CN203606560U

CN203606560U - 一种弹载探测识别用的大视场光学成像系统

Info

Publication number: CN203606560U
Application number: CN201320674798.9U
Authority: CN
Inventors: 季轶群; 石荣宝; 周建康; 王岩
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2013-10-29
Filing date: 2013-10-29
Publication date: 2014-05-21
Anticipated expiration: 2023-10-29

Abstract

本实用新型涉及一种弹载探测识别用的大视场光学系统。它由一个光学玻璃球罩、两块折叠平面反射镜、带通滤光片、电控光阑和一个改进型的匹兹万结构物镜构成。其中，改进型的匹兹万结构物镜由两组双胶合透镜组和一片弯月透镜构成。本实用新型提供的光学系统结构简单，安装与装调容易，稳定性好。采用两块折叠平面镜，大大减小了系统的长度，满足导弹预留空间要求的同时，有效降低杂光系数。本实用新型采用折反射式的光学结构、简单紧凑、适用于较宽的近红外波段、适应温度范围广，具有色差小、消热差能力强、畸变小、成像性能优等特点。

Description

一种弹载探测识别用的大视场光学成像系统

技术领域

本实用新型涉及一种搭载于导弹的光学系统，特别涉及一种采用折反射结构的、工作于近红外波段的、大视场、大口径、非成像光线抑制性能好的、目标跟踪识别用光学系统。

背景技术

大视场低杂光目标捕获和跟踪识别的高性能光学系统，是保证飞行器、航天器等的目标捕获精度和提高其探测识别效率的重要部件。随着探测领域的扩展，受工作波段的限制和强的非成像光线干扰，普通光学系统很难同时实现对近红外波段弱目标捕获、精确跟踪与快速识别。

参见附图1，它是导弹跟踪识别工作模式时的工作原理示意图；大视场光学系统安装于导弹上，地物太阳光反射光经过导弹上的大视场光学系统后，在探测器的光敏面上形成光学像，由电子电路采集，经图像处理后输出捕获的目标图像，通过与图库数据的对比，实现对地物目标的精确捕获、跟踪、识别和探测。

光学系统成像性能和非成像光线抑制性能，即光学系统成像质量与杂光抑制性能密切相关。非成像光线即杂光，是制约光学系统成像质量的主要因素之一，根据在不同能见度条件下，对光学系统地面反射辐亮度和大气背景辐亮度进行计算，发现在可见光波段，大气背景辐亮度大于地面反射辐射亮度，信号被淹没，而在近红外波段（700nm～1000nm）地面反射辐亮度大于大气背景辐亮度，目标信号能够被探测。因此，光学系统工作于近红外波段有利于降低非成像光线的干扰。另外，为提高目标捕获效率，要求系统视场大，即要求系统同时具有宽工作波段、大视场和强的非成像光线抑制性能。宽波段和大视场会分别导致色差和畸变，大视场还会产生严重的非成像光线，影响成像性能。

发明内容

本实用新型所要解决的问题是克服现有技术存在的不足，提供一种结构简单紧凑、适用波段宽、成像性能优、杂光抑制性能强的弹载探测识别用的大视场光学系统。

本实用新型所采用的技术方案是：提供一种弹载探测识别用的大视场光学系统，它为折反射光学系统，采用同轴折射结构，沿光线入射方向的光学元件依次为：弯月形球面负透镜、第一折叠平面反射镜、第二折叠平面反射镜、光学滤光片、改进型的匹兹万结构物镜、CCD保护玻璃和像面，所有光学元件安装于同一个镜筒内；所述的改进型的匹兹万结构物镜包括第一双胶合透镜组、第二双胶合透镜组和一块弯月形球面透镜；所述的第一双胶合透镜组由正透镜和负透镜构成，第二双胶合透镜组由正透镜和负透镜构成，弯月形球面透镜的弯曲方向为背向像面；弯月形球面负透镜、第一双胶合透镜组的正透镜和负透镜、第二双胶合透镜组的正透镜和负透镜、弯月形球面透镜的焦距相对于大视场光学系统焦距的归一化值分别对应为f’ ₁、f’ ₅₁₁、f’ ₅₁₂、f’ ₅₂₁、f’ ₅₂₂、f’ ₅₃，满足条件-348≤f’ ₁≤-343、0.89≤f’ ₅₁₁≤0.92、-1.13≤f’ ₅₁₂≤-1.08、0.62≤f’ ₅₂₁≤0.65、-2.51≤f’ ₅₂₂≤-2.48、-1.14≤f’ ₅₃≤-1.09。

本实用新型所述大视场光学系统的焦距f为18mm≤ f ≤21mm；镜筒长度L为127mm≤L≤131mm。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型光学系统采用同轴折射结构，通过引入两块平面反射镜，有效减小光学系统长度，系统结构简单、稳定性好。

2、光学系统的视场为0°≤ω≤25°，可探测范围广，探测识别成功率高；同时，光学系统的杂光系数达到了0.35%≤η≤0.75%，杂光抑制性能好，可提高识别精度，降低误识别率。

附图说明

图1是导弹跟踪识别工作模式时的工作原理示意图；

图2是本实用新型实施例提供的导弹探测识别用大视场光学系统的成像光路图；

图3是本实用新型实施例提供的改进型的匹兹万结构物镜的结构示意图；

图4～5分别是本实用新型实施例提供的用于导弹探测识别用大视场光学系统的调制传递函数曲线；

图6是本实用新型实施例提供的用于导弹探测识别用大视场光学系统的畸变曲线；

图7是本实用新型实施例提供的用于导弹探测识别用大视场光学系统像面的光线追迹点列图；

图8是本实用新型实施例提供的用于导弹探测识别用大视场光学系统的能量集中度曲线；

图9是本实用新型实施例提供的用于导弹探测识别用大视场光学系统的相对照度曲线；

图10是本实用新型实施例提供的用于导弹探测识别用大视场光学系统的鬼像分析图像。

图中：1、弯月形球面负透镜；2、第一折叠平面反射镜；3、第二折叠平面反射镜；4、平行平板滤光片；5、改进型的匹兹万结构物镜；511、第一双胶合组正透镜；512、第一双胶合组负透镜；521、第二双胶合组正透镜；522、第二双胶合组负透镜；53、弯月形球面透镜；6、CCD保护玻璃；7、大视场光学系统的像平面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对实用新型的实施方案作进一步的具体阐述。

实施例1：

本实施例的技术方案是提供一种用于导弹探测识别用大视场光学成像系统，它的工作波段为0.72μm～1.0μm，系统F数为F/#=3.0，全视场角17.5度。

参见附图2和3，它们是本实施例提供的用于导弹探测识别用大视场光学系统的成像光路图和改进后的匹兹万物镜的结构示意图；由图2可以看出，该成像光学系统由两块平面反射镜和七块透镜构成，沿光线入射方向，依次为弯月形球面负透镜1、第一折叠平面反射镜2、第二折叠平面反射镜3、光学滤光片4、改进型的匹兹万结构物镜5的第一双胶合透镜组51、第二双胶合透镜组52和一块弯月形球面透镜53构成，双胶合透镜组51由正透镜511和负透镜512构成，第二双胶合透镜组52由正透镜521和负透镜522构成，光学系统的像平面7位于焦平面探测器的光敏面上，6是焦平面探测器的CCD保护玻璃。大视场系统光栏位于改进型匹兹万结构物镜与光学滤光片之间，大视场系统光焦度基本由弯月形球面负透镜1和改进型匹兹万结构物镜5承担，弯月形球面负透镜主要对光学系统起保护作用。

由图3的改进后的匹兹万物镜的结构示意图中可以看出；在匹兹万结构的两组双胶合透镜基础上，在两双胶合镜组与像面之间，引入一块弯月形球面透镜53，弯曲方向为背向像面，且该弯月形球面透镜靠近像平面，可用作场校正，减小与视场相关的像差。

本实施例提供的大视场光学系统中，对应各光学元件的相关参数如下：系统的焦距为20mm，弯月形球面负透镜1、第一双胶合组正透镜511、第一双胶合组负透镜512、第二双胶合组正透镜521、第二双胶合组负透镜522和弯月形球面透镜53的曲率半径依次分别为140.0mm、131.5m、-10.0mm、-5.5mm、-10.1mm、11.5mm、-22.1mm、-58.9mm、-6.4mm、-11.3mm；沿光线入射方向，各透镜的厚度依次为8.5mm、2.0mm、3.0mm、2.7mm、2.8mm、2.6mm；各透镜的折射率依次为1.52、1.55、1.75、1.61、1.76、1.75。

为克服导弹舱实际使用条件限制，本实用新型一方面在透镜1与匹兹万物镜之间引入两块折叠反射镜，整个系统长度仅100mm，为无折叠镜系统的三分之二，大大减小整个光学系统的尺寸；并且通过光路转折，可有效降低光学系统的杂散光影响；另一方面，将匹兹万物镜设计在靠近像面的位置，物镜口径小、球差校正难度小；弯月形负透镜1与匹兹万物镜靠近光栏的镜片都弯向光栏设计，整个系统结构上具有一定的对称性、有利于垂轴像差的校正；采用胶合透镜，通过选择合理匹配的光学材料，可减小色差，最后一片弯月形小透镜用于校正场曲。

参见附图4和图5，它们分别是本实例所描述的光学系统在物距为无穷远和2km处不同视场的调制传递函数（MTF）曲线。

本实施例提供的用于导弹探测识别用大视场光学系统各个视场在不同温度下的MTF值如表1所示。

从图4、图5和表1中可以看出，物距大于2km时，系统在温度-45℃~60℃下的MTF均大于0.67，能够实现清晰成像。

参见附图6，它是本实施例提供的光学系统的畸变曲线，横坐标是畸变数值，纵坐标表示视场，可见系统在工作波长为0.72μm～1.0μm的范围内，相对畸变小于0.5%，满足应用要求。

参见附图7，它是本实施例提供的光学系统的光线追迹点列图，即目标物经前置物镜后在其像平面上的情况。图中圆圈表示Airy斑，聚焦光斑圆度好，并且都很集中聚集在Airy斑中心，表明系统具有很好的聚焦性能。

参见附图8，它是本实施例提供的光学系统的能量集中度曲线，横坐标表示包围圆半径大小，纵坐标表示能量集中数值，图8表明，系统在单个探测器像元范围内能量集中度大于80%。

参见附图9，它是本实施例提供的光学系统的相对照度曲线，分析可知，在整个像面上，中心至边缘视场的相对照度值大于97%。

参见附图10，它是本实施例提供的光学系统的鬼像分析图像，在对短焦距系统的鬼像分析中，没有发现鬼像路径，二次反射光线在像面上无会聚，表明系统中不存在鬼像会聚点。

实施例2

本实施例中，工作波段为0.72μm～1.0μm，系统F数为F/#=3.0，全视场角17.5度，光学系统结构及成像光路参见附图2。

光学系统的其余参数如下：光学系统的焦距为20mm，弯月形球面负透镜1、第一双胶合组正透镜511、第一双胶合组负透镜512、第二双胶合组正透镜521、第二双胶合组负透镜522和弯月形球面透镜53的曲率半径依次分别为139.55mm、131.05mm、-11.02mm、-5.35mm、-10.03mm、11.54mm、-22.17mm、-58.95mm、-6.34mm、-11.35mm；沿光线入射方向，各透镜的厚度依次为8.50mm、2.11mm、2.97mm、2.73mm、2.81mm、2.62mm；各透镜材料的折射率依次为1.53、1.55、1.76、1.62、1.74、1.76。该大视场光学系统适应于-45℃～60℃的宽的工作温度范围，杂散光影响小，在17.5度的大视场范围内、对位于2km至无穷远处的物体都可以清晰成像，即可实现大范围内的目标捕获、跟踪、识别与探测。

Claims

1.一种弹载探测识别用的大视场光学系统，其特征在于它为折反射光学系统，采用同轴折射结构，沿光线入射方向的光学元件依次为：弯月形球面负透镜（1）、第一折叠平面反射镜（2）、第二折叠平面反射镜（3）、光学滤光片（4）、改进型的匹兹万结构物镜（5）、CCD保护玻璃（6）和像面（7），所有光学元件安装于同一个镜筒内；所述的改进型的匹兹万结构物镜包括第一双胶合透镜组（51）、第二双胶合透镜组（52）和一块弯月形球面透镜（53）；所述的第一双胶合透镜组由正透镜（511）和负透镜（512）构成，第二双胶合透镜组由正透镜（521）和负透镜（522）构成，弯月形球面透镜（53）的弯曲方向为背向像面；弯月形球面负透镜、第一双胶合透镜组的正透镜和负透镜、第二双胶合透镜组的正透镜和负透镜、弯月形球面透镜的焦距相对于大视场光学系统焦距的归一化值分别对应为f’ ₁、f’ ₅₁₁、f’ ₅₁₂、f’ ₅₂₁、f’ ₅₂₂、f’ ₅₃，满足条件-348≤f’ ₁≤-343、0.89≤f’ ₅₁₁≤0.92、-1.13≤f’ ₅₁₂≤-1.08、0.62≤f’ ₅₂₁≤0.65、-2.51≤f’ ₅₂₂≤-2.48、-1.14≤f’ ₅₃≤-1.09。

2.根据权利要求1所述的一种弹载探测识别用的大视场光学系统，其特征在于：所述大视场光学系统的焦距f为18mm≤ f ≤21mm。

3.根据权利要求1所述的一种弹载探测识别用的大视场光学系统，其特征在于：所述大视场光学系统的镜筒长度L为127mm≤L≤131mm。