CN113703140B - 一种大面阵紧凑型中波红外周扫光学装置及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种大面阵紧凑型中波红外周扫光学装置及系统，目的是解决红外周扫系统存在探测距离短，灵敏度低，难以满足系统更高性能需求的问题。该装置包括由物方至像方沿光路依次设置的具有正光焦度的望远前固定组Ⅰ、具有正光焦度的望远后固定组Ⅱ、摆扫补偿镜O、具有正光焦度的二次成像前固定组Ⅲ、反射镜P、具有正光焦度的二次成像后固定组Ⅳ、保护窗口L、滤光片M和冷光阑N；望远后固定组Ⅱ与望远前固定组Ⅰ构成望远镜组；二次成像后固定组Ⅳ与二次成像前固定组Ⅲ构成二次成像镜组；望远镜组的出瞳和二次成像镜组的入瞳相重合，摆扫补偿镜O位于重合处，与反射镜P将光路折转180°，形成U型光路，与凝视型焦平面中波制冷探测器组成该系统。

Description

一种大面阵紧凑型中波红外周扫光学装置及系统
技术领域
本发明涉及一种中波红外周扫光学系统，具体涉及一种大面阵紧凑型中波红外周扫光学装置及系统，可搭载于经纬仪和转台等搜索跟踪设备上，主要用于警戒、搜索、跟踪和测量等。
背景技术
近年来，红外热成像系统在军事和安防等方面得到了广泛应用，相关技术同时也得到了快速发展。因周视扫描系统具备大视场快速周视扫描搜索和小视场跟踪功能，可以实现全天候实时警戒。
针对红外警戒应用的周扫系统，需要较大的视场角和较长的焦距，以满足更广的搜索范围和更高的分辨率，同时需要解决光学系统在周扫过程中因转台快速旋转产生的像移问题。目前市面的红外周扫系统多配备物方扫描的中短焦长波非制冷镜头，导致探测距离短，灵敏度低，难以满足系统的更高性能需求。
发明内容
本发明的目的是解决现有红外周扫系统存在探测距离短，灵敏度低，难以满足系统更高性能需求的技术问题，提供一种大面阵紧凑型中波红外周扫光学装置及系统。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术解决方案如下：
一种大面阵紧凑型中波红外周扫光学装置，其特殊之处在于：
包括由物方至像方沿光路依次设置的具有正光焦度的望远前固定组Ⅰ、具有正光焦度的望远后固定组Ⅱ、摆扫补偿镜O、具有正光焦度的二次成像前固定组Ⅲ、反射镜P、具有正光焦度的二次成像后固定组Ⅳ、保护窗口L、滤光片M和冷光阑N；
所述望远前固定组Ⅰ用于汇聚光线，实现一次成像；
所述望远后固定组Ⅱ用于收缩光束，将光束平行出射，与望远前固定组Ⅰ共同构成望远镜组；
所述二次成像前固定组Ⅲ用于对望远镜组出射的平行光进行二次成像、完成高低温和成像距离变化造成的像移补偿；
所述二次成像后固定组Ⅳ用于完成冷光阑N匹配和最后成像，与二次成像前固定组Ⅲ共同构成二次成像镜组；
所述望远镜组的出瞳和二次成像镜组的入瞳相重合，所述摆扫补偿镜O位于该重合处，与反射镜P共同将光路折转180°，克服旋转周扫曝光时间内二次成像镜组的像移。
进一步地，所述望远前固定组Ⅰ包括沿光路依次设置的凸面朝向物方的弯月形硅正透镜A、凸面朝向物方的弯月形锗负透镜B和凸面朝向物方的弯月形锗正透镜C。
进一步地，所述望远后固定组Ⅱ包括沿光路依次设置的凸面朝向像方的弯月形锗负透镜D、凸面朝向像方的弯月形硅正透镜E和双凸型的正硅透镜F。
进一步地，所述二次成像前固定组Ⅲ包括沿光路依次设置的双凸型的正硅透镜G和凸面朝向物方的弯月形锗正透镜H。
进一步地，所述二次成像后固定组Ⅳ包括沿光路依次设置的凸面朝向物方的弯月形锗正透镜I、凸面朝向物方的弯月形氟化钙负透镜J和凸面朝向物方的弯月形硅正透镜K。
进一步地，所述透镜B的出射面S4和透镜C的出射面S6为非球面；
所述透镜E的出射面S10和透镜F的出射面S12为非球面；
所述透镜H的入射面S16和透镜I的入射面S19为非球面；
所述透镜K的出射面S24为非球面；
其余的透镜表面均为球面。
进一步地，所述摆扫补偿镜O和反射镜P的镜面均镀有反射膜；
所有透镜表面均镀有减反膜。
进一步地，所述非球面均为偶次非球面，其表达式如下：
其中，z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距离非球面顶点的矢高；c为非球面的顶点曲率，为非球面顶点半径r0的倒数，即c＝1/r0；k为圆锥系数，k＝0；α2、α3、α4、α5、α6为高次非球面系数。
同时，本发明还提供了一种大面阵紧凑型中波红外周扫光学系统，其特殊之处在于：
包括上述的大面阵紧凑型中波红外周扫光学装置，以及凝视型焦平面中波制冷探测器。
进一步地，所述凝视型焦平面中波制冷探测器的分辨率为640*512，像元尺寸为25μm，图像积分时间≥8ms；
所述大面阵紧凑型中波红外周扫光学装置的F数为2.0，通光口径≥105mm。
本发明相比现有技术具有的有益效果如下：
1、本发明提供的大面阵紧凑型中波红外周扫光学装置及系统，采用像方扫描，为减小透镜A口径，保证100％光阑匹配，采用三次成像系统，包括望远镜组和二次成像镜组，望远镜组将入射光线缩束后平行出射，二次成像镜组与探测器匹配成像，望远镜组的出瞳和二次成像镜组的入瞳重合，实现三次成像。为实现周视扫描的功能，在重合处设置了摆扫补偿镜，确保在转台快速旋转过程中，摆扫补偿镜实时补偿转动产生的像移，可有效解决装置和系统的像移问题，实现周视扫描过程的清晰成像。本发明解决了周扫时像移问题，具备较大视场角和较长焦距，整体采用11片透镜，采用摆扫补偿镜和反射镜形成U型光路，结构紧凑，满足设备小型化要求。
2、本发明提供的大面阵紧凑型中波红外周扫光学装置，可适用于分辨率为640*512、像元尺寸为25um(640*512@25μm)、图像积分时间≥8ms的凝视型焦平面中波制冷探测器，以形成光学系统，大面阵紧凑型中波红外周扫光学装置的F数为2.0，可增加系统通光量，提高灵敏度，通光口径≥105mm，从而有效解决了周扫成像过程中的像移问题，使得像移≤0.15个像元。
3、本发明提供的大面阵紧凑型中波红外周扫光学装置，使用硅、锗、氟化钙三种常规红外材料，加工难度和风险较低。
附图说明
图1为本发明大面阵紧凑型中波红外周扫光学装置的结构示意图，图中对各部件用字母A-P进行了编号，对各透镜表面、摆扫补偿镜和反射镜镜面用S1-S24进行了编号；
附图标记说明：
Ⅰ-望远前固定组、Ⅱ-望远后固定组、Ⅲ-二次成像前固定组、Ⅳ-二次成像后固定组。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步地说明。
一种大面阵紧凑型中波红外周扫光学装置，从物方至像方依次设置有四组透镜及其他部件，具体包括沿光路依次设置的具有正光焦度的望远前固定组Ⅰ、具有正光焦度的望远后固定组Ⅱ、摆扫补偿镜O、具有正光焦度的二次成像前固定组Ⅲ、反射镜P、具有正光焦度的二次成像后固定组Ⅳ、保护窗口L、滤光片M和冷光阑N。
所述望远前固定组Ⅰ包括沿光路依次设置的凸面朝向物方的弯月形硅正透镜A、凸面朝向物方的弯月形锗负透镜B和凸面朝向物方的弯月形锗正透镜C，用于汇聚光线，实现一次成像。其中，透镜B的出射面S4和透镜C的出射面S6为非球面。所述望远后固定组Ⅱ包括沿光路依次设置的凸面朝向像方的弯月形锗负透镜D、凸面朝向像方的弯月形硅正透镜E和双凸型的正硅透镜F，用于收缩光束，将光束平行出射，减小整体尺寸，望远后固定组Ⅱ与望远前固定组Ⅰ共同构成望远镜组。其中，透镜E的出射面S10和透镜F的出射面S12为非球面。所述二次成像前固定组Ⅲ包括沿光路依次设置的双凸型的正硅透镜G和凸面朝向物方的弯月形锗正透镜H，用于对望远镜组出射的平行光进行二次成像，完成高低温和成像距离变化造成的像移补偿。所述二次成像后固定组Ⅳ包括沿光路依次设置的凸面朝向物方的弯月形锗正透镜I、凸面朝向物方的弯月形氟化钙负透镜J和凸面朝向物方的弯月形硅正透镜K，用于完成冷光阑N匹配和装置的后成像，二次成像后固定组Ⅳ与二次成像前固定组Ⅲ共同构成二次成像镜组。其中，透镜H的入射面S16和透镜I的入射面S19为非球面；所述透镜K的出射面S24为非球面。
所述望远镜组的出瞳和二次成像镜组的入瞳相重合，所述摆扫补偿镜O位于该重合处，与反射镜P共同将光路折转180°(摆扫补偿镜O和反射镜P各折转90°)，形成U型光路，缩短光学装置的整体长度和体积，可有效解决装置在周扫过程引起的曝光时间内二次成像镜组的像移。也即，在光路中设置摆扫补偿镜O和反射镜P，摆扫补偿镜O位于透镜F和透镜G之间；反射镜P位于透镜H和透镜I之间，摆扫补偿镜O和反射镜P将光路折转180°，减小了装置的整体结构尺寸；光线经过四个透镜组、摆扫补偿镜O和反射镜P，最终经过探测器的保护窗口L、滤光片M、冷光阑N后到达像面Q。
所述非球面均为偶次非球面，其表达式如下：
其中，z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距离非球面顶点的矢高；c为非球面的顶点曲率，为非球面顶点半径r0的倒数，即c＝1/r0；k为圆锥系数，k＝0；α2、α3、α4、α5、α6为高次非球面系数。表1为表面S4、S6、S10、S12、S16、S19、S24的高次非球面系数表：
表1高次非球面系数表
表面 α2 α3 α4 α5 α6
S4 7.408e-9 3.282e-13 1.471e-16 -1.584e-20
S6 5.178e-8 2.557e-11 -5.296e-15 1.262e-17
S10 1.879e-6 -6.189e-10 7.01e-13 1.394e-16
S12 -1.6226e-6 1.866e-09 -1.46e-12 5.601e-16
S16 -2.197e-7 2.395e-10 -2.361e-12 4.612e-15 -5.24e-18
S19 -4.393e-7 3.281e-12 1.525e-13 -3.136e-16 1.912e-19
S24 1.255e-6 -1.22e-9 8.862e-12 -3.599e-14 5.612e-17
除上述提到的采用非球面的透镜表面外，其余的透镜表面均采用球面；所有透镜表面均镀有减反膜；摆扫补偿镜O和反射镜P的镜面均镀有反射膜，表2为本发明的光学结构参数。
表2光学结构参数表
上述装置与凝视型焦平面中波制冷探测器组合后，可形成大面阵紧凑型中波红外周扫光学系统，使用时该光学系统设置于转台上，优选地，凝视型焦平面中波制冷探测器的分辨率为640*512，像元尺寸为25μm，图像积分时间≥8ms，且上述光学装置的F数为2.0，通光口径≥105mm；所述转台的转速≥360°/s。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种大面阵紧凑型中波红外周扫光学装置，其特征在于：
由物方至像方沿光路依次设置的具有正光焦度的望远前固定组Ⅰ、具有正光焦度的望远后固定组Ⅱ、摆扫补偿镜O、具有正光焦度的二次成像前固定组Ⅲ、反射镜P、具有正光焦度的二次成像后固定组Ⅳ、保护窗口L、滤光片M和冷光阑N组成；
所述望远前固定组Ⅰ用于汇聚光线，实现一次成像；
所述望远后固定组Ⅱ用于收缩光束，将光束平行出射，与望远前固定组Ⅰ共同构成望远镜组；
所述二次成像前固定组Ⅲ用于对望远镜组出射的平行光进行二次成像、完成高低温和成像距离变化造成的像移补偿；
所述二次成像后固定组Ⅳ用于完成冷光阑N匹配和最后成像，与二次成像前固定组Ⅲ共同构成二次成像镜组；
所述望远镜组的出瞳和二次成像镜组的入瞳相重合，所述摆扫补偿镜O位于该重合处，与反射镜P共同将光路折转180°，克服旋转周扫曝光时间内二次成像镜组的像移；
所述望远前固定组Ⅰ由沿光路依次设置的凸面朝向物方的弯月形硅正透镜A、凸面朝向物方的弯月形锗负透镜B和凸面朝向物方的弯月形锗正透镜C组成；
所述望远后固定组Ⅱ由沿光路依次设置的凸面朝向像方的弯月形锗负透镜D、凸面朝向像方的弯月形硅正透镜E和双凸型的硅正透镜F组成；
所述二次成像前固定组Ⅲ由沿光路依次设置的双凸型的硅正透镜G和凸面朝向物方的弯月形锗正透镜H组成；
所述二次成像后固定组Ⅳ由沿光路依次设置的凸面朝向物方的弯月形锗正透镜I、凸面朝向物方的弯月形氟化钙负透镜J和凸面朝向物方的弯月形硅正透镜K组成；
所述光学装置的光学结构参数如下表所示：
2.根据权利要求1所述的大面阵紧凑型中波红外周扫光学装置，其特征在于：
所述负透镜B的出射面S4和正透镜C的出射面S6为非球面；
所述正透镜E的出射面S10和正透镜F的出射面S12为非球面；
所述正透镜H的入射面S16和正透镜I的入射面S19为非球面；
所述正透镜K的出射面S24为非球面；
其余的透镜表面均为球面。
3.根据权利要求2所述的大面阵紧凑型中波红外周扫光学装置，其特征在于：
所述摆扫补偿镜O和反射镜P的镜面均镀有反射膜；
所有透镜表面均镀有减反膜。
4.根据权利要求3所述的大面阵紧凑型中波红外周扫光学装置，其特征在于：
所有非球面均为偶次非球面，其表达式如下：
其中，z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距离非球面顶点的矢高；c为非球面的顶点曲率，为非球面顶点半径r0的倒数，即c＝1/r0；k为圆锥系数，k＝0；α2、α3、α4、α5、α6为高次非球面系数。
5.一种大面阵紧凑型中波红外周扫光学系统，其特征在于：
包括权利要求1至4任一项所述的大面阵紧凑型中波红外周扫光学装置，以及凝视型焦平面中波制冷探测器。
6.根据权利要求5所述的大面阵紧凑型中波红外周扫光学系统，其特征在于：
所述凝视型焦平面中波制冷探测器的分辨率为640*512，图像积分时间≥8ms；
所述大面阵紧凑型中波红外周扫光学装置的F数为2.0，通光口径≥105mm。
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