复高透状态，探测器仍能继续工作。VO₂薄膜在激光防护方面具有应用前景，但是采用VO₂薄膜对波段外的高能激光进行防护时探测器无法正常工作，影响系统功能。对于目前典型的激光武器，能发射的高能激光波段有限，多数处于光电探测系统的探测波段之外，因此使用VO₂薄膜等单一防护手段的防护效果有较大的使用局限性。

在现有技术中，一项名称为“一种对抗激光致盲的红外光学系统及其方法”的中国发明专利(授权公告号为CN105865268B)公开了一种抗激光致盲的技术方案，该专利在导弹制导系统中共口径设置了中波成像探测单元和中波激光四象限探测单元，当红外目标辐射强度小于一定阈值时，导弹制导系统使用中波成像探测单元进行探测跟踪，当红外目标辐射强度达到一定阈值时，通过关闭片门组片来保护中波成像探测单元，同时通过一转换逻辑防护装置将中波成像探测单元切换转向到中波激光四象限探测单元，继续为导弹制导系统提供探测数据。由于中波激光四象限探测单元的进光通量远小于中波成像探测单元的进光量，因此当红外目标辐射强度超过中波成像探测单元承受阈值时，中波激光四象限探测单元所接收到的信号强度还处于探测器承受阈值以内，这时切换到中波激光四象限探测单元为导弹制导系统提供探测数据，进而能够达到对抗激光致盲的效果。但该专利的方案不但需要专门对探测器接收的信号强度进行监测的监测装置和探测单元转换的切换装置，还需要两组光学探测系统和两组信号处理系统，方案成本较高；由于中波激光四象限探测器只有四个像元，其工作原理决定了中波激光四象限探测器的目标方位信息测量精度远低于中波面阵成像探测器，当切换到中波激光四象限探测单元时，可能会导致导弹制导系统误差太大；另外，如果入射进中波激光四象限探测单元的信号的强度超过了探测器的阈值，该方案依旧会损坏探测器，防护效果不好。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于光学探测系统抗激光损伤的自适应防护装置以解决目前采用设置两种探测系统并使用片门组件进行切换导致防护装置成本高、即时性差、防护效果不好的问题。同时还提供一种应用该装置的光学探测系统。

本发明为解决上述技术问题，提供方案一：本发明的一种用于光学探测系统抗激光损伤自适应防护装置，该装置包括沿光路方向依次设置的分光光栅、防护单元、合束光栅；该防护单元包括相变单元和反射单元；该相变单元在未相变时能够使光线通过，保证探测器正常工作，当入射光功率或相变单元处温度达到设定阈值时，该相变单元能够发生半导体金属相变，阻止光线通过；该反射单元用于将入射至该单元上的光反射和/或散射出该装置；该分光光栅用于将探测器工作波段内的光线投射到该相变单元上，并将探测器工作波段外的光线投射到该反射单元上；该合束光栅用于将从分光光栅出来的光线合束；该分光光栅和合束光栅为透射式光栅。

本方案使用分光光栅将入射光按波长分光，防护单元分为相变单元和反射单元，使能够受到相变防护的光波段透射至相变单元初，相变单元防护不了的波段直接被反射单元反射和/或散射出去，整个方案结构简单，不需要额外的信号、机械等控制机构，增加了防护装置的可靠性，降低了防护装置的整体成本，并且能够很好地对全波段光信号实现高效地防护。

方案二：在方案一的基础上，该防护单元通过在其基体上设置薄膜构成，该防护单元一体设置于一个基体上，该基体分为相变单元区域和反射单元区域，该相变单元区域设有相变薄膜形成所述相变单元；该反射单元区域设有反射薄膜形成该反射单元；该基体为光学基片。

本方案将防护单元设为一体式结构，通过在光学基片上分区域设置相变薄膜和反射薄膜构成相应的相变单元和反射单元，便于防护单元的生产、组装和固定，进而提高该装置的工作效率。

方案三：在方案一的基础上，该相变单元与反射单元分体设置，该相变单元包括第一基体以及第一基体上的相变薄膜，所述第一基体为光学基片；所述反射单元包括用于反射光线并阻止光线透射的第二基体。

本方案将防护单元设为分体式结构，该装置拥有独立的相变单元和反射单元，方便对现有的相变防护光学探测系统进行改造升级，使现有的光学探测系统在全波段能够实现抗激光损伤自适应防护。

方案四：在方案三的基础上，该第二基体表面具有反射薄膜，或者第二基体的表面为抛光面。

本方案给出了两种最优的反射单元方案，在保证发射性能的同时，还能够方便生产。

方案五：在方案一、二、三或四的基础上，该反射单元位于相变单元的周围。

本方案给出了一种相变单元和反射单元之间最优的相对位置排布方案，进一步提高该装置的防护能力，并降低该装置中分光光栅制作难度和制作成本。

方案六：在方案二、三或四的基础上，该相变薄膜呈阵列排布，其阵列图案设计与所述分光光栅的分光设计结构匹配一致。

本方案给出了一种最优的相变单元方案，本方案中使用相变薄膜阵列，能够更好地贴合分光光束，提高正常情况下探测器的成像能力和相变情况下相变单元的防护能力。

方案七：在方案六的基础上，该合束光栅由与所述分光光栅相同结构类型的光栅反向180°放置构成，用于与所述分光光栅构成逆光路。

本方案提供了一种最优的合束光栅，只需将和分光光栅相同结构相同类型(可以不要求大小相同)的光栅反向放置，就可以满足该装置对合束光栅的要求，整个方案操作简单，在保证防护能力和成像能力的同时，降低了装置制作难度和制作成本。

方案八：在方案七的基础上，该装置还包括用于安装和固定分光光栅、防护单元和合束光栅的结构框架。

本发明还保护一种光学探测系统，该系统中除了一般的光学镜组和探测器外，还包括上述方案一至八所述的抗激光损伤自适应防护装置，该装置位于探测器前方，用于保护探测器。

附图说明

图1是本发明防护装置实施例一的结构示意图；

其中，1为分光光栅，2为薄膜防护阵列，3为光学基片，4为合束光栅，5为结构框架。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例一：

一种抗激光损伤的自适应防护结构，包括分光光栅1、薄膜防护阵列2、光学基片3、合束光栅4、结构框架5五部分。分光光栅1、防护单元2、合束光栅4三者的阵列对应，防护单元2具体为薄膜防护阵列，采用分区域设计原理，不同区域选用不同的材料镀制在光学基片3的上表面，分光光栅1与合束光栅4互为逆光路，分光光栅1、光学基片3、合束光栅4等元件按照特定的相互间距固定并安装在结构框架5里面。薄膜防护阵列与光学基片共同构成一体化的防护单元。

分光光栅1为透射式光栅分光，根据工作波段进行设计，工作波段可以设计在0.38μm～0.78μm、1μm～2μm、3μm～5μm等波段，光学分辨率不大于0.1μm。分光光栅1能够将入射的光线按照波长投射到不同的空间位置，其中探测器工作波段内的光线投射到薄膜防护阵列2的相变薄膜区域，探测器工作波段外的光线投射到薄膜防护阵列2的高反射膜区域。

薄膜防护阵列2采用分区域设计原理，中心区域为相变薄膜，周边区域为反射薄膜，优选为具有良好反射光线性能的高反射膜，不同区域选用不同的材料，图案设计与分光光栅1的分光设计结构匹配一致。相变薄膜区域选用透光性好、性能稳定、相变时间在皮秒以下的材料，可以采用一氧化钒、二氧化钒、五氧化二钒等光学相变类材料，薄膜厚度兼顾相变前的高透光率和相变后的低透光率特性，使相变前后的透光率之比最大。高反射膜区域选用金属、石墨等高反光型材料，利用材料对光的高反射和散射特性，使入射的高能量激光被反射、散射出去。相变薄膜和高反射膜通过溅射、化学气相沉积等工艺方法镀制在光学基片3上，然后通过刻蚀工艺在基体上形成阵列图形。相变薄膜区域即为相变单元，反射薄膜区域即为反射单元。

光学基片3为在工作波段有较高透光率的光学材料，如氟化镁、Ge、石英、蓝宝石等光学材料，厚度尽量薄，以减少光学基片因折射、散射对光线造成的影响。

合束光栅4与分光光栅1相同，但反向180°使用，形成逆光路。能够将从分光光栅1出来的光线恢复到入射前的光线方向。

结构框架5用于分光光栅1、光学基片3、合束光栅4等元件的安装和固定。

下面结合具体的设计指标给出更详细的实施例一方案：

一种抗激光损伤的自适应防护结构，采用光栅通用制作工艺，设计制作3μm～5μm波段的平面透射光栅，分辨率不大于0.1μm，光栅槽密度150lp/mm，尺寸为φ20mm，中心有效区域为φ12mm，周围距边缘1mm为装配胶接区域，形成分光光栅1。

光学基片3选择蓝宝石片，尺寸为φ20mm，通过光学抛光，制作成厚度0.2mm的光学基片3。

防护单元2具体为薄膜防护阵列，其中心区域采用VO₂材料作为相变薄膜，采用等离子溅射工艺在光学基片3上沉积0.1μm厚的VO₂薄膜，图形宽度与光栅对应。周边区域采用金属铝为高反射材料直接镀制在光学基片3上。

合束光栅4的制作参数与分光光栅1相同，反向180°放置。

分光光栅1、光学基片3、合束光栅4的相互间距根据设计参数计算得到，其四周边缘通过环氧胶粘接固定在结构框架5上。至此形成3μm～5μm波段的抗激光损伤的自适应防护结构。

在上述实施例中，防护单元将相变单元设置在中心区域，将反射单元设置在周边区域，仅为一种最优实施例，实际应用时可以根据分光光栅的分光能力以及具体探测器的成像波段对相变单元和反射单元的位置进行相应的设置。

在上述实施例中，防护单元采用了薄膜防护阵列，在实际应用中为降低成本或当应用场景要求不高时也可以不采用阵列排布的方式设置防护单元。

在上述实施例中，分光光栅、防护单元、合束光栅是通过结构框架进行安装和固定，也可以采用系统原有的结构对其进行固定，或采用框架结合原有结构相结合的方式对其进行固定。

实施例二：

本实施例与实施例一区别仅在于，将实施例一中的一体化的防护单元替换为分体式设计，这样该防护单元就拥有独立的相变单元和反射单元。技术人员可以根据需要，为已有相变单元的光学探测系统配备相应的反射单元，完成对现有的只含有相变单元的光学探测系统进行改造升级，使现有的光学探测系统在全波段实现抗激光损伤自适应防护。

上述两实施例中，反射单元是通过在光学基片上镀制高反膜制成，如果某些基体本身的表面通过加工处理就具备反射和/或散射光线并阻止光线透过的性能，比如表面为抛光面，该基体也可以用来作为反射单元。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种用于光学探测系统的抗激光损伤自适应防护装置，其特征在于：该装置包括沿光路方向依次设置的分光光栅、防护单元、合束光栅；所述防护单元包括相变单元和反射单元；所述相变单元在未相变时能够使光线通过，保证探测器正常工作，当入射光功率或相变单元处温度达到设定阈值时，所述相变单元能够发生半导体金属相变，阻止光线通过；所述反射单元用于将入射至该单元上的光反射和/或散射出该装置；所述分光光栅用于将探测器工作波段内的光线投射到所述相变单元上，并将探测器工作波段外的光线投射到所述反射单元上；所述合束光栅用于将从分光光栅出来且通过相变单元的光线合束；所述分光光栅和合束光栅为透射式光栅。

2.根据权利要求1所述的抗激光损伤自适应防护装置，其特征在于：所述防护单元一体设置于一个基体上，所述基体分为相变单元区域和反射单元区域，所述相变单元区域设有相变薄膜形成所述相变单元；所述反射单元区域设有反射薄膜形成所述反射单元；所述基体为光学基片。

3.根据权利要求1所述的抗激光损伤自适应防护装置，其特征在于：所述相变单元与反射单元分体设置，所述相变单元包括第一基体以及第一基体上的相变薄膜，所述第一基体为光学基片；所述反射单元包括用于反射光线并阻止光线透射的第二基体。

4.根据权利要求3所述的抗激光损伤自适应防护装置，其特征在于：所述第二基体表面具有反射薄膜，或者第二基体的表面为抛光面。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的抗激光损伤自适应防护装置，其特征在于：所述反射单元位于相变单元的周围。

6.根据权利要求2、3或4所述的抗激光损伤自适应防护装置，其特征在于：所述相变薄膜呈阵列排布，其阵列图案设计与所述分光光栅的分光设计结构匹配一致。

7.根据权利要求6所述的抗激光损伤自适应防护装置，其特征在于：所述合束光栅由与所述分光光栅相同结构类型的光栅反向180°放置构成，用于与所述分光光栅构成逆光路。

8.根据权利要求7所述的抗激光损伤自适应防护装置，其特征在于：该装置还包括用于安装和固定所述分光光栅、防护单元和合束光栅的结构框架。

9.一种应用如权利要求1-8任一所述的抗激光损伤自适应防护装置的光学探测系统，包括光学镜组和探测器，其特征在于：该防护装置位于探测器前方，用于保护探测器。

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