CN110749985A - 大倍率连续变焦面阵扫描红外光学系统及像移补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大倍率连续变焦面阵扫描红外光学系统及像移补偿方法，从物面到像面依次包括：前固定组、变倍组、补偿组、后固定组、扫描振镜、二次会聚组、转折反射镜、三次成像组、光学窗口、孔径光阑。最大变焦倍率可达20倍，各档焦距下畸变小于1％；扫描振镜处于锁紧状态时，光学系统可工作于凝视跟踪模式；扫描振镜处于往返回扫模式时，光学系统处于周扫搜索模式，通过扫描振镜的回扫可补偿由扫描平台转动带来的曝光时间内的物面移动，保持旋转扫描时成像清晰与稳定。系统采用正组补偿机械变焦以及中间平行光路扫描的形式，实现多档面阵扫描、大倍率连续变焦凝视跟踪。可实用于基于面阵探测器的搜索与跟踪一体的红外系统中。

Description

大倍率连续变焦面阵扫描红外光学系统及像移补偿方法
技术领域
本发明涉及红外探测光学系统，特别的，是涉及到一种大倍率连续变焦面阵扫描的红外光学系统。
背景技术
红外搜索跟踪系统具备目标搜索与目标跟踪两种功能，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。
红外搜索跟踪系统的工作模式为：首先红外系统平台以一定的转速，进行方位360°或者重点区域角度范围内进行扫描成像。在发现目标后，系统切换至跟踪模式。这就要求红外搜索跟踪系统具备连续扫描成像、以及凝视成像的功能。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。
国内外均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。法国HGH红外系统公司研制了高分率广域监视系统。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)
2019年，在发明CN110119022A中，公开了一种两档变焦面阵扫描光学系统，系统可进行大小视场的切换，并在两种状态下进行面阵回摆成像。
由此可见，目前报道的红外面阵扫描光学系统均为定焦距或者两档变焦设计，尚不具备大倍率多档面阵扫描，凝视跟踪连续变焦功能。其360°周扫搜索，以及凝视跟踪时，对目标的分辨率不能连续变化，无法兼顾大视场搜索以及小视场连续跟踪的功能。
发明内容
基于上述问题的存在，本发明提出了大倍率红外连续变焦面阵扫描光学系统。本发明的目的是：提供一种大倍率红外连续变焦面阵扫描光学系统，通过变倍组与补偿组的移动，可实现多档变焦面阵扫描、连续变焦凝视跟踪、-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：一是超大倍率的多档焦距状态下，对扫描振镜回摆带来的轴外像差进行校正，保证扫描振镜在扫描全过程中均能成像清晰；二是超大倍率的多档焦距状态下，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，同时实现大倍率超低畸变多档变焦面阵扫描、连续变焦凝视跟踪、-30℃～+60℃工作温度补偿、不同距离成像的调焦。
系统采用制冷型红外探测器，以实现更好的探测性能。为抑制背景辐射，光学系统孔径光阑与探测器冷光阑100％匹配。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1、补偿组2、变倍组3、后固定组4、扫描振镜5、二次会聚组6、转折反射镜7、三次成像组8、光学窗口9、孔径光阑10、像面11组成。来自物方的成像光束依次经过前固定组1、补偿组2、变倍组3、后固定组4后，变为平行光束，经过扫描振镜5转折后，在经过二次会聚组6、转折反射镜7、三次成像组8、光学窗口9、孔径光阑10后，在像面上成像。
该系统工作波段为3～5μm；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≤20；红外的系统的F数范围在：4.0≤F≤5.5；
所述的变倍组2往物方移动，焦距变短；变倍组2往像方移动，焦距变长。在变倍组2移动过程中，补偿组3对应移动，补偿变焦过程中的像面移动，实现连续变焦。
所述的补偿组3沿光轴方向移动，兼顾变焦像面漂移、不同工作温度下的像面漂移，以及不同物距成像像面漂移补偿功能。可实现连续变焦、-30℃～+60℃范围工作温度，以及成像物距范围10米～无穷远等条件下，像质良好，焦面位置不变。
由前固定组1、变倍组2、补偿组3、后固定组4组成望远系统，来自无穷远的光线，经过前面四组之后，变为平行光出射，其出瞳位于扫描振镜5位置。光学系统入瞳位置位于前固定第一透镜1-1的前表面。所述的孔径光阑10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7与光路夹角为45°，将光路转折90°。
所述的扫描振镜5位于平行光路中；具有两种工作状态：锁紧状态与往返回扫状态；振镜5处于锁紧状态时，与望远镜光轴程45°放置，将光路转折90°，光学系统工作于凝视跟踪模式，凝视时可连续变焦。扫描振镜5处于往返回扫状态时，光学系统工作于周扫搜索模式，像面成像无离焦，光学系统在多档焦距的状态下，均可应用于面阵周扫搜索模式。α为扫描振镜5的有效回摆扫描角度，β为短焦状态下由前固定组1、变倍组2、补偿组3、后固定组4组成望远系统的放大倍率；光学系统周扫转速为ω，面阵探测器积分时间为τ；红外光学系统进行面阵周扫的像移补偿时，振镜补偿角度α应满足：
Figure BDA0002267588010000041
所述的前固定组1由前固定第一透镜1-1、前固定第二透镜1-2组成。前固定第一透镜1-1为弯向像方的正光焦度的弯月型硅透镜。前固定第二透镜1-2均为弯向像方的负光焦度的弯月型非球面锗透镜。
所述的变倍组2为负光焦度的双凹球面硅透镜。
所述的补偿组3由补偿第一透镜3-1、补偿第二透镜3-2组成。补偿第一透镜3-1为弯向像方的正光焦度的弯月型球面硅透镜；补偿第二透镜3-2为弯向像方的正光焦度的弯月型非球面锗透镜；。
所述的后固定组4由后固定第一透镜4-1、后固定第二透镜4-2组成；后固定第一透镜4-1为正光焦度的双凸球面硫化锌透镜、后固定第二透镜4-2为弯向物方的正光焦度的弯月型非球面衍射锗透镜。
所述的二次会聚组6由二次会聚第一透镜6-1、二次会聚第二透镜6-2组成；二次会聚第一透镜6-1为弯向扫描振镜5的负光焦度球面氟化钙透镜；二次会聚第二透镜6-2为弯向转折反射镜7的正光焦度非球面AMTIR1透镜；
所述的三次成像组8由三次成像第一透镜8-1、三次成像第二透镜8-2组成。三次成像第一透镜8-1为弯向转折反射镜7的正光焦度的弯月型球面硅透镜。三次成像第二透镜8-2为弯向像方的正光焦度的弯月型非球面硅透镜。
本发明的红外连续变焦面阵扫描光学系统最大的特点就是：通过变倍组、补偿组的移动以及扫描振镜的往返回扫，实现了多档焦距面阵扫描，以及连续变焦凝视跟踪；保证多档焦距状态扫描过程中全视场范围内图像精确配准，保证成像的清晰与稳定。补偿组的距离前后微调，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、连续变焦、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一体化系统中。
附图说明
图1是大倍率红外连续变焦面阵扫描短焦28mm光学布局图；其中1为前固定组、2为变倍组、3为补偿组、4为后固定组、5为扫描振镜、6为二次会聚组、7为转折反射镜、8为三次成像组、9为光学窗口、10为孔径光阑、11为像面；
图2是大倍率连续变焦面阵扫描红外光学系统焦距60mm布局图；
图3是大倍率连续变焦面阵扫描红外光学系统焦距120mm布局图；
图4是大倍率连续变焦面阵扫描红外光学系统焦距240mm布局图；
图5是大倍率连续变焦面阵扫描红外光学系统焦距360mm布局图；
图6是大倍率连续变焦面阵扫描红外光学系统焦距480mm布局图；
图7是大倍率连续变焦面阵扫描红外光学系统焦距560mm布局图；
图8是焦距28mm光学调制传递函数图；
图9是焦距60mm光学调制传递函数图；
图10是焦距60mm振镜夹角44.35°光学调制传递函数图；
图11是焦距60mm振镜夹角45.65°光学调制传递函数图；
图12是焦距60mm光学畸变图；
图13是焦距120mm光学调制传递函数图；
图14是焦距240mm光学调制传递函数图；
图15是焦距240mm振镜夹角44.35°光学调制传递函数图；
图16是焦距240mm振镜夹角45.65°光学调制传递函数图；
图17是焦距240mm光学畸变图；
图18是焦距360mm光学调制传递函数图；
图19是焦距480mm光学调制传递函数图；
图20是焦距480mm振镜夹角44.35°光学调制传递函数图；
图21是焦距480mm振镜夹角45.65°光学调制传递函数图；
图22是焦距480mm光学畸变图；
图23是焦距560mm光学调制传递函数图；
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、图2、图3、、图4、图5、图6、图7所示，本发明的大倍率连续变焦面阵扫描红外光学系统，从物方到像方依次包括前固定组1、变倍组2、补偿组3、后固定组4、扫描振镜5、二次会聚组6、转折反射镜7、三次成像组8、光学窗口9、孔径光阑10。
下面以一焦距变化范围为28mm～560mm的大倍率连续变焦面阵扫描红外光学系统为实施例，进行说明。本发明的光学系统为20倍大倍率连续变焦面阵扫描光学系统，工作波段为3.0～5.0μm；红外的系统的F数为F/4；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＝28mm，长焦焦距为f2＝560mm，系统的变倍比为：Γ＝f2/f1＝20；对应光学视场覆盖范围由0.98°×0.79°至19.47°×15.63°，在整个变焦范围内，F数恒定为4。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。图1、图2、图3、、图4、图5、图6、图7分别是其在28mm、60mm、120mm、240mm、360mm、480mm、560mm位置的示意图。
在焦距28毫米位置，变倍组2相对前固定第二透镜1-2后表面中心间隔为39.36mm；补偿第二透镜3-2相对后固定第一透镜4-1前表面中心距离为45.93mm；变倍组2后表面与补偿第一透镜3-1前表面中心间隔为118.634mm；
在焦距240毫米位置，变倍组2相对前固定第二透镜1-2后表面中心间隔为138.09mm；补偿第二透镜3-2相对后固定第一透镜4-1前表面中心距离为45.74mm；变倍组2后表面与补偿第一透镜3-1前表面中心间隔为25.09mm；
在焦距560毫米位置，变倍组2相对前固定第二透镜1-2后表面中心间隔为177.44mm；补偿第二透镜3-2相对后固定第一透镜4-1前表面中心距离为18.40mm；变倍组2后表面与补偿第一透镜3-1前表面中心间隔为8.09mm；
系统可在多档焦距状态下，进行面阵扫描工作。例如可选择六档焦距分别为：60mm、120mm、180mm、240mm、360mm、480mm等档位进行面阵扫描。
进一步地，为了矫正色差及大视场像差，本发明在部分镜片表面采用了非球面，或者非球面加衍射面的方式，以便提高像质，减小镜片数目和镜头体积。
进一步地，为了校正系统在多个状态下的像差，系统在后固定第二透镜4-2之中添加衍射面，可以有效消除色差、抵消前面镜组的残余像差。
进一步地，为了提高能量利用效率，本发明在所有透镜的前后表面，都镀有高质量增透膜，以提高系统响应灵敏度和探测距离。
本发明的大倍率连续变焦面阵扫描红外光学系统的显著效果如附图所示，附图中，图8是焦距28mm光学调制传递函数图；图9是焦距60mm光学调制传递函数图；图10是焦距60mm振镜夹角44.35°光学调制传递函数图；图11是焦距60mm振镜夹角45.65°光学调制传递函数图；图12是焦距60mm光学畸变图；图13是焦距120mm光学调制传递函数图；图14是焦距240mm光学调制传递函数图；图15是焦距240mm振镜夹角44.35°光学调制传递函数图；图16是焦距240mm振镜夹角45.65°光学调制传递函数图；图17是焦距240mm光学畸变图；图18是焦距360mm光学调制传递函数图；图19是焦距480mm光学调制传递函数图；图20是焦距480mm振镜夹角44.35°光学调制传递函数图；图21是焦距480mm振镜夹角45.65°光学调制传递函数图；图22是焦距480mm光学畸变图；图23是焦距560mm光学调制传递函数图。
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 (8)

1.一种大倍率连续变焦面阵扫描红外光学系统，包括前固定组(1)、变倍组(2)、补偿组(3)、后固定组(4)、扫描振镜(5)、二次会聚组(6)、转折反射镜(7)、三次成像组(8)、光学窗口(9)、孔径光阑(10)、像面(11)。其特征在于：
来自物方的成像光束依次经过前固定组(1)、变倍组(2)、补偿组(3)、后固定组(4)后，变为平行光束，经过扫描振镜(5)转折后，在经过二次会聚组(6)、转折反射镜(7)、三次成像组(8)、光学窗口(9)、孔径光阑(10)后，在像面上成像；光学系统的变倍比Γ为：1<Γ≤20；光学系统的F数为：4.0≤F≤5.5；
所述的变倍组(2)往物方移动，焦距变短；变倍组(2)往像方移动，焦距变长；在变倍组(2)移动过程中，补偿组(3)对应移动，补偿变焦过程中的像面移动，实现连续变焦；
所述的补偿组(3)沿光轴方向移动，兼顾变焦像面漂移、不同工作温度下的像面漂移，以及不同物距成像像面漂移补偿功能；
由前固定组(1)、变倍组(2)、补偿组(3)、后固定组(4)组成望远系统，来自无穷远的光线，经过前面四组之后，变为平行光出射，其出瞳位于扫描振镜(5)位置。光学系统入瞳位置位于前固定第一透镜(1-1)的前表面；所述的孔径光阑(10)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(7)与光路夹角为45°，将光路转折90°。
2.根据权利要求1所述的一种大倍率连续变焦面阵扫描红外光学系统，其特征在于：所述的前固定组(1)由前固定第一透镜(1-1)、前固定第二透镜(1-2)组成。前固定第一透镜(1-1)为弯向像方的正光焦度的弯月型硅透镜；前固定第二透镜(1-2)均为弯向像方的负光焦度的弯月型非球面锗透镜。
3.根据权利要求1所述的一种大倍率连续变焦面阵扫描红外光学系统，其特征在于：所述的变倍组(2)为负光焦度的双凹球面硅透镜。
4.根据权利要求1所述的一种大倍率连续变焦面阵扫描红外光学系统，其特征在于：所述的补偿组(3)由补偿第一透镜(3-1)、补偿第二透镜(3-2)组成；补偿第一透镜(3-1)为弯向像方的正光焦度的弯月型球面硅透镜；补偿第二透镜(3-2)为弯向像方的正光焦度的弯月型非球面锗透镜。
5.根据权利要求1所述的一种大倍率连续变焦面阵扫描红外光学系统，其特征在于：所述的后固定组(4)由后固定第一透镜(4-1)、后固定第二透镜(4-2)组成；后固定第一透镜(4-1)为正光焦度的双凸球面硫化锌透镜、后固定第二透镜(4-2)为弯向物方的正光焦度的弯月型非球面衍射锗透镜。
6.根据权利要求1所述的一种大倍率连续变焦面阵扫描红外光学系统，其特征在于：所述的二次会聚组(6)由二次会聚第一透镜(6-1)、二次会聚第二透镜(6-2)组成；二次会聚第一透镜(6-1)为弯向扫描振镜(5)的负光焦度球面氟化钙透镜；二次会聚第二透镜(6-2)为弯向转折反射镜(7)的正光焦度非球面AMTIR1透镜。
7.根据权利要求1所述的一种大倍率连续变焦面阵扫描红外光学系统，其特征在于：所述的三次成像组(8)由三次成像第一透镜(8-1)、三次成像第二透镜(8-2)组成；三次成像第一透镜(8-1)为弯向转折反射镜(7)的正光焦度的弯月型球面硅透镜；三次成像第二透镜(8-2)为弯向像方的正光焦度的弯月型非球面硅透镜。
8.一种基于权利要求1所述的一种大倍率连续变焦面阵扫描红外光学系统的像移补偿方法，其特征在于方法如下：
所述的扫描振镜(5)位于平行光路中；具有两种工作状态：锁紧状态与往返回扫状态；振镜(5)处于锁紧状态时，与望远镜光轴程45°放置，将光路转折90°，光学系统工作于凝视跟踪模式，凝视时可连续变焦；扫描振镜(5)处于往返回扫状态时，光学系统工作于周扫搜索模式，像面成像无离焦，光学系统在多档焦距的状态下，均可应用于面阵周扫搜索模式；α为扫描振镜(5)的有效回摆扫描角度，β为短焦状态下由前固定组(1)、变倍组(2)、补偿组(3)、后固定组(4)组成望远系统的放大倍率；光学系统周扫转速为ω，面阵探测器积分时间为τ；红外光学系统进行面阵周扫的像移补偿时，振镜补偿角度α应满足：
Figure FDA0002267584000000031
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