CN114280763A - 宽温高气动轻巧型共缩束可见中波红外扫描稳像光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽温高气动轻巧型共缩束可见中波红外扫描稳像光学系统，该系统采用双波段共缩束系统与单快反镜的组合，解决了在现有双波段共口径稳像光学系统中使用分波段缩束系统和双快反镜的组合所导致的系统复杂，无法轻量化和小型化的问题。本发明分别对可见成像光学系统和中波红外光学系统实现了在临近空间环境下的被动式无热化设计，解决了现有双波段光学系统在无调焦机构时的宽温高分辨率成像问题，且进一步减轻了系统总重和体积。本发明采用与飞行器机壳曲率一致的同心球罩玻璃窗口，解决了现有的平面玻璃窗口破坏飞行器气动外形的问题。

Description

宽温高气动轻巧型共缩束可见中波红外扫描稳像光学系统

技术领域

本发明属于光电技术领域，具体涉及一种宽温高气动轻巧型共缩束可见中波红外扫描稳像光学系统，该系统尤其适合在临近空间搭载飞行器对地观测成像。

背景技术

近些年，随着光学成像技术的进步和多波段信息融合技术的应用，对地空间光学探测装置已从可见光或红外的单波段成像向可见光和红外的双波段成像迅猛地发展。同时，随着快反摆扫稳像技术的发展，对地空间光学探测装置也从凝视成像向动态成像迅速转变。因此，在复杂的空间环境中，可见波红外稳像光学系统可以做到全天候、高分辨、高动态、高效的对地目标实施远距离隐蔽探测与识别。

目前，双波段稳像光学系统多采用共口径的设计形式。这种设计形式通常是将卡氏两反系统作为缩束系统的前组使双波段入射光束会聚，经分光镜将红外光和可见光分束后，再由各自的缩束后组、快反镜和成像镜组成像到探测器上。如此系统结构复杂，不利于系统的轻量化和小型化。因此，研究双波段共缩束稳像光学系统成了一项关键技术。

在临近空间中，外界的温度和热辐射环境非常恶劣，会导致双波段光学系统在实施控温的情况下，仍处于宽温的环境中工作。为了解决这一问题，技术人员通常在光学系统中设置调焦机构，用于调节不同工作温度时的像质，但这种像质不稳定，同时也增加了系统的复杂度。因此，研究双波段共缩束稳像光学系统被动式无热化设计成了另一项关键技术。

此外，若双波段稳像光学系统搭载在飞行器时，通常采用的平面玻璃窗口与飞行器的气动外形相悖。因此，将玻璃窗口设计成与飞行器机壳曲率一致的球形玻璃窗口更加具有应用价值。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明提供了一种宽温高气动轻巧型共缩束可见中波红外扫描稳像光学系统，该系统不但实现了小型化和轻量化，还实现了在临近空间环境下的被动式无热化设计。

以下结合具体技术方案对本发明进行详述：

该宽温高气动轻巧型共缩束可见中波红外扫描稳像光学系统包括沿光路方向依次设置的同心球罩(1)、卡氏折反式共口径双波段缩束系统(2)和快反镜(3)和分色镜(4)；经分色镜(4)分色后的可见光束经可见光成像镜组(5)进入可见光面阵探测器(6)成像，经分色镜(4)分色后的中波红外光束经中波红外成像镜组(7)进入中波红外面阵制冷探测器(8)成像。

进一步地，所述卡氏折反式共口径双波段缩束系统(2)包括主镜(2-1)、次镜(2-2)、第一透镜(2-3)、第二透镜(2-4)、第三透镜(2-5)、第四透镜(2-6)、第一反射镜反射镜(2-7)、第五透镜(2-8)、第六透镜(2-9)、第二反射镜(2-10)和第七透镜(2-11)；上述镜沿光路方向依次设置为次镜(2-2)、第一透镜(2-3)、第二透镜(2-4)、第三透镜(2-5)、第四透镜(2-6)、主镜(2-1)、第一反射镜反射镜(2-7)、第五透镜(2-8)、第六透镜(2-9)、第二反射镜(2-10)和第七透镜(2-11)；所述第七透镜(2-11)对光路进行第一次转折，第二反射镜(2-10)对光路进行第二次转折，第一次转折前与第一次转折后的光路之间夹角为90°，第二次转折前与第二次转折后的光路之间夹角为90°，第一次转折前与第二次转折后光路之间夹角为90°，即第一次光路转折是将光路从X方向转向至Y方向，第二次光路转折是将光路从Y方向转向至Z方向；所述主镜(2-1)、次镜(2-2)为偶次非球面反射镜，第一透镜(2-3)为负光焦度透镜，第二透镜(2-4)、第三透镜(2-5)组成胶合镜，第四透镜(2-6)、第六透镜(2-9)和第七透镜(2-11)为正光焦度透镜，第一反射镜反射镜(2-7)、第二反射镜(2-10)为正光焦度透镜，第五透镜(2-8)为弯月透镜；

所述主镜(2-1)中心设置有通孔，且通孔直径小于等于次镜(2-2)的外径，否则会扩大主次镜之间的遮拦比，从而引起遮光。

进一步地，主镜(2-1)和次镜(2-2)的口径的比值设定为0.3～0.4，即主镜(2-1)和次镜(2-2)的遮拦比为0.3～0.4。

传统镜组的设计难点在于：由于可同时透过可见和中波红外的玻璃材料很少，且玻璃理化性能优异的仅有3～5种，因此使得传统镜组像差校正难度极大，而上述卡氏折反式共口径双波段缩束系统(2)能够有效减小光束口径，降低后组的设计难度。

进一步地，所述可见光束经可见光成像镜组(5)包括沿光路方向依次设置的第一透镜(5-1)、第二透镜(5-2)、第三反射镜(5-3)、第三透镜(5-4)、第四透镜(5-5)、第五透镜(5-6)；所述第三反射镜(5-3)对入射光进行90°转折；所述第一透镜(5-1)和第二透镜(5-2)组成胶合镜，第三透镜(5-4)为正光焦度透镜，第四透镜(5-5)和第五透镜(5-6)为负光焦度透镜。

进一步地，所述中波红外成像镜组(7)包括眼光路方向依次设置的第一透镜(7-1)、第二透镜(7-2)、第四反射镜(7-3)、第三透镜(7-4)、第五反射镜(7-5)、第六反射镜(7-6)和第四透镜(7-7)、第五透镜(7-8)；所述第四反射镜(7-3)对光路进行第一次转折，第五反射镜(7-5)对光路进行第二次转折，第六反射镜(7-6)对光路进行第三次转折，第一次转折前与第一次转折后的光路之间夹角为90°，第二次转折前与第二次转折后的光路之间夹角为90°，第三次转折前与第三次转折后的光路之间夹角为90°，第一次转折前与第二次转折后光路之间夹角为90°，第一次转折后与第三次转折后光路之间的夹角为180°，第二次转折后与第三次转折后光路之间夹角为90°，即第一次光路转折是将光路从Y轴方向转向至X轴方向，第二次光路转折是将光路从X轴方向转向至Z轴方向；第三次光路转折是将光路从Z轴方向转向至相对于第二次X轴方向的反方向；所述第一透镜(7-1)、第三透镜(7-4)、第四透镜(7-7)为正光焦度透镜，第二透镜(7-2)、第五透镜(7-8)均为负光焦度透镜；

上述内容中，对于透镜的排序是遵循各镜组内部独立排序，因此会出现多个第一透镜、第二透镜等，但这些定义并不代表是相同的透镜；对于反射镜的排序是统一进行排序，即各镜组内的反射镜按照第一、第二等依次进行。

进一步地，所述分色镜(4)反射0.6μm～0.9μm的可见光束，透射3.7μm～4.8μm的中波红外光束。

本发明的优点：

1、本发明通过技术措施实现了小型化和轻量化，可放置在Φ300mm的载荷包络内，载荷总重小于10Kg。

2、本发明在能够在临近空间中完成对地目标的高空间分辨率的探测与侦查。

3、本发明采用双波段共缩束系统与单快反镜的组合，解决了在现有双波段共口径稳像光学系统中使用分波段缩束系统和双快反镜的组合所导致的系统复杂，无法轻量化和小型化的问题。

4、本发明分别对可见成像光学系统和中波红外光学系统实现了在临近空间环境下的被动式无热化设计，解决了现有双波段光学系统在无调焦机构时的宽温高分辨率成像问题，且进一步减轻了系统总重和体积。

5、本发明采用飞行器机壳曲率一致的同心球罩玻璃窗口，解决了现有的平面玻璃窗口破坏飞行器气动外形的问题。

附图说明

图1光学载荷搭载飞行器示意图；

图2光学载荷结构包络图；

图3光学系统结构示意图；

图4卡氏折反式共口径双波段缩束系统；

图5可见光成像镜组；

图6中波红外成像镜组；

图7可见光光学系统静态调制传递函数曲线；

图8可见光光学系统扫描态调制传递函数曲线；

图9可见光光学系统在-30℃时的调制传递函数曲线；

图10可见光光学系统在+40℃时的调制传递函数曲线；

图11中波红外光光学系统静态调制传递函数曲线；

图12中波红外光光学系统扫描态调制传递函数曲线；

图13中波红外光光学系统在-30℃时的调制传递函数曲线；

图14中波红外光光学系统在+40℃时的调制传递函数曲线。

具体实施方式

该宽温高气动轻巧型共缩束可见中波红外扫描稳像光学系统，包括同心球罩、卡氏折反式共口径双波段缩束系统、快反镜、分色镜、可见光成像镜组、中波红外成像镜组、可见光面阵探测器和中波红外面阵制冷探测器。目标发出的平行光束依次经过同心球罩、卡氏折反式共口径双波段缩束系统和快反镜反射后仍以平行光束出射，出射光束再由分色镜进行分色。其中，经分色镜反射的光束为可见光束，该光束进入可见光成像镜组后，将目标成像在可见光面阵探测器。同时，经分色镜透射的光束为中波红外光束，该光束进入中波红外成像镜组后，将目标成像在中波红外面阵制冷探测器上，最终实现了可见光中波红外的高空间分辨率高速动态清晰成像。

其中，同心球罩优选质硬、理化性能优异，可同时透过可见光和中波红外两种波段的玻璃材料。缩束系统中的主镜、次镜均为偶次非球面反射镜，其余均为可同时透过可见光和中波红外两种波段的玻璃材料的透镜。其中第一透镜为负光焦度透镜，第二透镜和第三透镜组成胶合镜，第四透镜、第六透镜和第七透镜为正光焦度透镜，第五透镜为弯月透镜。可见光成像镜组均为可见光材料透镜，第一透镜和第二透镜组成一个胶合镜，第三透镜为正光焦度透镜，第四透镜和第五透镜为负光焦度透镜。中波红外成像镜组均为红外材料透镜，第一透镜、第三透镜和第四透镜均为正光焦度透镜，第二透镜和第五透镜均为负光焦度透镜。分色镜反射0.6μm～0.9μm的可见光束，透射3.7μm～4.8μm的中波红外光束。

本发明中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，“a，b或c中的至少一项(个)”，或，“a，b和c中的至少一项(个)”，均可以表示：a，b，c，a-b(即a和b)，a-c，b-c，或a-b-c，其中a，b，c分别可以是单个，也可以是多个。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

以下结合附图1～附图14对本发明的实施方式做进一步详细说明。

如图1和图2所示，本发明提出了一种在临近空间中，可搭载飞行器，对距离地面百公里以内的目标，拥有可见光和中波红外光两种波段高空间分辨率探测能力的宽温高气动轻巧型共缩束可见中波红外扫描稳像光学系统。本发明通过技术措施实现了小型化和轻量化，可放置在Φ300mm的载荷包络内，载荷总重小于10Kg。

在本实施方式中，如图3所示，目标发出的平行光束依次经过1同心球罩、2卡氏折反式共口径双波段缩束系统和3快反镜反射后仍以平行光束出射，出射光束再由4分色镜进行分色。其中，经4分色镜反射的光束为可见光束，该光束进入5可见光成像镜组后，将目标成像在6可见光面阵探测器。同时，经4分色镜透射的光束为中波红外光束，该光束进入7中波红外成像镜组后，将目标成像在8中波红外面阵制冷探测器上，最终实现了可见光中波红外的高空间分辨率高速动态清晰成像。

本实施方式所述的1同心球罩为质硬、理化性能优异，可同时透过可见光和中波红外两种波段的玻璃材料。

如图4所示，本实施方式所述的在2卡氏折反式共口径双波段缩束系统中，2-1主镜、2-2次镜均为偶次非球面反射镜，2-3第一透镜为负光焦度透镜，2-4第二透镜和2-5第三透镜组成胶合镜，2-8第五透镜为弯月透镜，2-6第四透镜、2-9第六透镜和2-11第七透镜为正光焦度透镜，2-7第一反射镜和2-10反射镜2用于折转光路，实现压缩光路的目的。

本实施方式所述的3快反镜实施快速摆扫，补偿系统像移，其表面需镀可同时反射可见光波段和中波红外波段的高反膜。

本实施方式所述的4分色镜可将可见光和中波红外进行分束，其反射0.6μm～0.9μm的可见光束，透射3.7μm～4.8μm的中波红外光束。

如图5所示，本实施方式所述的在5可见光成像镜组中，5-1第一透镜和5-2第二透镜组成一个胶合镜，5-3为反射镜3，用于折转光路，实现压缩光路的目的。5-4第三透镜为正光焦度透镜，5-5第四透镜和5-6第五透镜为负光焦度透镜。

如图6所示，本实施方式所述的在7中波红外成像镜组中，7-1第一透镜、7-4第三透镜和7-7第四透镜均为正光焦度透镜，7-2第二透镜和7-8第五透镜均为负光焦度透镜。7-3反射镜4、7-5反射镜5和7-6反射镜6用于折转光路，实现压缩光路的目的。

本实施方式所述的光学系统参数包括：入瞳直径120mm；可见光成像系统和中波红外成像系统的视场相同，视场为2°×2.4°；可见光波段0.6μm～0.9μm，中波红外波段3.7μm～4.8μm；可见光F数为4.8，中波红外F数为4。

在本实施方式中，使用的是制冷型中波红外红外探测器，因此需要实现二次成像，为了实现冷光阑与系统光瞳的匹配。

在本实施方式中，光学系统的包络为232mm×190mm×145mm，充分压缩了系统体积，实现了小型化，并有利于轻量化。

对于可见光系统，其空间分辨率为0.01mrad；对于中波红外系统，空间分辨率为0.04mrad。在临界空间时，两种波段瞬时视场均可覆盖100公里处的1km×1km的区域。

如图7所示，可见光光学系统静态调制传递函数曲线，在空间频率为112lp/mm时，各个视场的MTF>0.26，整体像质达到了衍射极限。

如图8所示，可见光光学系统扫描态调制传递函数曲线，在空间频率为112lp/mm时，各个视场的MTF>0.23，整体像质达到了衍射极限。

如图9和图10所示，分别为可见光光学系统在极限温度-30℃和+40℃时的调制传递函数曲线，在空间频率为112lp/mm时，各个视场的MTF>0.22，整体像质达到了衍射极限。

如图11所示，中波红外光光学系统静态调制传递函数曲线，在空间频率为34lp/mm时，最边缘视场的MTF>0.17，其余视场的MTF>0.2，整体像质达到了衍射极限。

如图12所示，中波红外光光学系统扫描态调制传递函数曲线，在空间频率为34lp/mm时，最边缘视场的MTF>0.17，其余视场的MTF>0.2，整体像质达到了衍射极限。

如图13和图14所示，分别为中波红外光光学系统在极限温度-30℃和+40℃时的调制传递函数曲线，在空间频率为34lp/mm时，最边缘视场的MTF>0.16，其余视场的MTF>0.2，整体像质达到了衍射极限。

本实施方式所述的宽温高气动轻巧型共缩束可见中波红外扫描稳像光学系统，可搭载飞行器在环境复杂的临近空间中，完成可见光波段和中波红外波段的高空间分辨率对地探测任务。在满足各个功能实现的同时，做到了轻量化和小型化，具备极高的使用价值。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种宽温高气动轻巧型共缩束可见中波红外扫描稳像光学系统，其特征在于：包括沿光路方向依次设置的同心球罩(1)、卡氏折反式共口径双波段缩束系统(2)和快反镜(3)和分色镜(4)；经分色镜(4)分色后的可见光束经可见光成像镜组(5)进入可见光面阵探测器(6)成像，经分色镜(4)分色后的中波红外光束经中波红外成像镜组(7)进入中波红外面阵制冷探测器(8)成像。

2.根据权利要求1所述的宽温高气动轻巧型共缩束可见中波红外扫描稳像光学系统，其特征在于：所述卡氏折反式共口径双波段缩束系统(2)包括主镜(2-1)、次镜(2-2)、第一透镜(2-3)、第二透镜(2-4)、第三透镜(2-5)、第四透镜(2-6)、第一反射镜反射镜(2-7)、第五透镜(2-8)、第六透镜(2-9)、第二反射镜(2-10)和第七透镜(2-11)；

上述镜沿光路方向依次设置为次镜(2-2)、第一透镜(2-3)、第二透镜(2-4)、第三透镜(2-5)、第四透镜(2-6)、主镜(2-1)、第一反射镜反射镜(2-7)、第五透镜(2-8)、第六透镜(2-9)、第二反射镜(2-10)和第七透镜(2-11)；

所述第七透镜(2-11)对光路进行第一次转折，第二反射镜(2-10)对光路进行第二次转折，第一次转折前与第一次转折后的光路之间夹角为90°，第二次转折前与第二次转折后的光路之间夹角为90°，第一次转折前与第二次转折后光路之间夹角为90°，即第一次光路转折是将光路从X方向转向至Y方向，第二次光路转折是将光路从Y方向转向至Z方向；

所述主镜(2-1)、次镜(2-2)为偶次非球面反射镜，第一透镜(2-3)为负光焦度透镜，第二透镜(2-4)、第三透镜(2-5)组成胶合镜，第四透镜(2-6)、第六透镜(2-9)和第七透镜(2-11)为正光焦度透镜，第一反射镜反射镜(2-7)、第二反射镜(2-10)为正光焦度透镜，第五透镜(2-8)为弯月透镜；

所述主镜(2-1)中心设置有通孔，且通孔直径小于等于次镜(2-2)的外径。

3.根据权利要求2所述的宽温高气动轻巧型共缩束可见中波红外扫描稳像光学系统，其特征在于：所述主镜(2-1)和次镜(2-2)的口径的比值设定为0.3～0.4，即主镜(2-1)和次镜(2-2)的遮拦比为0.3～0.4。

4.根据权利要求1所述的宽温高气动轻巧型共缩束可见中波红外扫描稳像光学系统，其特征在于：

所述可见光束经可见光成像镜组(5)包括沿光路方向依次设置的第一透镜(5-1)、第二透镜(5-2)、第三反射镜(5-3)、第三透镜(5-4)、第四透镜(5-5)、第五透镜(5-6)；

所述第三反射镜(5-3)对入射光进行90°转折；

所述第一透镜(5-1)和第二透镜(5-2)组成胶合镜，第三透镜(5-4)为正光焦度透镜，第四透镜(5-5)和第五透镜(5-6)为负光焦度透镜。

5.根据权利要求1所述的宽温高气动轻巧型共缩束可见中波红外扫描稳像光学系统，其特征在于：

所述中波红外成像镜组(7)包括眼光路方向依次设置的第一透镜(7-1)、第二透镜(7-2)、第四反射镜(7-3)、第三透镜(7-4)、第五反射镜(7-5)、第六反射镜(7-6)和第四透镜(7-7)、第五透镜(7-8)；

所述第四反射镜(7-3)对光路进行第一次转折，第五反射镜(7-5)对光路进行第二次转折，第六反射镜(7-6)对光路进行第三次转折，第一次转折前与第一次转折后的光路之间夹角为90°，第二次转折前与第二次转折后的光路之间夹角为90°，第三次转折前与第三次转折后的光路之间夹角为90°，第一次转折前与第二次转折后光路之间夹角为90°，第一次转折后与第三次转折后光路之间的夹角为180°，第二次转折后与第三次转折后光路之间夹角为90°，即第一次光路转折是将光路从Y轴方向转向至X轴方向，第二次光路转折是将光路从X轴方向转向至Z轴方向；第三次光路转折是将光路从Z轴方向转向至相对于第二次X轴方向的反方向；

所述第一透镜(7-1)、第三透镜(7-4)、第四透镜(7-7)为正光焦度透镜，第二透镜(7-2)、第五透镜(7-8)均为负光焦度透镜。

6.根据权利要求1至5任一所述的宽温高气动轻巧型共缩束可见中波红外扫描稳像光学系统，其特征在于：所述分色镜(4)反射0.6μm～0.9μm的可见光束，透射3.7μm～4.8μm的中波红外光束。

7.根据权利要求6所述的宽温高气动轻巧型共缩束可见中波红外扫描稳像光学系统，其特征在于：所述同心球罩(1)为质硬且同时透过可见光和中波红外两种波段的玻璃同心球罩，且同心球罩(1)与飞行器机壳曲率一致。

8.根据权利要求7所述的宽温高气动轻巧型共缩束可见中波红外扫描稳像光学系统，其特征在于：所述快反镜(3)表面镀有可同时反射可见光波段和中波红外波段的高反膜。

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