CN110850592B - 一种具有扫描功能的激光电视红外三波段光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有扫描功能的激光电视红外三波段光学系统，包括共孔径望远系统、激光望远系统、快速扫描反射镜、变倍反射镜、激光分光镜、快速扫描反射镜、红外分光镜、电视分光镜等组成。通过变倍反射镜和激光分光镜的移动隔离共孔径望远系统和激光望远系统切换到大视场工作。激光光束、电视光束和红外光束共用快速扫描反射镜，利用快速扫描反射镜法线方向的二维运动，实现电视光轴、激光光轴和红外光轴的微量调节。激光望远系统和共孔径望远系统的放大倍率保持一致，实现光学二级稳定与视轴回扫功能，适应外界转台高频振动或快速运动下的凝视成像。

Description

一种具有扫描功能的激光电视红外三波段光学系统
技术领域
本发明属于光学设计领域，涉及一种具有扫描功能的激光电视红外三波段光学系统，尤其涉及多光谱集成系统，用于激光电视红外三波段光轴的微量调节，能够实现光学二级稳定和视轴回扫功能，适应外界转台高频振动或快速运动下的凝视成像。
背景技术
现代光电观瞄设备通常包含红外热像仪、电视摄像机和激光测照器等，在军事打击、火力控制和侦察预警等领域具有广泛的应用，提高多光谱集成性和产品稳定精度是两个重要的发展趋势。
在光谱集成性方面，发表于期刊索引Proc.of SPIE Vol.6940 69400S-1题为Third Generation Infrared Optics的文章公开了一种电视和红外双光束集成的装置，共用前端离轴三反望远系统，通过视场切换反射镜隔离前端离轴三反望远系统实现大小视场切换。此装置前端离轴三反望远系统存在实像点，无法集成激光；且无光轴控制环节，无法采用光学二级稳定提高产品稳定精度。
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，本发明提出一种具有扫描功能的激光电视红外三波段光学系统，有大视场和小视场两种工作状态，用于激光电视红外三波段的集成和光轴调节，从而实现光学二级稳定和视轴回扫功能，适应外界转台高频振动或快速运动下的凝视成像。
技术方案
一种具有扫描功能的激光电视红外三波段光学系统，其特征在于三波段为电视、激光和红外，固定结构包括共孔径光窗3、变倍反射镜4、共孔径望远系统5、激光光窗7、激光望远系统8、激光分光镜9、快速扫描反射镜10、红外分光镜11和电视分光镜12；运动组件包括变倍反射镜4和激光分光镜9；光路依次为共孔径光窗3和抛物面主镜51，抛物面主镜51的反射光路上设有抛物面主镜51，主镜51的反射光路上设有二次曲面次镜52，次镜52的反射光路上设有折转镜53，折转镜53的反射光路上设有抛物面三镜55，三镜55的反射光路上设有运动组件变倍反射镜4和激光分光镜9，以及快速扫描反射镜10，反射镜10的反射光路上设有红外分光镜11，透过红外信号，其反射光路上设有电视分光镜12；分光镜12透过激光信号，反射电视信号；
当激光分光镜9移出时，构成三波段共轴大视场：包括共孔径光窗3、变倍反射镜4、快速扫描反射镜10、红外分光镜11和电视分光镜12；三波段经过共孔径光窗3，经过变倍反射镜4反射至快速扫描反射镜10，经过反射镜10后反射至红外分光镜11，红外信号透射后的信号反射至电视分光镜12，激光信号透射，电视信号反射输出；
当变倍反射镜4移出时，构成电视与红外共轴小视场时，激光为小束散角：包括共孔径光窗3、共孔径望远系统5、激光光窗7、激光望远系统8、激光分光镜9、快速扫描反射镜10、红外分光镜11和电视分光镜12；电视和红外光束通过共孔径光窗3和共孔径望远系统5至激光分光镜9；激光光束通过激光光窗7和激光望远系统8口径压缩出射平行光至激光分光镜9；经激光分光镜9合束后至快速扫描反射镜10；经过反射镜10后反射至红外分光镜11，红外信号透射后的信号反射至电视分光镜12，激光信号透射，电视信号反射输出。
所述小视场时，快速扫描反射镜10法线的运动角度δ和光轴变化的关系为θ＝2δ/β，β为共孔径望远系统5和激光望远系统8相同的放大倍率。
所述大视场时，快速扫描反射镜10法线的运动角度δ和光轴变化的关系为θ＝2δ。
所述共孔径望远系统5的主镜51、次镜52、折转镜53和三镜55的镜片基底材料均为微晶玻璃，结构材料为铟瓦合金。
所述激光望远系统8的物镜181、物镜282和目镜83镜片采用玻璃。
所述玻璃包括但不限于K9、ZF6或HZF62玻璃材料。
所述电视工作波段0.4-0.9μm。
所述激光工作波段1.064μm。
所述红外工作波段：3μm-5μm或8μm-12μm。
有益效果
本发明提出的一种具有扫描功能的激光电视红外三波段光学系统，包括共孔径望远系统、激光望远系统、快速扫描反射镜、变倍反射镜、激光分光镜、快速扫描反射镜、红外分光镜、电视分光镜等组成。通过变倍反射镜和激光分光镜的移动隔离共孔径望远系统和激光望远系统切换到大视场工作。激光光束、电视光束和红外光束共用快速扫描反射镜，利用快速扫描反射镜法线方向的二维运动，实现电视光轴、激光光轴和红外光轴的微量调节。激光望远系统和共孔径望远系统的放大倍率保持一致，实现光学二级稳定与视轴回扫功能，适应外界转台高频振动或快速运动下的凝视成像。
本发明属于光学设计领域，适用于激光电视红外三波段光轴的微量调节，能够实现大小双视场的光学二级稳定和视轴回扫功能。
大小视场包括激光束散角的切换，可通过变倍反射镜4和激光分光镜9的切入切出实现；大视场时变倍反射镜4位于主光路，激光分光镜9切出主光路，三波段光束共用共孔径光窗3；小视场时变倍反射镜4切出主光路，激光分光镜9位于主光路，电视红外光束共用共孔径光窗3，激光光束使用激光光窗7。
快速扫描反射镜10法线的二维运动，可实现小视场电视红外光轴1和激光光轴6的微量调节，也可实现大视场光轴2的微量调节。
共孔径望远系统5和激光望远系统8采用相同的放大倍率。
激光电视红外光轴与快速扫描反射镜10法线方向角度线性相关，配合电控可实现光学二级稳定和快速扫描补偿，适应外界转台高频振动或快速运动下的凝视成像。
共孔径光窗3同时透射电视、红外、激光三个波段；激光光窗7透射激光波段；激光分光镜9反射激光波段，同时透射电视红外波段；红外分光镜11同时反射激光、电视波段，透射红外波段电视分光镜12反射电视波段，透射激光波段。
红外热像仪13和电视摄像机14为光瞳外置的二次成像系统。
激光测照器15为接收发射共孔径的光学系统。
附图说明
图1是本发明双视场切换示意图
图2是本发明小视场工作状态示意图
图3是本发明大视场工作状态示意图
图4是共孔径望远系统5光线追迹图
图5是激光望远系统8光线追迹图
图6是小视场激光光轴扫描示意图
图7是小视场电视红外光轴扫描示意图
图8是大视场激光电视红外三波段光轴扫描示意图
1-小视场电视、红外光轴，3-共孔径光窗，4-变倍反射镜，5-共孔径望远系统，51-主镜，52-次镜，53-折转镜，54-一次像点，55-三镜，6-激光光轴，7-，8-激光望远系统，81-第一物镜，82-第二物镜，83-目镜，84-出瞳处，9-激光分光镜，10-快速扫描反射镜，11-红外分光镜，12-电视分光镜，13-红外热像仪，14-电视摄像机，15-激光测照器。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
具有扫描功能的激光电视红外三波段光学系统，其特征在于：包括共孔径光窗3、变倍反射镜4、共孔径望远系统5、激光光窗7、激光望远系统8、激光分光镜9、快速扫描反射镜10、红外分光镜11、电视分光镜12、红外热像仪13、电视摄像机14、激光测照器15；其中，所述变倍反射镜4和所述激光分光镜9为运动组件，小视场时变倍反射镜4切出主光路，激光分光镜9位于主光路，电视红外光束通过所述共孔径光窗3，激光光束通过所述激光光窗7，再由所述共孔径望远系统5和激光望远系统8口径压缩出射平行光，经激光分光镜9合束后经快速扫描反射镜10反射；大视场时变倍反射镜4位于主光路，激光分光镜9切出主光路，共孔径望远系统和激光望远系统被隔离出工作光路，三波段光束均通过共孔径光窗3入射，由变倍反射镜4折转后经快速扫描反射镜10反射；快速扫描反射镜10反射后的光束由红外分光镜11和电视分光镜12后分别进入红外热像仪13、电视摄像机14和激光测照器15。
电视工作波段0.4-0.9μm，激光工作波段1.064μm，红外工作波段：3μm-5μm或8μm-12μm。
变倍反射镜4和激光分光镜9为运动组件，实现激光电视红外三波段光学系统大小视场的切换。小视场时变倍反射镜4切出主光路，激光分光镜9位于主光路，电视红外光束通过共孔径光窗3，激光光束通过激光光窗7，再由共孔径望远系统5和激光望远系统8口径压缩出射平行光，经激光分光镜9合束后经快速扫描反射镜10反射。
大视场时变倍反射镜4位于主光路，激光分光镜9切出主光路，三波段光束均通过共孔径光窗3入射，由变倍反射镜4折转后经快速扫描反射镜10反射。
共孔径望远系统5包括主镜51、次镜52、折转镜53、一次像点54和三镜55。其中主镜51和三镜54为抛物面，次镜52为二次曲面，折转镜53为平面反射镜，离轴方式为光阑离轴。一次像点54对轴上点成完善像，用于辅助装调。共孔径望远系统5的出瞳56处，设置理想透镜，用于辅助设计。所有镜片基底材料均为微晶玻璃，结构材料为铟瓦合金，微晶玻璃和铟瓦合金热膨胀系数较小且匹配，保证系统有较宽的工作温度，可达-40度到+60度。
激光望远系统8包括第一物镜81、第二物镜82和目镜83，第一物镜81和第二物镜82构成物镜组。出瞳84处，设置理想透镜，用于辅助设计。
小视场时，快速扫描反射镜10法线方向的二维运动，可实现小视场电视红外光轴1和激光光轴6的微量调节。共孔径望远系统5和激光望远系统8采用相同的放大倍率，均为β，保证电视红外光轴1和激光光轴6变化的一致性。快速扫描反射镜10法线的运动角度δ和光轴变化的关系为θ＝2δ/β。
大视场时，快速扫描反射镜10法线的二维运动，可实现大视场光轴2的微量调节。因变倍反射镜4切入隔离了共孔径望远系统5，激光分光镜9切出隔离了激光望远系统8，快速扫描反射镜10法线的运动角度δ和光轴变化的关系为θ＝2δ。
共孔径光窗3透射电视、红外、激光三个波段，透过率要求三波段均大于90％。激光光窗7在激光波段的透过率大于98％。
激光分光镜9反射激光波段，透射电视红外波段。红外分光镜11反射激光、电视波段，透射红外波段。电视分光镜12反射电视波段，透射激光波段。
红外热像仪13和电视摄像机14为光瞳外置的二次成像系统，实现红外100％冷光阑效率和电视光瞳匹配。激光测照器15为接收发射共孔径的光学系统。
参阅图1至图3
具有扫描功能的激光电视红外三波段光学系统，包括共孔径光窗3、变倍反射镜4、共孔径望远系统5、激光光窗7、激光望远系统8、激光分光镜9、快速扫描反射镜10、红外分光镜11、电视分光镜12、红外热像仪13、电视摄像机14、激光测照器15。其中，变倍反射镜4和激光分光镜9为运动组件，实现激光电视红外三波段光学系统大小视场的切换。小视场时变倍反射镜4切出主光路，激光分光镜9位于主光路，电视红外光束通过共孔径光窗3，激光光束通过激光光窗7，再由共孔径望远系统5和激光望远系统8口径压缩出射平行光，经激光分光镜9合束后经快速扫描反射镜10反射。大视场时变倍反射镜4位于主光路，激光分光镜9切出主光路，三波段光束均通过共孔径光窗3入射，由变倍反射镜4折转后经快速扫描反射镜10反射。快速扫描反射镜10反射后的光束由红外分光镜11和电视分光镜12后分别进入红外热像仪13、电视摄像机14和激光测照器15。
如图4所示，共孔径望远系统5包括主镜51、次镜52、折转镜53、一次像点54和三镜55。其中主镜51和三镜54为抛物面，次镜52为二次曲面，折转镜53为平面反射镜，离轴方式为光阑离轴。一次像点54对轴上点成完善像，用于辅助装调。因本系统为无焦系统，共孔径望远系统5的出瞳56处，设置理想透镜，用于辅助设计。所有镜片基底材料均为微晶玻璃，结构材料为铟瓦合金，微晶玻璃和铟瓦合金热膨胀系数较小且匹配，保证系统有较宽的工作温度，可达-40度到+60度。
如图5所示，激光望远系统8包括第一物镜81、第二物镜82和目镜83，第一物镜81和第二物镜82构成物镜组，三个镜片的材料采用常见的玻璃，如K9、ZF6和HZF62等玻璃材料。出瞳84处，设置理想透镜，用于辅助设计。
参阅图6和图7。小视场时，快速扫描反射镜10法线方向的二维运动，可实现小视场电视红外光轴1和激光光轴6的微量调节。共孔径望远系统5和激光望远系统8采用相同的放大倍率，均为β，保证电视红外光轴1和激光光轴6变化的一致性。快速扫描反射镜10法线的运动角度δ和光轴变化的关系为θ＝2δ/β。
阅图8。大视场时，快速扫描反射镜10法线的二维运动，可实现大视场光轴2的微量调节。因变倍反射镜4切入隔离了共孔径望远系统5，激光分光镜9切出隔离了激光望远系统8，快速扫描反射镜10法线的运动角度δ和光轴变化的关系为θ＝2δ。
激光电视红外光轴与快速扫描反射镜10法线方向角度线性相关，配合电控可实现光学二级稳定和快速扫描补偿，适应外界转台高频振动或快速运动下的凝视成像。小视场时，如图5和6所示，若转台方位运动角度为2δ/β，只需快速扫描反射镜10法线方向移动角度δ，光轴变化θ＝2δ/β，可实现视轴的稳定和对目标的凝视。大视场时，如图7所示，若转台方位运动角度为2δ，只需快速扫描反射镜10法线方向移动角度δ，光轴变化θ＝2δ，可实现视轴的稳定和对目标的凝视。
红外热像仪13和电视摄像机14为光瞳外置的二次成像系统，实现红外100％冷光阑效率和电视光瞳匹配。激光测照器15为接收发射共孔径的光学系统。
本发明所述波段分布如下：
电视：0.4-0.9μm；
激光：1.064μm；
红外：3μm-5μm或8μm-12μm。
共孔径光窗3透射电视、红外、激光三个波段，透过率要求三波段均大于90％。激光光窗7在激光波段的透过率大于98％。所有三波段反射镜均要求镀金属膜，反射率大于97％。
激光分光镜9对激光波段反射率大于98％，对电视红外波段透过率大于96％。红外分光镜11对激光、电视波段反射率大于97％，对红外波段透过率大于96％。电视分光镜12对电视波段反射率大于97％，对激光波段透过率大于98％。

Claims (7)

1.一种具有扫描功能的激光电视红外三波段光学系统，其特征在于三波段为电视、激光和红外，固定结构包括共孔径光窗(3)、变倍反射镜(4)、共孔径望远系统(5)、激光光窗(7)、激光望远系统(8)、激光分光镜(9)、快速扫描反射镜(10)、红外分光镜(11)和电视分光镜(12)；运动组件包括变倍反射镜(4)和激光分光镜(9)；光路依次为共孔径光窗(3)和抛物面主镜(51)，抛物面主镜(51)的反射光路上设有二次曲面次镜(52)，二次曲面次镜(52)的反射光路上设有折转镜(53)，折转镜(53)的反射光路上设有抛物面三镜(55)，抛物面三镜(55)的反射光路上设有运动组件变倍反射镜(4)和激光分光镜(9)，以及快速扫描反射镜(10)，快速扫描反射镜(10)的反射光路上设有红外分光镜(11)，透过红外信号，其反射光路上设有电视分光镜(12)；电视分光镜(12)透过激光信号，反射电视信号；
当激光分光镜(9)移出时，构成三波段共轴大视场：包括共孔径光窗(3)、变倍反射镜(4)、快速扫描反射镜(10)、红外分光镜(11)和电视分光镜(12)；三波段经过共孔径光窗(3)，经过变倍反射镜(4)反射至快速扫描反射镜(10)，经过快速扫描反射镜(10)后反射至红外分光镜(11)，红外信号透射后的信号反射至电视分光镜(12)，激光信号透射，电视信号反射输出；
当变倍反射镜(4)移出时，构成电视与红外共轴小视场，激光为小束散角：包括共孔径光窗(3)、共孔径望远系统(5)、激光光窗(7)、激光望远系统(8)、激光分光镜(9)、快速扫描反射镜(10)、红外分光镜(11)和电视分光镜(12)；电视和红外光束通过共孔径光窗(3)和共孔径望远系统(5)至激光分光镜(9)；激光光束通过激光光窗(7)和激光望远系统(8)口径压缩出射平行光至激光分光镜(9)；经激光分光镜(9)合束后至快速扫描反射镜(10)；经过快速扫描反射镜(10)后反射至红外分光镜(11)，红外信号透射后的信号反射至电视分光镜(12)，激光信号透射，电视信号反射输出；
所述小视场时，快速扫描反射镜(10)法线的运动角度δ和光轴变化的关系为θ＝2δ/β，β为共孔径望远系统(5)和激光望远系统(8)相同的放大倍率；
所述大视场时，快速扫描反射镜(10)法线的运动角度δ和光轴变化的关系为θ＝2δ。
2.根据权利要求1所述具有扫描功能的激光电视红外三波段光学系统，其特征在于：所述共孔径望远系统(5)的抛物面主镜(51)、二次曲面次镜(52)、折转镜(53)和抛物面三镜(55)的镜片基底材料均为微晶玻璃，结构材料为铟瓦合金。
3.根据权利要求1所述具有扫描功能的激光电视红外三波段光学系统，其特征在于：所述激光望远系统(8)的物镜1(81)、物镜2(82)和目镜(83)镜片采用玻璃。
4.根据权利要求3所述具有扫描功能的激光电视红外三波段光学系统，其特征在于：所述玻璃包括但不限于K9、ZF6或HZF62玻璃材料。
5.根据权利要求1所述具有扫描功能的激光电视红外三波段光学系统，其特征在于：所述电视工作波段0.4-0.9μm。
6.根据权利要求1所述具有扫描功能的激光电视红外三波段光学系统，其特征在于：所述激光工作波段1.064μm。
7.根据权利要求1所述具有扫描功能的激光电视红外三波段光学系统，其特征在于：所述红外工作波段：3μm-5μm或8μm-12μm。
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