CN113325578B - 一种光电吊舱的光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种光电吊舱的光学系统，包括：折射窗系统、RC系统、分光系统、可见光成像光学系统以及红外光成像光学系统；折射窗系统，采用两块透明窗组成的拼接窗口；RC系统包括主镜和次镜，RC系统的光学参数通过像差理论确定；分光系统，用于反射所述RC系统出射的可见光进入所述可见光成像光学系统，透射所述RC系统出射的红外光进入所述红外光成像光学系统；可见光成像光学系统通过透镜组校正所述分光系统产生的色差μ，调节透镜组中各个透镜的参数从而消除色差；红外光成像光学系统具有调节透镜组、反射镜以及聚焦透镜组，计算各个透镜面的冷像等效温差，并根据计算结果对调节透镜组焦距进行调节从而减弱冷反射现象。
Description
技术领域
本发明属于光学技术领域，涉及一种光电吊舱的光学系统。
背景技术
近年来，国外机载吊舱发展十分迅速，不断追求远距离、高分辨率以及全天候成像。
机载吊舱的主要设备为光电载荷，按照其工作高度可分为中低空、中空以及中高空相机。中低空相机工作在0.2-4km范围内，焦距一般小于300mm；中空相机的工作距离在3-lOkm内，焦距一般在300-1000mm之间；中高空相机工作在8-25km范围内，焦距通常在1000-3000mm之间。目前的吊舱工作高度多为中低空，且分辨率较低，而具有全天候侦察能力的工作于中高空的机载吊舱己成为当前研究热点，因此，加强此类吊舱的研制己成当务之急。
现有技术中的机载光电吊舱的光学系统成像效果及小型化程度均有待提高，例如专利文献CN104574332A，公开了一种机载光电吊舱用图像融合方法，包括：将可见光成像系统的光轴与红外成像系统的光轴调整为平行状态；以可见光成像系统的焦距为基准进行联动变焦计算，得到红外成像系统的相应焦距值，通过可见光成像系统的焦距值与红外成像系统的焦距值计算各自的光学放大倍数并进行图像缩放，通过焦距所处焦距段位置计算偏移角度值并进行图像平移补偿；将图像配准之后的可见光成像系统的图像与红外成像系统的图像进行图像融合。但是该机载光电吊舱用图像融合方法，仅仅通过后期图像处理的方式，实现提高图像的质量，没有考虑机载光电吊舱的内部结构和光路中存在的球差和彗差以及冷反射现象，导致成像质量不佳。
再例如专利文献CN104977725A，包括：激光共口径系统、信号发射与接收系统；激光共口径系统将经第一偏振分光棱镜透射的光线入射到信号发射与接收系统，信号发射与接收系统用于对接收的可见光及红外光进行被动探测并将照射到目标表面后的回波信号发射至第一偏振分光棱镜；光学系统还包括：设置在回波信号沿第一偏振分光棱镜反射的反射光路上的回波接收系统，回波接收系统包括依次设置的第二半波片、第二偏振分光棱镜，第二偏振分光棱镜的透射光轴上设置激光测距探测器，第二偏振分光棱镜的反射光轴上设置激光角跟踪探测器。但是该系统中采用了较多的半波片、偏振分光元件，不利于系统的小型化，且调节过程较为复杂，容易导致成像精度下降，且该光学系统中的光学元件，随着使用次数和时间的增加，将会导致像面变形以及老化。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种光电吊舱的光学系统，包括：折射窗系统、RC系统、分光系统、可见光成像光学系统以及红外光成像光学系统；
所述折射窗系统，采用两块透明窗组成的拼接窗口；
所述RC系统，包括主镜和次镜，所述RC系统的光学参数通过像差理论确定；
所述分光系统，用于反射所述RC系统出射的可见光使其进入所述可见光成像光学系统，透射所述RC系统出射的红外光使其进入所述红外光成像光学系统；
所述可见光成像光学系统具有透镜组，通过所述透镜组校正所述分光系统产生的色差μ，所述透镜组中各个透镜的参数满足下式，从而消除色差：
μ=Φ1/v1+Φ2/v2+Φ3/v3；
其中，Φ1、Φ2、Φ3为所述透镜组各个透镜的光焦度；v1、v2、v3为各个透镜材料的阿贝数；
所述红外光成像光学系统具有调节透镜组、反射镜以及聚焦透镜组，计算所述红外光成像光学系统中各个透镜像面的冷像等效温差，并根据计算结果调节所调节透镜组的焦距，从而减弱冷反射现象；
所述冷像等效温差NITD通过下式计算：
其中，NITDij为红外光成像光学系统的探测器光敏面上像元i发出的冷光线在第j个透镜表面上发生反射又回探测器光敏面所形成的冷反射引起的像面照度不均匀的等效温差，λ1和λ2分别为红外光成像光学系统最短和最长波长，TH为红外光成像光学系统所处环境的温度，TD为探测器光敏面的温度，TMS为被观测目标的背景温度，Rd(λ)为探测器的光谱响应率，tj为第j个透镜表面到探测器的透过率，t0为所述红外光成像光学系统的透过率，Rj为第j个透镜表面的反射率，N(λ,T)为黑体辐射亮度。
进一步地，所述RC系统光学参数包括：主、次镜的曲率半径
、
,偏心率
、
以
及他们之间的距离
，
其中，
为中心遮栏比，
为次镜放大率，
为主镜的焦距，d为主镜与次镜间隔。
进一步地，通过计算红外光成像光学系统中各个透镜面的NITD值，分析冷反射最严重的透镜面，根据分析结果，对调节透镜组焦距进行调节，调节完毕后再次计算各个透镜面的NITD值，直至红外光成像光学系统中各个透镜面上的冷反射现象得到明显的减弱。
进一步地，所述拼接窗口材料为蓝宝石，设入射到所述拼接窗口中的上下入射光线在透明窗中的折射角分别为θ1和θ2，蓝宝石折射率为n，透明窗厚度为d，D1和D2分别为上下入射光线在透明窗中的光程，上下入射光线的光程差ΔD为：
ΔD=D1-D2=nd/cos(Ɵ2)-nd/cos(Ɵ1)。
进一步地，所述分光系统包括分光镜和两个反射镜，所述分光镜采用氟化镁作为基片，表面依次贴覆有氟化镁膜层、硫化锌膜层和金刚石膜层，所述两个反射镜均采用五棱镜反射镜。
进一步地，所述可见光成像光学系统中用于成像的可见光探测器采用的是CCD图像传感器，所述红外光成像光学系统中用于成像的红外系统探测器采用制冷型探测器。
进一步地，可见光成像光学系统中的透镜组由五片透镜组成，沿着光路方向实现正负交错的结构。
进一步地，所述调节透镜组由四片透镜组成，沿光轴方向上依次为：凸面朝向像侧的弯月形锗正透镜，凸面朝向物侧的弯月形锗正透镜，凸面朝向物侧的弯月形锗正透镜以及凸面朝向像侧的弯月形硒化锌负透镜。
进一步地，所述聚焦透镜组由四片锗透镜组成，沿光轴方向所述四片锗透镜的光焦度依次为：负、负、正、正。
进一步地，所述中心遮栏比
取值为0.3，主、次镜的曲率半径
、
分别取值为：-
1121nm和-482.1nm。
附图说明
附图1为本发明的光电吊舱的光学系统的整体结构示意图；
附图2为本发明的RC系统的结构参数示意图；
附图3为本发明的优选实施例中的红外光成像光学系统的结构示意图；
附图4为本发明的优选实施例中的可见光成像光学系统的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，该光电吊舱的光学系统包括折射窗系统11、RC系统12、分光系统13、可见光成像光学系统15以及红外光成像光学系统14。
折射窗系统11采用多面体拼接窗口，该多面体拼接窗口的外表面结合多面形和流线形的平衡点，能够很好地满足提高空气动力学性能的要求。
本实施例中以两块透明窗组成的拼接窗口为例，上下入射光线在两块透明窗的折射角分别为θ1和θ2，透明窗折射率为n，厚度为d，D1和D2分别为上下光线在透明窗内的光程。则上下入射光线的光程差ΔD为：
ΔD=D1-D2=nd/cos(Ɵ2)-nd/cos(Ɵ1)
为了降低拼接窗口对上下入射光线的光程差的影响，需要对窗口玻璃材料进行选择，使得窗口玻璃折射率接近空气的折射率，在多光谱材料中，蓝宝石折射率最接近空气折射率，因此本实施例中选择蓝宝石作为拼接窗口玻璃材料。
RC系统12为卡塞格林结构(Cassegrain system简称RC系统)，参考附图1，RC系统12包括主镜121，两个次镜122a和122b，主镜和次镜均为双曲面，因此RC系统的球差和彗差可以同时得到校正。
本发明通过像差理论求解RC系统的初始光学参数，参考附图2，为RC系统的结构参数示意图。
根据系统的焦距
、中心遮栏比
,次镜放大率
以及后截距Δ等结构参数通过像
差理论计算出主、次镜的曲率半径
、
,偏心率
、
以及他们之间的距离
。
图2中，
；
其中，
为中心遮栏比，
为次镜放大率，
为主镜半口径，
为次镜半口径，
为次
镜到主镜距离，
为次镜到系统焦点距离，
为系统的焦距，
为主镜的焦距，d为主镜与次
镜间隔。
由理想光学系统成像公式可以得出以下关系式:
RC系统各个参数之间相互联系，相互制约，对于每个参数的选择都需要满足一定的条件限制。其中，主镜和次镜的半径分别决定着主镜焦距和系统焦距，主、次镜的曲率半径影响系统的初级球差及彗差，为了满足视场需要，遮拦比也不能过小，次镜放大率的绝对值不宜过小，一般应大于2，为了保证成像质量，需综合考虑各个影响因素，合理选择系统中心遮拦比、次镜放大率和后截距等参数，从而得到理想的结果。
因此，本实施例中，对RC系统的参数做如下限定：后截距Δ取值为162mm，RC系统的
焦距取值为1868mm，中心遮栏比
取值为0.3，RC系统的相对孔径取值为1:6.67,主、次镜的
曲率半径
、
分别取值为：-1121nm和-482.1nm。
参考附图1，分光系统13包括分光镜131，两个反射镜132a和132b。考虑压缩结构体积，将分光镜倾斜45度，放置在RC系统主次镜之后，光束经过前端RC系统入射到分光镜上，分光镜反射可见光束，透射红外光束。可见光束经过反射镜132b二次反射进入可见光成像光学系统15。红外光束透过分光镜131，经反射镜132a进入红外光成像光学系统14。
由于本系统属于小视场系统，从成像质量的角度出发，采用平行平板分光镜。对于分光镜材料的选择，若材料的折射率较小，则不会引入很大的像差，在后续可见光成像光学系统15和红外光成像光学系统14中可以较好地校正。此外，由于一般分光镜做的较薄，其材料硬度就必须很高，且表面需要进行保护处理，而氟化镁硬度较高，同时对红外具有很高的透过率，因此，最终选定分光镜材料为氟化镁。本实施例中，分光镜采用氟化镁作为基片，表面贴覆高强度保护膜系，第一膜层为氟化镁膜层，镀制在所述氟化镁基片的表面上，膜层厚度10nm；第二膜层为硫化锌膜层，膜层厚度350nm，并镀制在所述第一膜层上；第三膜层为金刚石膜层，膜层厚度450nm，并镀制在所述第二膜层上。
参考图1，本实施例中，可见光成像光学系统15具有包括三片透镜的透镜组151，目的是校正分光系统13产生的色差μ，Φ1、Φ2、Φ3为透镜组各个镜片的光焦度；v1、v2、v3为各个透镜材料的阿贝数，则可见光成像光学系统15的透镜组的总光焦度Φ为：
Φ=Φ1+Φ2+Φ3；
则透镜组各个透镜需要消除的色差即为分光系统13产生的色差μ，合理设置透镜组中各个透镜的光焦度和材料的阿贝数，使得满足下式，从而消除色差：
μ=Φ1/v1+Φ2/v2+Φ3/v3；
参考图1，红外光成像光学系统14具有：调节透镜组141、反射镜142以及聚焦透镜组143；红外光通过调节透镜组141一次成像，再被反射镜142反射后，光路方向改变90度后经过聚焦透镜组143最终二次成像在红外焦平面上，从而充分利用有限的系统空间，以达到结构紧凑、缩小体积的目的，且满足高分辨率成像质量的要求。
其中，为了保证红外探测器的正常工作，一般都要将其放置在温度为77K的低温腔内进行冷却。由于其和镜筒之间存在着巨大的温差，探测器上发出的冷光线被红外光学系统内的透镜表面反射回探测器，从而使得探测器探测到自身的冷像，也即产生了冷反射效应。因此，必须在光学设计阶段就对系统的冷反射予以校正，因为，一旦在系统的实际工作中出现冷反射现象，对系统的性能将产生灾难性的影响，并且无法有效的消除。
本发明计算红外光成像光学系统中各个透镜像面的冷像等效温差，并根据计算结果调节所调节透镜组的焦距，从而减弱冷反射现象。
用温差的形式表示冷反射引起的像面照度不均匀的现象，冷像等效温差NITD可表示为：
其中，NITDij为红外光成像光学系统的探测器光敏面上像元i发出的冷光线在第j个透镜表面上发生反射又回探测器光敏面所形成的冷反射引起的像面照度不均匀的等效温差，λ1和λ2分别为红外光成像光学系统最短和最长波长，TH为红外光成像光学系统所处环境的温度，TD为探测器光敏面的温度，TMS为被观测目标的背景温度，Rd(λ)为探测器的光谱响应率，tj为第j个透镜表面到探测器的透过率，t0为所述红外光成像光学系统的透过率，Rj为第j个透镜表面的反射率，N(λ,T)为黑体辐射亮度。
黑体辐射亮度N(λ,T)可以用普朗克公式表示:
这里，c1=3.741832e4 W.cm-2.μm4，为第一辐射常数；c2=1.43786e4μm.K为第二辐射系数。σij是探测器光敏面像元i发出的冷光线经过j面反射回到探测器光敏面的立体角ΩRij，和像元i对探测器冷屏的张角ΩCSi (即像方立体角)之比:
σij=ΩRij/ΩCSi；
在具体计算过程中立体角比σij可以作近似计算:在像方立体角范围内划分出等方向余弦间距的光线或者对冷阑孔径进行均匀网格采样，追迹从像元i出发通过定义的光学冷阑进入光学系统的光线，计算经过j面反射回探测器光敏面的光线数。其中M为从像元点i发出的光线数总和，经第j面反射后，通过冷阑到达探测器光敏面的光线数为m，则σij可近似为:
σij=m/M；
根据上述评价指标对己设计完成的红外光学成像系统进行冷反射效应分析，计算系统各个面NITD值，分析冷反射最严重的透镜面，即该透镜的像面上的冷反射分布比较集中，像面上照度分布比较不均匀。根据分析结果，对红外光成像光学系统中的调节透镜组焦距进行调节，调节完毕后再次计算红外光成像光学系统中的各个透镜面的NITD值，直至红外光成像光学系统中各个透镜面上的冷反射现象得到明显的减弱，此时便确定了红外光成像光学系统中的调节透镜组焦距值。
本发明提出的光电吊舱的光学系统装载于较长的吊舱内，对地成像过程中，入射光束首先通过折射窗系统11进入到系统入瞳，之后经RC系统12和分光系统13后分别进入可见光成像光学系统15以及红外光成像光学系统14，最终成像在各自的焦平面上，本实施例中可见光成像光学系统15中用于成像的可见光探测器采用的是CCD图像传感器，红外光成像光学系统14中用于成像的红外系统探测器采用制冷型探测器。整个系统的体积限制在550(L)× 450(W) × 450(H)mm之内。
参考附图3和4，为本发明优选实施例中可见光成像光学系统以及红外光成像光学系统的结构示意图。
随着使用次数或时间的增长，为了防止反射镜的面形变化而影响光学性能，需要对分光系统中的两个反射镜以及红外光成像光学系统中的反射镜进行外形和材质的优化。如图3所示，在该优选实施例中，反射镜142采用抛物面反射镜，反射镜132a和132b均采用五棱镜反射镜。
另外，在该实施例中，可见光成像光学系统中的透镜组151由五片透镜组成，沿着光路方向实现正负交错的结构，不仅消除了整个系统的色差,也很好平衡了整个系统的像差,实现了色差的矫正。
红外光成像光学系统中的调节透镜组141由四片透镜组成，聚焦透镜组143由四片透镜组成；其中，调节透镜组141沿光轴方向上依次分布有：具有正光焦度的第一透镜、具有正光焦度的第二透镜、具有正光焦度的第三透镜和具有负光焦度的第四透镜组成；第一透镜为凸面朝向像侧的弯月形锗正透镜，第二透镜为凸面朝向物侧的弯月形锗正透镜，第三透镜为凸面朝向物侧的弯月形锗正透镜，第四透镜为凸面朝向像侧的弯月形硒化锌负透镜。
聚焦透镜组143由四片锗透镜组成，沿光轴方向上依次分布有：具有负光焦度的第五透镜；具有负光焦度的第六透镜；具有正光焦度的第七透镜；和具有正光焦度的第八透镜。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何本领域技术人员在本发明的启示下都可以得出其它变形及改进的产品，但不论在其形状或结构上做任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种光电吊舱的光学系统，其特征在于，包括：折射窗系统、RC系统、分光系统、可见光成像光学系统以及红外光成像光学系统；
所述折射窗系统，采用两块透明窗组成拼接窗口；所述拼接窗口的材料为蓝宝石，设入射到所述拼接窗口中的上下入射光线在透明窗中的折射角分别为θ1和θ2，蓝宝石折射率为n，透明窗厚度为d，D1和D2分别为上下入射光线在透明窗中的光程，上下入射光线的光程差ΔD为：
ΔD=D1-D2=nd/cos(Ɵ2)-nd/cos(Ɵ1)；
所述RC系统，包括主镜和次镜，所述RC系统的光学参数通过像差理论确定；所述RC系统光学参数包括：主、次镜的曲率半径
、
,偏心率
、
以及他们之间的距离
，
其中，
为中心遮栏比，
为次镜放大率，
为主镜的焦距，d为主镜与次镜间隔；
所述分光系统，用于反射所述RC系统出射的可见光使其进入所述可见光成像光学系统，透射所述RC系统出射的红外光使其进入所述红外光成像光学系统；
所述可见光成像光学系统具有透镜组，通过所述透镜组校正所述分光系统产生的色差μ，所述透镜组中各个透镜的参数满足下式，从而消除色差：
μ=Φ1/v1+Φ2/v2+Φ3/v3；
其中，Φ1、Φ2、Φ3为所述透镜组各个透镜的光焦度；v1、v2、v3为各个透镜材料的阿贝数；
所述红外光成像光学系统具有调节透镜组、反射镜以及聚焦透镜组，计算所述红外光成像光学系统中各个透镜像面的冷像等效温差，分析冷反射最严重的透镜面，根据分析结果，对调节透镜组焦距进行调节，调节完毕后再次计算各个透镜面的冷像等效温差，直至红外光成像光学系统中各个透镜面上的冷反射现象得到明显的减弱；
所述冷像等效温差NITD通过下式计算：
其中，NITDij为红外光成像光学系统的探测器光敏面上像元i发出的冷光线在第j个透镜表面上发生反射又回探测器光敏面所形成的冷反射引起的像面照度不均匀的等效温差，λ1和λ2分别为红外光成像光学系统最短和最长波长，TH为红外光成像光学系统所处环境的温度，TD为探测器光敏面的温度，TMS为被观测目标的背景温度，Rd(λ)为探测器的光谱响应率，tj为第j个透镜表面到探测器的透过率，t0为所述红外光成像光学系统的透过率，Rj为第j个透镜表面的反射率，N(λ,T)为黑体辐射亮度。
2.根据权利要求1所述的光电吊舱的光学系统，其特征在于，所述分光系统包括分光镜和两个反射镜，所述分光镜采用氟化镁作为基片，表面依次贴覆有氟化镁膜层、硫化锌膜层和金刚石膜层，所述两个反射镜均采用五棱镜反射镜。
3.根据权利要求1所述的光电吊舱的光学系统，其特征在于，所述可见光成像光学系统中用于成像的可见光探测器采用的是CCD图像传感器，所述红外光成像光学系统中用于成像的红外系统探测器采用制冷型探测器。
4.根据权利要求1所述的光电吊舱的光学系统，其特征在于，可见光成像光学系统中的透镜组由五片透镜组成，沿着光路方向实现正负交错的结构。
5.根据权利要求1所述的光电吊舱的光学系统，其特征在于，所述调节透镜组由四片透镜组成，沿光轴方向上依次为：凸面朝向像侧的弯月形锗正透镜，凸面朝向物侧的弯月形锗正透镜，凸面朝向物侧的弯月形锗正透镜以及凸面朝向像侧的弯月形硒化锌负透镜。
6.根据权利要求1所述的光电吊舱的光学系统，其特征在于，所述聚焦透镜组由四片锗透镜组成，沿光轴方向所述四片锗透镜的光焦度依次为：负、负、正、正。
7.根据权利要求1所述的光电吊舱的光学系统，其特征在于，所述中心遮栏比
取值为0.3，主、次镜的曲率半径
、
分别取值为：-1121nm和-482.1nm。
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