CN111338075B - 一种主动激光红外复合同轴共孔径成像光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种主动激光红外复合同轴共孔径成像光学系统，包括：主次镜组、滚转镜组、偏置镜组、激光镜组和红外镜组；其中，所述主次镜组包括激光红外共用光学头罩、激光红外共用次镜、第一激光红外共用校正透镜、第二激光红外共用校正透镜和激光红外共用主反射镜；所述滚转镜组包括第一转折反射镜、校正透镜、L形平晶和校正透镜。本发明采用主动激光红外复合成像方式，既可充分发挥红外成像导引作用距离远、视场大、灵敏度及分辨率高的优势；又可结合激光主动成像获得目标反射激光回波强度及距离信息，有效降低虚警率的同时，大幅提高导引头抗干扰能力和隐身/弱小目标的探测能力。
Description
技术领域
本发明属于红外成像、激光扫描成像双模复合光学系统技术领域，尤其涉及一种主动激光红外复合同轴共孔径成像光学系统。
背景技术
现有的成像光学系统为红外光学系统和主动激光光学系统两个系统单独存在，相互之间没有联系，难以满足导引头空间结构紧凑和轻小型化要求，并且存在虚警率高和导引头抗干扰能力和隐身/弱小目标的探测能力不足的问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种主动激光红外复合同轴共孔径成像光学系统，采用主动激光红外复合成像方式，既可充分发挥红外成像导引作用距离远、视场大、灵敏度及分辨率高的优势；又可结合激光主动成像获得目标反射激光回波强度及距离信息，有效降低虚警率的同时，大幅提高导引头抗干扰能力和隐身/弱小目标的探测能力。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种主动激光红外复合同轴共孔径成像光学系统，包括：主次镜组、滚转镜组、偏置镜组、激光镜组和红外镜组；其中，所述主次镜组包括激光红外共用光学头罩、激光红外共用次镜、第一激光红外共用校正透镜、第二激光红外共用校正透镜和激光红外共用主反射镜；激光红外共用次镜中间开孔，外围反射接收的激光和红外光束，中间孔处用于直接出射激光；所述滚转镜组包括第一转折反射镜、校正透镜、L形平晶和校正透镜；所述偏置镜组包括第二转折反射镜和第三转折反射镜；所述红外镜组包括第一红外透镜、第二红外透镜和红外探测器光敏面；所述激光镜组包括第一激光透镜、第二激光透镜、第三激光透镜、前光楔透镜、后光楔透镜、第四转折反射镜、第四激光透镜、主动激光发射端口、激光聚焦镜和激光探测器光敏面；第四转折反射镜中间开孔，外围反射接收的激光光束以汇聚到激光聚焦镜，中间孔处用于直接出射发射的激光束；其中，激光红外共用光学头罩实现对远目标的一级光焦度调制和后端组件的防护，激光红外共用主反射镜对激光和中波红外光线进行180°转角反射，激光红外共用次镜对180°转角反射后的激光和中波红外光线进行一次像质校正得到一次像质校正后的光线，第一激光红外共用校正透镜和第二激光红外共用校正透镜对一次像质校正后的光线进行二次成像转折校正得到二次成像校正后的光线,第一转折反射镜、校正透镜和L形平晶实现对二次成像校正后的光线进行滚仰转折得到滚仰转折后的光线，校正透镜对滚仰转折后的光线进行调制球差后得到调制球差后的光线，第二转折反射镜对调制球差后的光线进行分束得到调制球差后的激光和调制球差后的中波红外光线，第三转折反射镜对所入射的调制球差后的激光进行转折，第一红外透镜和第二红外透镜对入射的调制球差后的中波红外光线进行畸变和慧差校正后成像在红外探测器光敏面；第一激光透镜、第二激光透镜和第三激光透镜对转折后的调制球差后的激光进行准直、扩束和球差校正得到校正后的激光；前光楔透镜和后光楔透镜对校正后的激光进行扫描，一部分扫描后的激光穿过第四转折反射镜的中心后到达第四激光透镜，第四激光透镜对该部分扫描后的激光进行准直并通过主动激光发射端口发射出去；另一部分扫描后的激光通过第四转折反射镜转折到激光聚焦镜，激光聚焦镜对转折的该部分扫描后的激光进行聚焦成像到激光探测器光敏面。
上述主动激光红外复合同轴共孔径成像光学系统中，所述主次镜组、所述滚转镜组、所述偏置镜组和所述红外镜组构成所述主动激光红外复合同轴共孔径成像光学系统的红外接收通道，所述红外接收通道的视场为θ×θ，红外探测器光敏面的横向尺寸为L,则红外接收通道的有效焦距为
上述主动激光红外复合同轴共孔径成像光学系统中，所述主次镜组、所述滚转镜组、所述偏置镜组和所述激光镜组构成所述主动激光红外复合同轴共孔径成像光学系统的激光通道，所述激光通道的视场为θ'×θ'，激光探测器光敏面的横向尺寸为L’,则红外接收通道的有效焦距为
上述主动激光红外复合同轴共孔径成像光学系统中，所述红外接收通道的光学口径为Φ100.8mm，焦距为146.13mm，相对孔径为1.45。
上述主动激光红外复合同轴共孔径成像光学系统中，所述激光通道的光学口径为Φ101.72mm，焦距为143.9mm，相对孔径为1.42。
上述主动激光红外复合同轴共孔径成像光学系统中，所述激光红外共用次镜为平面反射镜。
上述主动激光红外复合同轴共孔径成像光学系统中，所述反射镜为分光镜。
上述主动激光红外复合同轴共孔径成像光学系统中，所述红外探测器光敏面是红外成像面。
上述主动激光红外复合同轴共孔径成像光学系统中，所述激光探测器光敏面为激光成像面。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明采用主动激光红外复合成像方式，既可充分发挥红外成像导引作用距离远、视场大、灵敏度及分辨率高的优势；又可结合激光主动成像获得目标反射激光回波强度及距离信息，有效降低虚警率的同时，大幅提高导引头抗干扰能力和隐身/弱小目标的探测能力；
(2)本发明通过激光接收通道与中波红外被动成像通道进行共口径设计，可实现整体光机结构的紧凑和集成，满足导引头轻小型化的要求；
(3)本发明采用折反式构型，在保证中远距成像品质的同时，可有效实现光路折叠，减小光学系统的长度；
(4)本发明采用双光楔同轴扫描，针对激光输出光束和反射接收光束进行实时同步扫描，扫描形式采用空间覆盖率最高的玫瑰扫描，可在兼顾扫描角度和指向精度的同时，提升扫描成像的频率；
(5)本发明通过反射镜6和L形平晶8一起完成滚仰运动过程中的图像跟踪，L形平晶8实现光线的三次反射，相比较传统的采用三片反射镜反射，降低了对光学装调的难度，提高了镜片安装角度精度；有利于实现激光发射的同时，兼顾红外接收和激光接收的像质；
(6)本发明通过前双光楔透镜8和后光楔透镜9实现激光准直光束的大角度范围扫描，实现在保证激光探测距离同时增大了激光作用视场。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是本发明实施例提供的主动激光红外复合同轴共孔径成像光学系统的示意图；
图2是本发明实施例提供的主动激光红外复合同轴共孔径成像光学系统的光路走向图；
图3是本发明实施例提供的主动激光红外复合同轴共孔径成像光学系统在常温20℃、低温-40℃、高温+70℃下全视场光学系统点列图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图1是本发明实施例提供的主动激光红外复合同轴共孔径成像光学系统的示意图；图2是本发明实施例提供的主动激光红外复合同轴共孔径成像光学系统的光路走向图。
如图1和图2所示，该主动激光红外复合同轴共孔径成像光学系统包括：主次镜组、滚转镜组、偏置镜组、激光镜组和红外镜组；其中，
所述主次镜组包括激光红外共用光学头罩1、激光红外共用次镜2、第一激光红外共用校正透镜3、第二激光红外共用校正透镜4和激光红外共用主反射镜5；所述滚转镜组包括第一转折反射镜6、校正透镜7、L形平晶8和校正透镜9；所述偏置镜组包括第二转折反射镜10和第三转折反射镜14；所述红外镜组包括第一红外透镜11、第二红外透镜12和红外探测器光敏面13；所述激光镜组包括第一激光透镜15、第二激光透镜16、第三激光透镜17、前光楔透镜18、后光楔透镜19、第四转折反射镜20、第四激光透镜21、主动激光发射端口22、激光聚焦镜23和激光探测器光敏面24。激光红外共用次镜2中间开孔，外围反射接收的激光和红外光束，中间孔处用于直接出射激光。第四转折反射镜20中间开孔，外围反射接收的激光光束以汇聚到激光聚焦镜23，中间孔处用于直接出射发射的激光束。
其中，激光红外共用光学头罩1实现对远目标的一级光焦度调制和后端组件的防护，激光红外共用主反射镜5对激光和中波红外光线进行180°转角反射，激光红外共用次镜2对180°转角反射后的激光和中波红外光线进行一次像质校正得到一次像质校正后的光线，第一激光红外共用校正透镜3和第二激光红外共用校正透镜4对一次像质校正后的光线进行二次成像转折校正得到二次成像校正后的光线,第一转折反射镜6、校正透镜7和L形平晶8实现对二次成像校正后的光线进行滚仰转折得到滚仰转折后的光线，校正透镜9对滚仰转折后的光线进行调制球差后得到调制球差后的光线，第二转折反射镜10对调制球差后的光线进行分束得到调制球差后的激光和调制球差后的中波红外光线，第三转折反射镜14对所入射的调制球差后的激光进行转折，第一红外透镜11和第二红外透镜12对入射的调制球差后的中波红外光线进行畸变和慧差校正后成像在红外探测器光敏面13；第一激光透镜15、第二激光透镜16和第三激光透镜17对转折后的调制球差后的激光进行准直、扩束和球差校正得到校正后的激光；前光楔透镜18和后光楔透镜19对校正后的激光进行扫描，一部分扫描后的激光穿过第四转折反射镜20的中心后到达第四激光透镜21，第四激光透镜21对该部分扫描后的激光进行准直并通过主动激光发射端口22发射出去；另一部分扫描后的激光通过第四转折反射镜20转折到激光聚焦镜23，激光聚焦镜23对转折的该部分扫描后的激光进行聚焦成像到激光探测器光敏面24。
以头罩1、激光红外共用主镜5、激光红外共用次镜2、双光楔扫描组件18和19、各通道校正镜组(3、4、7、9、11、12、15、16、17、21、23)等，次镜2中间开孔，外围反射接收的激光和红外光束，中间孔处用于直接出射激光，形成同轴共孔径构型，实现主动激光通道和红外通道的协同、细分成像。
反射镜6和L形平晶8一起完成滚仰运动过程中的图像随动、保证图像和目标的跟踪一致性，前置转折反射镜6装在俯仰(偏航)轴系上，第2片转折镜为薄片分光镜10，实现激光反射和中波红外的透射，完成三通道的同轴共孔径功能。反射镜14实现发射和接收激光的反射，反射镜20中间开孔，外围反射接收的激光光束以汇聚到激光聚焦镜23，中间孔处用于直接出射发射的激光束，实现发射和接收激光的同轴。同时，双光楔旋转组件15安装在激光开关的前端，在保证激光光束覆盖的同时，借助于0.25λ的玻片激光开关，实现激光双通道后组的同轴发收和双向同步扫描，有利于实现激光发收组合的紧凑化。
所述主次镜组、所述滚转镜组、所述偏置镜组和所述红外镜组构成所述主动激光红外复合同轴共孔径成像光学系统的红外接收通道，所述红外接收通道的视场为θ×θ，红外探测器光敏面13的横向尺寸为L,则红外接收通道的有效焦距为
具体的，所述光学系统其红外接收通道视场为3°×3°，光学视场为外接圆，FPA的横向尺寸为0.03×256＝7.68mm，确定接收通道的有效焦距
有效的MWIR通光孔径按Φ82mm进行设计，相对孔径为F/#IR＝1.78，按探测距离进行初步核算，有效透过率TIR'为：TIR'≥70％。
具体说，一种主动激光红外复合同轴共孔径成像光学系统，其红外接收通道，采用三次成像系统，红外探测器冷光阑作为系统孔径光阑，以达到100％冷光阑效率；一次中间像面位于次镜和偏航轴第1片转折反射镜之间，此处也是视场光阑的位置，视场光阑能够减少视场外杂散光影响；二次中间像面在第4片转折反射镜与后组的综合校正透镜之间。
所述主次镜组、所述滚转镜组、所述偏置镜组和所述激光镜组构成所述主动激光红外复合同轴共孔径成像光学系统的激光通道，所述激光通道的视场为θ'×θ'，激光探测器光敏面24的横向尺寸为L’,则红外接收通道的有效焦距为
具体的，所述光学系统设计激光通道的视场为0.187°×0.187°，APD阵列的横向尺寸为0.12×4＝0.48mm，针对激光接收通道进行指标分解，确定该接收通道的有效焦距fLR'为：
有效的LASER通光孔径也按Φ82mm进行设计，相对孔径为F/#IR＝1.79，按探测距离进行初步核算，有效透过率TLR'要求为：TLR'≥70％。
具体说，一种主动激光红外复合同轴共孔径成像光学系统，其激光接收通道，主镜通光面作为系统孔径光阑；一次中间像面位于次镜和偏航轴第一片转折反射镜之间，此处也是视场光阑的位置；二次中间像面位于第4片转折反射镜的后端空间中，避免在APD阵列上形成二次反射像的干扰。
所述光学系统包含的4片转折反射镜中间的中继透镜起到场镜作用，使入瞳与孔径光阑共轭，并且降低光线投射高度，减小后组尺寸；后组将中间像面二次成像在焦平面处，并且承担校正系统剩余像差的作用。
总之，本发明设计的光学系统其主镜为常规双曲面，其它透镜中3片非球面镜，剩余的次镜、透镜均为普通球面镜，总体上来看，所使用的光学镜片数量少、无胶合透镜，非球面均为常规的偶次非球面，便于加工、检测和装调。实现的光学系统技术指标为：
红外接收通道的主要光学参数为：
光学口径≈Φ100.8mm，焦距≈146.13mm，F/#IR≈1.45。
激光接收通道的主要光学参数为：
光学口径≈Φ101.72mm；焦距≈143.9mm，F/#LR＝1.42。
红外接收通道和激光接收通道的有效光学口径分别为Φ90.7mm、Φ93.1mm。
对本发明的主动激光红外复合同轴共孔径成像光学系统分析变温像质及光学性能分析：
1、点列图分析
点列图是一种简便、直观，而易行的像质评价方法，通常是利用集中70％以上的点或光线所构成的实际有效弥散斑来评价光学系统成像质量。几何点列图则能反映任一物点发出充满入瞳的光锥，在像面上的交点弥散情况。
图3所示，本发明所述的常温20℃、低温-40℃、高温+70℃下全视场光学系统点列图。
表1给出不同温度条件下，成像弥散斑、艾利斑、探测器像元大小之间的关系。
表1不同温度条件下，成像弥散斑、艾利斑、探测器像元大小之间的关系
2、像面位置变化分析
从焦深变化，分析激光接收-红外接收双通道通道在20℃、-40℃和+70℃温度下的相对焦面变化量。
表2给出焦深影响及最佳像面变化的对比。
表2焦深影响及最佳像面变化的对比表
本发明通过激光接收通道与中波红外被动成像通道进行共口径设计，可实现整体光机结构的紧凑和集成，满足导引头轻小型化的要求；本发明采用折反式构型，在保证中远距成像品质的同时，可有效实现光路折叠，减小光学系统的长度；本发明采用双光楔同轴扫描，针对激光输出光束和反射接收光束进行实时同步扫描，扫描形式采用空间覆盖率最高的玫瑰扫描，可在兼顾扫描角度和指向精度的同时，提升扫描成像的频率；本发明通过反射镜6和L形平晶8一起完成滚仰运动过程中的图像跟踪，L形平晶8实现光线的三次反射，相比较传统的采用三片反射镜反射，降低了对光学装调的难度，提高了镜片安装角度精度；有利于实现激光发射的同时，兼顾红外接收和激光接收的像质；本发明通过前双光楔透镜8和后光楔透镜9实现激光准直光束的大角度范围扫描，实现在保证激光探测距离同时增大了激光作用视场。
本发明经实践证明：系统结构简单、重量轻、可靠性高，常温条件下，像质、公差、透过率、冷反射、鬼像等基本能满足任务要求，成像质量稳定。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (9)
1.一种主动激光红外复合同轴共孔径成像光学系统，其特征在于包括：主次镜组、滚转镜组、偏置镜组、激光镜组和红外镜组；其中，
所述主次镜组包括激光红外共用光学头罩(1)、激光红外共用次镜(2)、第一激光红外共用校正透镜(3)、第二激光红外共用校正透镜(4)和激光红外共用主反射镜(5)；激光红外共用次镜(2)中间开孔，外围反射接收的激光和红外光束，中间孔处用于直接出射激光；
所述滚转镜组包括第一转折反射镜(6)、第一校正透镜(7)、L形平晶(8)和第二校正透镜(9)；
所述偏置镜组包括第二转折反射镜(10)和第三转折反射镜(14)；
所述红外镜组包括第一红外透镜(11)、第二红外透镜(12)和红外探测器光敏面(13)；
所述激光镜组包括第一激光透镜(15)、第二激光透镜(16)、第三激光透镜(17)、前光楔透镜(18)、后光楔透镜(19)、第四转折反射镜(20)、第四激光透镜(21)、主动激光发射端口(22)、激光聚焦镜(23)和激光探测器光敏面(24)；第四转折反射镜(20)中间开孔，外围反射接收的激光光束以汇聚到激光聚焦镜(23)，中间孔处用于直接出射发射的激光束；
其中，激光红外共用光学头罩(1)实现对远目标的一级光焦度调制和后端组件的防护，激光红外共用主反射镜(5)对激光和中波红外光线进行180°转角反射，激光红外共用次镜(2)对180°转角反射后的激光和中波红外光线进行一次像质校正得到一次像质校正后的光线，第一激光红外共用校正透镜(3)和第二激光红外共用校正透镜(4)对一次像质校正后的光线进行二次成像转折校正得到二次成像校正后的光线,第一转折反射镜(6)、第一校正透镜(7)和L形平晶(8)实现对二次成像校正后的光线进行滚仰转折得到滚仰转折后的光线，第二校正透镜(9)对滚仰转折后的光线进行调制球差后得到调制球差后的光线，第二转折反射镜(10)对调制球差后的光线进行分束得到调制球差后的激光和调制球差后的中波红外光线，第三转折反射镜(14)对所入射的调制球差后的激光进行转折，第一红外透镜(11)和第二红外透镜(12)对入射的调制球差后的中波红外光线进行畸变和慧差校正后成像在红外探测器光敏面(13)；第一激光透镜(15)、第二激光透镜(16)和第三激光透镜(17)对转折后的调制球差后的激光进行准直、扩束和球差校正得到校正后的激光；前光楔透镜(18)和后光楔透镜(19)对校正后的激光进行扫描，一部分扫描后的激光穿过第四转折反射镜(20)的中心后到达第四激光透镜(21)，第四激光透镜(21)对该部分扫描后的激光进行准直并通过主动激光发射端口(22)发射出去；另一部分扫描后的激光通过第四转折反射镜(20)转折到激光聚焦镜(23)，激光聚焦镜(23)对转折的该部分扫描后的激光进行聚焦成像到激光探测器光敏面(24)。
2.根据权利要求1所述的主动激光红外复合同轴共孔径成像光学系统，其特征在于：所述主次镜组、所述滚转镜组、所述偏置镜组和所述红外镜组构成所述主动激光红外复合同轴共孔径成像光学系统的红外接收通道，所述红外接收通道的视场为θ×θ，红外探测器光敏面(13)的横向尺寸为L,则红外接收通道的有效焦距为
3.根据权利要求1所述的主动激光红外复合同轴共孔径成像光学系统，其特征在于：所述主次镜组、所述滚转镜组、所述偏置镜组和所述激光镜组构成所述主动激光红外复合同轴共孔径成像光学系统的激光通道，所述激光通道的视场为θ'×θ'，激光探测器光敏面(24)的横向尺寸为L’,则红外接收通道的有效焦距为
4.根据权利要求2所述的主动激光红外复合同轴共孔径成像光学系统，其特征在于：所述红外接收通道的光学口径为Φ100.8mm，焦距为146.13mm，相对孔径为1.45。
5.根据权利要求3所述的主动激光红外复合同轴共孔径成像光学系统，其特征在于：所述激光通道的光学口径为Φ101.72mm，焦距为143.9mm，相对孔径为1.42。
6.根据权利要求1所述的主动激光红外复合同轴共孔径成像光学系统，其特征在于：所述激光红外共用次镜(2)为平面反射镜。
7.根据权利要求1所述的主动激光红外复合同轴共孔径成像光学系统，其特征在于：所述第二转折反射镜(10)为分光镜。
8.根据权利要求1所述的主动激光红外复合同轴共孔径成像光学系统，其特征在于：所述红外探测器光敏面(13)是红外成像面。
9.根据权利要求1所述的主动激光红外复合同轴共孔径成像光学系统，其特征在于：所述激光探测器光敏面(24)为激光成像面。
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