CN110119022B - 一种红外两档变焦面阵扫描光学系统 - Google Patents

一种红外两档变焦面阵扫描光学系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种红外两档变焦面阵扫描光学系统，从物面到像面依次包括：前固定组、变焦组、后固定组、振镜、二次会聚组、转折反射镜、三次成像组、窗口、孔径光阑。通过变焦组沿光轴方向移动，来实现两档变倍。变焦组沿光轴方向的距离微调，同时实现不同工作温度的补偿与不同物距的清晰成像。通过振镜以特定频率进行相应角度范围的往返扫描，可补偿由于扫描平台转动带来的曝光时间内的物面的移动，保持系统在旋转扫描时成像清晰与稳定，没有拖影。系统变焦形式简洁、通过一组光学元件的移动，可实现两档变焦面阵扫描、两档凝视跟踪、‑30℃～+60℃工作温度补偿、不同距离成像的调焦。可实用于中波及长波两档变焦搜索与跟踪一体的红外系统中。

Description

一种红外两档变焦面阵扫描光学系统
技术领域
本发明涉及红外探测光学系统，特别的，是涉及到一种两档变焦面阵扫描的红外光学系统。
背景技术
红外搜索跟踪系统是一种采用被动方式工作的成像探测设备，可完成对目标的搜索、跟踪和定位，具有隐蔽性好、探测范围广、定位精度高、识别伪装能力强以及抗电磁干扰等多种优点，已得到了广泛关注和应用。
第二代红外告警系统是利用红外线列探测器，以1Hz左右的转速扫描成像。告警系统仅具备扫描成像功能，发现目标后，无法对目标进行跟踪。随着搜索与跟踪一体化的应用需求，发展了连续扫描型面阵探测器成像系统。连续扫描型面阵成像系统在积分时间内的扫描，会导致焦平面和景物之间产生相对运动，造成拖尾，使图像变得模糊。通过回摆补偿技术，可实现同时具备红外周扫搜索以及凝视跟踪功能的面阵扫描红外系统。
国外开展了基于面阵探测器的扫描型红外搜索跟踪系统的相关应用研究。在2014年的法国巴黎海军装备展上，HGH红外系统公司推出的高分率广域监视系统-Spynel-X8000。该系统采用反扫补偿型像移补偿方案，采用制冷型中波红外面阵探测器，可以2秒/圈的搜索速率完成方位360°扫描，俯仰视场5°。
2012年西安工业大学针对光电预警探测系统展开研究，采用中波3.7-4.8um的面阵探测器，分辨率320×256。输出图像帧频50HZ，系统焦距90mm，光学系统F数为2。反扫补偿的方式，利用一块有限转角直流力矩电机带动反射镜实现系统对焦平面热像仪凝视补偿功能，消除面阵列器件在周视搜索过程中图像拖尾的现象。(白波.采用焦平面探测器的红外搜索跟踪系统关键技术研究，采用焦平面探测器的红外搜索跟踪系统关键技术研究[D].西安工业大学)
2014年，CN 104539829 A发明中，公开了一种基于红外面阵探测器扫描成像的光机结构，该结构实现了单个红外面阵探测器在360度全方位扫描成像，保证红外图像获取时不因为平台旋转而产生模糊效应，可以充分发挥面阵红外焦平面探测器积分时间长、灵敏度高的特点。
2016年，中国科学院上海技术物理研究所设计了面阵探测器连续扫描成像光学系统，系统焦距73mm，F/2，搭配320×256的探测器。(于洋，王世勇等.面阵探测器连续扫描成像光学系统，红外与激光工程，2016，45(1):0118002-1～0118002-5)
由此可见，目前报道的红外面阵扫描光学系统均为定焦距设计，尚不具备变焦功能。其360°周扫搜索，以及凝视跟踪时，对目标的分辨率不能变化，无法兼顾大视场搜索以及小视场详查的功能。
发明内容
基于上述问题的存在，本发明提出了红外两档变焦面阵扫描光学系统。本发明的目的是：提供一种红外两档变焦面阵扫描光学系统，通过一组光学元件的移动，可实现两档变焦面阵扫描、两档凝视跟踪、-30℃～+60℃工作温度补偿、不同距离成像的调焦。
本发明要解决的技术问题是：一是解决两种焦距状态下，消除振镜回摆带来的像差，保证扫描过程中成像清晰；二是解决两种焦距状态下，减小振镜回摆带来的畸变，保证图像在回摆过程中，全视场范围内的配准，使图像保持稳定。三是提供一种解决方案，通过单组元移动，同时实现两档变焦面阵扫描、两档凝视跟踪、-30℃～+60℃工作温度补偿、不同距离成像的调焦。
为了获得更好的性能，系统采用制冷型红外探测器，光学系统光阑与探测器冷光阑100％匹配。这导致红外变焦光学系统在设计过程中，无法通过调整光阑位置，辅助消除像差，增加了系统的设计难度。同时为了减小光学系统的体积，减小第一片透镜的口径，因此将入瞳设计到第一片透镜的前端面上。进一步的为了减小振镜的尺寸，因此望远系统的出瞳设计到振镜位置。
解决问题的技术方案如图1所示，本发明是通过以下技术方案实现的：用于红外成像的光学系统从物方至像方按顺序由前固定组100、变焦组200、后固定组300、振镜400、二次会聚组500、转折反射镜600、三次成像组700、窗口800、孔径光阑900、像面1000组成。来自物方的成像光束依次经过前固定组100、变焦组200、后固定组300后，变为平行光束，经过振镜400转折后，在经过二次会聚组500、转折反射镜600、三次成像组700、窗口800、孔径光阑900后，在像面上成像。
所述的变焦组200为靠近前固定组100位置，两档变焦光学系统的焦距为短焦；系统焦距为长焦时，变焦组200沿光轴向后固定组300移动。通过变焦组200处于两个位置，可实现光学系统的两档焦距。系统的短焦焦距为f1，长焦焦距为f2，系统的变倍比为：Γ＝f2/f1；系统的变倍比范围为1≤Γ≤3；红外的系统的F数范围在：2.0≤F/#≤5.5；
所述的后固定组300为正透镜。由前固定组100、变焦组200、后固定组300组成望远系统，来自无穷远的光线，经过前面三组之后，变为平行光出射，其出瞳位于振400位置。光学系统入瞳位置位于前固定第一透镜101的前表面。所述的孔径光阑900与系统匹配的红外探测器中冷光阑的位置重合，口径相同。所述的转折反射镜600与光路夹角为45°，将光路转折90°。
所述的变焦组200沿光轴方向移动微调，可补偿光学系统不同工作温度下的焦面漂移，使光学系统处于-30℃～+60℃范围内不同工作温度时，像质良好，焦面位置不变。
所述的变焦组200沿光轴方向移动微调，可实现不同物距的调焦功能，使光学系统清晰成像范围覆盖10米～无穷远。
所述的振镜400位于平行光路中；具有两种工作状态：锁紧状态与往返扫描状态；振镜400处于锁紧状态时，与望远镜光轴程45°放置，将光路转折90°。光学系统应用于凝视跟踪模式，可进行两倍变焦。振镜400处于往返扫描状态时，光学系统应用于周扫搜索模式，通过振镜往返扫描来补偿平台扫描转动带来的曝光时间内的物面的移动，保持图像清晰。光学系统在两档焦距的状态下，均可应用于周扫搜索模式。α1为系统处于短焦状态时，振镜400的有效回摆扫描半角，α2为系统处于长焦状态时振镜400有效回摆扫描半角，α1、α2满足以下公式：
Figure BDA0002063048590000041
Figure BDA0002063048590000042
上式中，τ为探测器积分时间，V1为短焦平台周扫速度、β1为短焦状态下由前固定组100、变焦组200、后固定组300组成望远系统的放大倍率；V2为长焦平台周扫速度、β2为长焦状态下由前固定组100、变焦组200、后固定组300组成望远系统的放大倍率；
所述的前固定组100由前固定第一透镜101、前固定第二透镜102组成。前固定第一透镜101为弯向像方的正光焦度的弯月型硅透镜。前固定第二透镜102均为弯向像方的负光焦度的弯月型非球面锗透镜，其前表面是非球面。
所述的变焦组200由变焦第一透镜201、变焦第二透镜202组成；变焦第一透镜201为弯向物方的负光焦度的弯月型氟化钡透镜、变焦第二透镜202为弯向物方的正光焦度的弯月型非球面锗透镜。
所述的后固定组300为正光焦度非球面衍射AMTIR1透镜；其前表面是非球面衍射面。
所述的二次会聚组500为正光焦度非球面硅透镜，其前表面是非球面；
所述的三次成像组700由三次成像第一透镜701、三次成像第二透镜702、三次成像第三透镜703组成。三次成像第一透镜701为弯向像方的正光焦度的弯月型硅透镜。三次成像第二透镜702为弯向像方的负光焦度的弯月型氟化钙透镜。三次成像第三透镜703为弯向像方的正光焦度的弯月型非球面锗透镜，其后表面是非球面。
本发明的红外两档变焦面阵扫描光学系统最大的特点就是：通过单组元移动，实现了两种焦距，以及振镜回摆不同角度状态下的像差平衡，保证扫描过程中成像清晰；同时两种焦距状态面阵扫描时，可保证全视场范围内的配准，使图像保持稳定。单组元的距离前后微调，同时实现-30℃～+60℃工作温度补偿、不同距离成像的调焦。光学系统具备搜索、跟踪、大小视场切换、宽工作温度范围以及清晰成像的距离范围。主要应用于红外搜索跟踪系统中。
附图说明
图1是红外两档变焦面阵扫描小视场光学系统图；其中100为前固定组、200为变焦组、300为后固定组、400为振镜、500为二次会聚组、600为转折反射镜、700为三次成像组、800为窗口、900为孔径光阑、1000为像面；
图2是红外两档变焦面阵扫描大视场光学系统图；
图3是振镜位于45.0°大视场MTF图；
图4是振镜位于45.0°大视场场曲与畸变图；其中：图(1)为畸变图，图(2)为场曲图；
图5是振镜位于44.35°大视场MTF图；
图6是振镜位于44.35°大视场场曲与畸变图；其中：图(1)为畸变图，图(2)为场曲图；
图7是振镜位于45.65°大视场MTF图；
图8是振镜位于45.65°大视场场曲与畸变图；其中：图(1)为畸变图，图(2)为场曲图；
图9是振镜位于45.0°小视场MTF图；
图10是振镜位于45.0°小视场场曲与畸变图；其中：图(1)为畸变图，图(2)为场曲图；
图11是振镜位于44.35°小视场MTF图；
图12是振镜位于44.35°小视场场曲与畸变图；其中：图(1)为畸变图，图(2)为场曲图；
图13是振镜位于45.65°小视场MTF图；
图14是振镜位于45.65°小视场场曲与畸变图；其中：图(1)为畸变图，图(2)为场曲图；
图15是大视场物距10米变焦组前移2.36mm时MTF图；
图16是小视场物距10米变焦组后移6.4mm时MTF图；
图17是大视场物距-30℃变焦组前移4.7mm时MTF图；
图18是小视场-30℃变焦组后移2.3mm时MTF图；
图19是大视场+60℃变焦组后移4.0mm时MTF图；
图20是小视场+60℃变焦组前移1.9mm时MTF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：
按照附图1的示意图所标示，本发明的红外两档面阵扫描光学系统，变倍比1≤Γ≤3；红外的系统的F数范围在：2.0≤F/#≤5.5；下面以一焦距变化范围为73mm/180mm的红外两档变焦面阵扫描光学系统为实施例，进行说明。
红外两档变焦面阵扫描光学系统搭配制冷型红外探测器，探测器阵列为640×512；像元大小为15μm；焦距系统的短焦焦距为f1＝73mm，长焦焦距为f2＝180mm，系统的变倍比为：Γ＝f2/f1＝2.47；对应光学视场覆盖范围由7.5°×6.0°至3.1°×2.4°，在整个变焦范围内，F数恒定为2。光学系统采用折衍混合的透射式三次成像的结构形式，具有100％冷光阑效率。光学系统体积为300mm×200mm×100mm。图1、图2分别是其在大视场73mm、小视场180mm位置的示意图。
具体光学参数如下表：
红外两档变焦面阵扫描大视场光学参数表
Figure BDA0002063048590000071
Figure BDA0002063048590000081
Figure BDA0002063048590000091
红外两档变焦面阵扫描小视场光学参数表
Figure BDA0002063048590000092
Figure BDA0002063048590000101
Figure BDA0002063048590000111
本发明未经描述的技术特征可以通过现有技术实现，在此不再赘述。上述说明仅为本发明的一个实施示例，并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，例如把镜片材料进行相应的替换，或者同镜组内镜片数目增减，也应属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种红外两档变焦面阵扫描光学系统，包括前固定组(100)、变焦组(200)、后固定组(300)、振镜(400)、二次会聚组(500)、转折反射镜(600)、三次成像组(700)、窗口(800)、孔径光阑(900)、像面(1000)，其特征在于：
所述的前固定组(100)由前固定第一透镜(101)、前固定第二透镜(102)组成，前固定第一透镜(101)为弯向像方的正光焦度的弯月型硅透镜；前固定第二透镜(102)均为弯向像方的负光焦度的弯月型非球面锗透镜，其前表面是非球面；
所述的变焦组(200)由变焦第一透镜(201)、变焦第二透镜(202)组成；变焦第一透镜(201)为弯向物方的负光焦度的弯月型氟化钡透镜、变焦第二透镜(202)为弯向物方的正光焦度的弯月型非球面锗透镜；
所述的后固定组(300)为正光焦度非球面衍射AMTIR1透镜，其前表面是非球面衍射面；
所述的二次会聚组(500)为正光焦度非球面硅透镜，其前表面是非球面；
所述的三次成像组(700)由三次成像第一透镜(701)、三次成像第二透镜(702)、三次成像第三透镜(703)组成；三次成像第一透镜(701)为弯向像方的正光焦度的弯月型硅透镜；三次成像第二透镜(702)为弯向像方的负光焦度的弯月型氟化钙透镜；三次成像第三透镜(703)为弯向像方的正光焦度的弯月型非球面锗透镜，其后表面是非球面；
来自物方的成像光束依次经过前固定组(100)、变焦组(200)、后固定组(300)后，变为平行光束，经过振镜(400)转折后，在经过二次会聚组(500)、转折反射镜(600)、三次成像组(700、)窗口(800)、孔径光阑(900)后，在像面上成像；
所述的变焦组(200)在前固定组(100)与后固定组(300)之间沿光轴移动，靠近前固定组(100)位置时，光学系统的焦距为短焦；靠近后固定组(300)时，系统焦距为长焦，通过变焦组(200)两个位置的移动，实现光学系统的两档焦距；
所述的变焦组(200)沿光轴方向移动微调，实现不同物距的调焦功能，使光学系统清晰成像范围覆盖10米～无穷远；
所述的变焦组(200)沿光轴方向移动微调，补偿光学系统不同工作温度下的焦面漂移，使光学系统处于-30℃～+60℃范围内不同工作温度时，像质良好，焦面位置不变；
系统的短焦焦距为f1，长焦焦距为f2，系统的变倍比为：Γ＝f2/f1；系统的变倍比范围为1≤Γ≤3；红外的系统的F数范围在：2.0≤F/#≤5.5；
所述的后固定组(300)为正透镜，由前固定组(100)、变焦组(200)、后固定组(300)组成望远系统，来自无穷远的光线，经过前面三组之后，以平行光出射，其出瞳位于振镜(400)位置；光学系统入瞳位置位于前固定第一透镜(101)的前表面；
所述的孔径光阑(900)与系统匹配的红外探测器中冷光阑的位置重合，口径相同；
所述的转折反射镜(600)与光路夹角为45°，将光路转折90°；
所述的振镜(400)位于平行光路中；具有两种工作状态：锁紧状态与往返扫描状态；振镜(400)处于锁紧状态时，与望远镜光轴程45°放置，将光路转折90°；光学系统应用于凝视跟踪模式，进行两倍变焦，振镜(400)处于往返扫描状态时，光学系统应用于周扫搜索模式，通过振镜往返扫描来补偿平台扫描转动带来的曝光时间内的物面的移动，保持图像清晰；光学系统在两档焦距的状态下，均可应用于周扫搜索模式；α1为系统处于短焦状态时，振镜(400)的有效回摆扫描半角，α2为系统处于长焦状态时振镜(400)有效回摆扫描半角，α1、α2满足以下公式：
Figure FDA0004172745070000031
Figure FDA0004172745070000032
上式中，τ为探测器积分时间，V1为短焦平台周扫速度、β1为短焦状态下由前固定组(100)、变焦组(200)、后固定组(300)组成望远系统的放大倍率；V2为长焦平台周扫速度、β2为长焦状态下由前固定组(100)、变焦组(200)、后固定组(300)组成望远系统的放大倍率。
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