CN113985590B - 一种应用于光电跟踪粗探测的宽波段光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于光电跟踪粗探测的宽波段光学系统，包括共孔径望远镜、共孔径场镜、共孔径准直系统、可见光、近红外成像光学系统和短波成像系统，共孔径望远镜与共孔径场镜光路连接，共孔径场镜与共孔径准直系统光路连接，共孔径准直系统分别与可见光、近红外成像光学系统和短波成像系统光路连接。本发明具有焦距长、视场大、分辨率高等优点，环境适应性强，即利用了卡塞长焦距的功能，又利用了场镜压缩视场角减小光学成像镜片的尺寸，减小系统的成本，同时又利用了转折镜优化了系统的空间结构实现小型化等。

Description

一种应用于光电跟踪粗探测的宽波段光学系统

技术领域

本发明涉及光电跟瞄成像技术领域，更为具体的，涉及一种应用于光电跟踪粗探测的宽波段光学系统。

背景技术

光电跟踪瞄准装备(简称ATP)是定向能武器的重要组成部分，其目的是对远场目标进行粗探测并稳定跟踪，并通过发射望远镜对目标实现瞄准和打击。

光电跟瞄装备探测跟踪目标时，需要通过光电成像光学系统对目标进行探测，探测到目标后会将图像的脱靶量与光电跟瞄转台实现闭环控制，使得目标在远距离运动时，可以通过光电转台实时稳定跟踪。目前，光电跟瞄装备的粗跟踪探测存在如下需求：1)需要对远距离的目标成像，并稳定跟踪；2)探测远距离的目标需要系统的焦距非常长，各个波段的作用不同，对复杂环境下的适应性要求高；3)光学成像系统尺寸较大，不够灵活且系统实现成本高等。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种应用于光电跟踪粗探测的宽波段光学系统，具有焦距长、视场大、分辨率高等优点，环境适应性强，即利用了卡塞长焦距的功能，又利用了场镜压缩视场角减小光学成像镜片的尺寸，减小系统的成本，又利用了转折镜优化了系统的空间结构实现小型化等。

本发明的目的是通过以下方案实现的：

一种应用于光电跟踪粗探测的宽波段光学系统，包括共孔径望远镜、共孔径场镜、共孔径准直系统、可见光、近红外成像光学系统和短波成像系统，共孔径望远镜与共孔径场镜光路连接，共孔径场镜与共孔径准直系统光路连接，共孔径准直系统分别与可见光、近红外成像光学系统和短波成像系统光路连接。

进一步地，所述可见光、近红外成像光学系统和短波成像系统通过一个分光镜而分别成像，可见光、近红外成像光学系统经过所述一个分光镜反射成像，短波成像系统经过所述一个分光镜透射成像。

进一步地，所述共孔径场镜用于校正可见光、近红外成像光学系统和短波成像系统的场曲。

进一步地，通过所述共孔径准直系统将轴上主视场的光校正为平行光，平行光经过所述一个分光镜后仍是平行光。在该方案中，共孔径准直系统不仅用于将共孔径望远镜的一次成像，经过准直系统后，使得轴上主视场的光线准直成平行光；还能够用于减小短波成像系统透过分光镜成像时引入的像差，使得准直后系统主视场输出的平行光经过分光镜能够更好地在成像系统中成像。

进一步地，所述可见光、近红外成像光学系统和短波成像系统通过切换反射镜来共用探测器成像。

进一步地，共孔径望远镜包括主镜、次镜，所述主镜、次镜均为非球面。

进一步地，所述可见光、近红外成像光学系统包括依次光路连接的第一反射镜、第一可见光/近红外成像镜组、折叠镜、第二可见光/近红外成像镜组、第二反射镜、第三可见光、近红外成像透镜和可见光、近红外探测器焦平面。

进一步地，所述短波成像系统包括依次光路连接的第三反射镜、短波成像镜组、第四反射镜、第五反射镜和短波探测器焦平面。

进一步地，所述主镜包括卡塞格林主镜。

进一步地，所述分光镜包括设置在第一反射镜下方的分光镜。

本发明的有益效果包括：

本发明光学系统的焦距长、视场大、分辨率高等优点，环境适应性强，即利用了卡塞长焦距的功能，又利用了场镜压缩视场角减小光学成像镜片的尺寸，减小系统的成本，又利用了转折镜优化了系统的空间结构实现小型化。

本发明光学系统结构紧凑、成本低，易于实现。

本发明实施例光学系统由共孔径卡塞望远镜、共孔径场镜、共孔径准直系统、可见光、近红外成像光学系统和短波成像系统构成，波段为可见光、近红外和短波，共孔径的部分为卡塞望远镜、场镜和准直系统，其作用是通过卡塞望远镜实现很长的焦距，且减小系统的总长。可见光、近红外成像光学系统和短波成像系统通过一个分光镜而分别成像，可见光、近红外成像光学系统经过分光镜反射成像，短波成像系统经过分光镜透射成像。由于红外波段探测器的帧频和分辨率不高，而可见光、近红外和短波波段是很好的探测波段，可见光探测器帧频高、量子效率高且处理系统很完善，近红外和短波相对可见光探测器来说能够适应一些复杂的环境，更好的应用在光电跟瞄装备中。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施的一个总的光学分布图；

图2为本发明实施的光学系统成像三维图；

图3为应用本发明的光电跟瞄装备结构图；A表示光电跟瞄装备中的本发明光学系统；

图4为本发明实施的短波成像系统点列斑图；

图5为本发明实施的短波成像系统点列斑图MTF图；

图6为本发明实施的可见光、近红外成像系统点列斑图；

图7为本发明实施的可见光、近红外成像系统点列斑图MTF图；

图中，1-卡塞格林主镜；2-次镜；3-场镜；4-准直单元；5-第一反射镜；6-分光镜；7-第一可见光/近红外成像镜组；8-折叠镜；9-第二可见光/近红外成像镜组；10-第二反射镜；11-第三可见光、近红外成像透镜；12-可见光、近红外探测器焦平面；13-第三反射镜；14-短波成像镜组；15-第四反射镜；16-第五反射镜；17-短波探测器焦平面。

具体实施方式

本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。

如图1所示，一种应用于光电跟踪粗探测的宽波段光学系统，包括共孔径望远镜、共孔径场镜、共孔径准直系统、可见光、近红外成像光学系统和短波成像系统，共孔径望远镜与共孔径场镜光路连接，共孔径场镜与共孔径准直系统光路连接，共孔径准直系统分别与可见光、近红外成像光学系统和短波成像系统光路连接。

在可选的实施方式中，可见光、近红外成像光学系统和短波成像系统通过一个分光镜而分别成像，可见光、近红外成像光学系统经过一个分光镜反射成像，短波成像系统经过一个分光镜透射成像。

在可选的实施方式中，共孔径场镜用于校正可见光、近红外成像光学系统和短波成像系统的场曲。

在可选的实施方式中，通过共孔径准直系统将轴上主视场的光校正为平行光，平行光经过一个分光镜后仍是平行光。在该方案中，共孔径准直系统不仅用于将共孔径望远镜的一次成像，经过准直系统后，使得轴上主视场的光线准直成平行光；还能够用于减小短波成像系统透过分光镜成像时引入的像差，使得准直后系统主视场输出的平行光经过分光镜能够更好地在成像系统中成像。

在可选的实施方式中，可见光、近红外成像光学系统和短波成像系统通过切换反射镜来共用探测器成像。

在可选的实施方式中，共孔径望远镜包括主镜、次镜2，主镜、次镜2均为非球面。

在可选的实施方式中，可见光、近红外成像光学系统包括依次光路连接的第一反射镜5、第一可见光/近红外成像镜组7、折叠镜8、第二可见光/近红外成像镜组9、第二反射镜10、第三可见光、近红外成像透镜11和可见光、近红外探测器焦平面12。

在可选的实施方式中，短波成像系统包括依次光路连接的第三反射镜13、短波成像镜组14、第四反射镜15、第五反射镜16和短波探测器焦平面17。

在可选的实施方式中，主镜包括卡塞格林主镜1。

在可选的实施方式中，分光镜包括设置在第一反射镜5下方的分光镜6。

图1为本发明实施例光学系统的总图，从图1中可以知道，共用的光学系统可以为卡塞格林主镜1、次镜2、场镜3和准直单元4，准直单元4将轴上主视场的光学准直为平行光，然后经过第一反射镜5反射后，经过分光镜6，可见光、近红外经过分光镜6后按照折叠镜8、第二可见光、近红外成像镜组9、第二反射镜10、第三可见光、近红外成像透镜11成像在可见光、近红外探测器焦平面12上；短波则透过分光镜6后按照第三反射镜13、短波成像镜组14、第四反射镜15和第五反射镜16成像在短波探测器焦平面17上。

图2为本发明实施例光学系统的三维结构图，从图2中可以较为直观的看到，通过转折镜实现在空间光路的折叠，可以实现系统的小型化，将准直单元、反射镜、分光镜合理的分布在主镜的后方。表1为可见光、近红外成像光学材料表，从表中可以知道本发明实施例光学系统的光学参数，在表1中的距离信息中，可以看到主、次镜的间距为-120，光路在主镜上反射，因此为负。可见光、近红外成像和短波成像单元的径向厚度远远小于120mm，因此该系统的结构非常紧凑。表2为短波成像光学材料表，从表中可以知道该系统的光学参数。

表1可见光、近红外光学系统光学参数

表2短波光学系统光学参数

序号	材料	曲率半径/mm	厚度/mm
				1	Mirror	-290.22	-120.00
2	Mirror	-84.07	60.00
				3	ZNS	-10.57	25.00
4		-19.75	58.00
				5	CAF	-75.92	3.00
6		40.78	0.20
				7	BAF	26.92	7.63
8		-43.54	72.00
				9	ZNS	无限	7
10		无限	7
				11	N-KF9	19.17	6.02
12		21.04	3.99
				13	IRG104	26.83	6.01
14		-338.76	5.68
				16	LASF35	-28.22	4.03
17		35.43	25.01
				18	SF55	-87.92	6.00
19		-39.91	5.01
				20	SF63	-5110.57	6.00
21		-80.38

从图4、图5可知，短波光学系统的光斑点列图差不多都在光学系统的衍射极限艾里斑内。MTF曲线靠近衍射极限。

从图6、图7可知，可见光、近红外光学系统的光斑点列图差不多都在光学系统的衍射极限艾里斑内。MTF曲线靠近衍射极限。

本发明实施例光学系统安装在光电跟瞄装备的转台上如图3所示，通过该光学系统实现对远距离目标的探测，探测到目标后，通过图像处理与光电伺服转台形成闭环控制，探测图像能够实时的输出脱靶量，脱靶量给到伺服控制系统，实时控制转台实现对目标的稳定指向。本发明实施例光学系统具有较高的分辨率，孔径光阑在离轴主镜上，系统分布为可见光、近红外和短波光学系统。短波光学系统的焦距为1700mm，F数为8.5，系统采用640×532的InGaAs短波红外焦平面探测器，像元分辨率为10um。系统的焦距为1400mm，F数为7，系统采用2000×2000的焦平面探测器，像元分辨率为5.5um。本发明实施例的主要特点在于小型化、共孔径、集成度高、超高分辨率，可提高粗跟踪的控制带宽和跟踪精度。

图3为将本发明实施例光学系统安装在光电跟瞄装备的转台上的示意图，其中A表示光电装备中的本发明光学系统，通过本发明光学系统实现对远距离目标的探测，探测到目标后，通过图像处理与光电伺服转台形成闭环控制，探测图像能够实时的输出脱靶量，脱靶量给到伺服控制系统，实时控制转台实现对目标的稳定指向。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

除以上实例以外，本领域技术人员根据上述公开内容获得启示或利用相关领域的知识或技术进行改动获得其他实施例，各个实施例的特征可以互换或替换，本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (3)

1.一种应用于光电跟踪粗探测的宽波段光学系统，其特征在于，包括：共孔径望远镜、共孔径场镜、共孔径准直系统、可见光、近红外成像光学系统和短波成像系统，共孔径望远镜与共孔径场镜光路连接，共孔径场镜与共孔径准直系统光路连接，共孔径准直系统分别与可见光、近红外成像光学系统和短波成像系统光路连接；

所述可见光、近红外成像光学系统和短波成像系统通过一个分光镜而分别成像，可见光、近红外成像光学系统经过所述一个分光镜反射成像，短波成像系统经过所述一个分光镜透射成像；

共孔径场镜用于校正可见光、近红外成像光学系统和短波成像系统的场曲；

通过所述共孔径准直系统将轴上主视场的光校正为平行光，平行光经过所述一个分光镜后仍是平行光；

所述可见光、近红外成像光学系统和短波成像系统通过切换反射镜来共用探测器成像；

共孔径望远镜包括主镜、次镜(2)，所述主镜、次镜(2)均为非球面；

所述可见光、近红外成像光学系统包括依次光路连接的第一反射镜(5)、第一可见光/近红外成像镜组(7)、折叠镜(8)、第二可见光/近红外成像镜组(9)、第二反射镜(10)、第三可见光、近红外成像透镜(11)和可见光、近红外探测器焦平面(12)；

所述短波成像系统包括依次光路连接的第三反射镜(13)、短波成像镜组(14)、第四反射镜(15)、第五反射镜(16)和短波探测器焦平面(17)。

2.根据权利要求1所述的应用于光电跟踪粗探测的宽波段光学系统，其特征在于，所述主镜包括卡塞格林主镜(1)。

3.根据权利要求1所述的应用于光电跟踪粗探测的宽波段光学系统，其特征在于，所述分光镜包括设置在第一反射镜(5)下方的分光镜(6)。