CN219758574U - 像移补偿光学系统和航空遥感系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种像移补偿光学系统和航空遥感系统。像移补偿光学系统包括镜筒和设于镜筒内的多个透镜，多个透镜之间形成光轴，像移补偿光学系统包括从物方到像方依次布设的光阑、望远系统、扫描振镜、后组系统和非制冷型红外探测器，望远系统包括自物方到像方的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；其中，望远系统设置为折射式二次成像结构，后组系统设置为一次成像结构，光阑的位置位于第一透镜处，望远系统的出瞳位置位于扫描振镜处，扫描振镜位于后组系统的入瞳处，非制冷型红外探测器处于像移补偿光学系统的二次像面的位置处，以提供一种小体积重量轻、大视场、低成本的光学式像移补偿系统。

Description

像移补偿光学系统和航空遥感系统

技术领域

本实用新型涉及光学技术领域，尤其涉及像移补偿光学系统和航空遥感系统。

背景技术

红外航空遥感系统的大视场成像可以提高系统的工作效率、降低作业的成本，满足诸如军事侦察、海洋搜救等特殊场合信息快速获取的要求。国内现有的热红外航遥设备均采用单元或线列探测器实现遥感成像，受探测器规模限制，为保证地面景物的无遗漏成像，系统沿翼展方向的光机扫描速度较快，探测器的像元驻留时间较短，从而导致空间分辨率受信噪比的限制而无法实现较大幅度的提升。红外热像仪的面阵探测器采用逐行循环曝光方式，其单帧积分时间30ms左右，相比于光子探测器几十到几百微秒的积分时间而言，热像仪完成对一帧景物成像的时间远大于制冷型探测器。然而飞机前向飞行和翼展方向的扫描会使遥感相机在成像积分时产生地面景物与探测器之间的相对运动，由于热像仪的长积分时间，导致图像在两个方向上出现严重的像移拖尾现象，该现象会造成目标轮廓模糊，可分辨细节降低，图像分辨率明显下降等问题。

像移补偿技术是遥感系统用来消除图像成像时目标与探测器发生相对运动造成的像移模糊，并提高或还原图像分辨率的关键技术。目前常见的像移补偿技术包括：机械式像移补偿、电子式像移补偿、光学式像移补偿和图像后期处理等多种方法。

实用新型内容

本实用新型的主要目的是提出一种像移补偿光学系统和航空遥感系统，旨在提供一种小体积重量轻、大视场、低成本的光学式像移补偿系统。

为实现上述目的，本实用新型提出的一种像移补偿光学系统，其中所述像移补偿光学系统包括镜筒和设于所述镜筒内的多个透镜，所述多个透镜之间形成光轴，所述像移补偿光学系统包括光阑、以及从物方到像方依次布设的望远系统、扫描振镜、后组系统和非制冷型红外探测器，所述望远系统包括自物方到像方的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；

其中，所述望远系统设置为折射式二次成像结构，所述后组系统设置为一次成像结构，所述光阑的位置位于所述第一透镜处，所述望远系统的出瞳位置位于所述扫描振镜处，所述扫描振镜位于所述后组系统的入瞳处，所述非制冷型红外探测器处于所述像移补偿光学系统的二次像面的位置处。

可选地，所述第一透镜为光焦度为正的弯月型非球面透镜，所述第二透镜为光焦度为负的弯月型非球面透镜，所述第三透镜为光焦度为负的双凸型非球面透镜，所述第四透镜为光焦度为负的弯月型非球面透镜。

可选地，所述第一透镜和所述第三透镜均为锗透镜；

所述第二透镜和所述第四透镜均为硫系透镜。

可选地，所述后组系统包括自物方到像方的第五透镜、第六透镜和第七透镜；

其中，所述第五透镜为光焦度为负的弯月型非球面透镜，所述第六透镜为光焦度为正的弯月型非球面透镜，所述第七透镜为光焦度为负的弯月型非球面透镜。

可选地，所述第五透镜和所述第七透镜均为锗透镜；

所述第六透镜为硫系透镜。

可选地，所述镜筒的材质包铝。

可选地，所述非制冷型红外探测器设置为长波1280*1024@12μm非制冷型红外探测器。

可选地，所述像移补偿光学系统还包括视场光阑，所述视场光阑处于所述像移补偿光学系统的一次像面位置处。

可选地，所述镜筒的内壁设置有消光螺纹；和/或，

所述镜筒包括隔圈，所述隔圈的内壁设置有多个台阶面各所述台阶面沿所述镜筒的周向延伸。

本实用新型还提供一种航空遥感系统，所述航空遥感系统包括像移补偿光学系统，所述像移补偿光学系统包括镜筒和设于所述镜筒内的多个透镜，所述多个透镜之间形成光轴，所述像移补偿光学系统包括光阑、以及从物方到像方依次布设的望远系统、扫描振镜、后组系统和非制冷型红外探测器，所述望远系统包括自物方到像方的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；

其中，所述望远系统设置为折射式二次成像结构，所述后组系统设置为一次成像结构，所述光阑的位置位于所述第一透镜处，所述望远系统的出瞳位置位于所述扫描振镜处，所述扫描振镜位于所述后组系统的入瞳处，所述非制冷型红外探测器处于所述像移补偿光学系统的二次像面的位置处。

本实用新型提供的技术方案中，所述望远系统设置为折射式，使得整个光学系统能够实现大视角，避免反射式视场较小，不能满足大视场的系统要求。所述望远系统通过望远系统的一次成像，所述扫描振镜反射，经所述后组系统二次成像，形成二次成像结构，不仅结构紧凑，并且所述后组系统用于校正所述望远系统在长波红外波段的残余像差。同时为了减小所述第一透镜口径尺寸，将所述光阑位置放置在所述第一透镜上，同时为了实现所述后组系统的小型化设计，所述望远系统的出瞳与后组系统的入瞳相匹配，所述望远系统的出瞳位置位于所述扫描振镜处，所述扫描振镜位于所述后组系统的入瞳处，并且为所述扫描振镜留有足够的空间尺寸。所述非制冷型红外探测器处于所述像移补偿光学系统的二次像面的位置处，并且所述非制冷型红外探测器相较于制冷型红外探测器，整体尺寸和重量也有了进一步缩小，加之所述非制冷型探测器在满足探测率要求的前提下，热探测器像元尺寸也有所下降，在相同空间分辨率条件下，在成本上远远低于制冷型探测器，使得所述光学式像移补偿系统能够尽可能的降低成本，以提供一种小体积重量轻、大视场、低成本的光学式像移补偿系统。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本实用新型提供的像移补偿光学系统一实施例的平面示意图；

图2为图1中的像移补偿光学系统+20℃时对应的MTF曲线示意图；

图3为图1中的像移补偿光学系统-55℃时对应的MTF曲线示意图；

图4为图1中的像移补偿光学系统+70℃时对应的MTF曲线示意图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				1	望远系统	2	扫描振镜
11	第一透镜	3	后组系统
				12	第二透镜	31	第五透镜
13	第三透镜	32	第六透镜
				14	第四透镜	33	第七透镜

本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明，若本实用新型实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本实用新型实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。

红外航空遥感系统的大视场成像可以提高系统的工作效率、降低作业的成本，满足诸如军事侦察、海洋搜救等特殊场合信息快速获取的要求。国内现有的热红外航遥设备均采用单元或线列探测器实现遥感成像，受探测器规模限制，为保证地面景物的无遗漏成像，系统沿翼展方向的光机扫描速度较快，探测器的像元驻留时间较短，从而导致空间分辨率受信噪比的限制而无法实现较大幅度的提升。

红外热像仪的面阵探测器采用逐行循环曝光方式，其单帧积分时间30ms左右，相比于光子探测器几十到几百微秒的积分时间而言，热像仪完成对一帧景物成像的时间远大于制冷型探测器。然而飞机前向飞行和翼展方向的扫描会使遥感相机在成像积分时产生地面景物与探测器之间的相对运动，由于热像仪的长积分时间，导致图像在两个方向上出现严重的像移拖尾现象，该现象会造成目标轮廓模糊，可分辨细节降低，图像分辨率明显下降等问题。

为了解决上述问题，本实用新型提供一种像移补偿光学系统，图1为本实用新型提供的像移补偿光学系统的具体实施例。图2为图1中的像移补偿光学系统+20℃时对应的MTF曲线示意图；图3为图1中的像移补偿光学系统-55℃时对应的MTF曲线示意图；图4为图1中的像移补偿光学系统+70℃时对应的MTF曲线示意图。

请参阅图1，所述像移补偿光学系统包括镜筒和设于所述镜筒内的多个透镜，所述多个透镜之间形成光轴，所述像移补偿光学系统包括光阑、以及从物方到像方依次布设的望远系统1、扫描振镜2、后组系统3和非制冷型红外探测器，所述望远系统1包括自物方到像方的第一透镜11、第二透镜12、第三透镜13和第四透镜14；其中，所述望远系统1设置为折射式二次成像结构，所述后组系统3设置为一次成像结构，所述光阑的位置位于所述第一透镜11处，所述望远系统1的出瞳位置位于所述扫描振镜2处，所述扫描振镜2位于所述后组系统3的入瞳处，所述非制冷型红外探测器处于所述像移补偿光学系统的二次像面的位置处。

可以理解的是，来自物方的成像光束依次经过所述望远系统1变成平行光束，经过所述扫描振镜2转折后，进入所述后组系统3，在所述非制冷型红外探测器的焦平面上成像。通过光学稳像法实现长积分时间快速周扫消除像移，即在平行光路中引入反射镜，在面阵探测器积分时间内，由反射镜以特定速率朝相反方向摆动，对方位视场的变化进行补偿。所述像移补偿光学系统的工作波段为长波8～12μm，焦距为100mm，红外系统的F数范围为：0.8≤F≤1.2。

本实用新型提供的技术方案中，所述望远系统1设置为折射式，使得整个光学系统能够实现大视角，避免反射式视场较小，不能满足大视场的系统要求。所述望远系统1通过望远系统1的一次成像，所述扫描振镜2反射，经所述后组系统3二次成像，形成二次成像结构，不仅结构紧凑，并且所述后组系统3用于校正所述望远系统1在长波红外波段的残余像差。同时为了减小所述第一透镜11口径尺寸，将所述光阑位置放置在所述第一透镜11上，同时为了实现所述后组系统3的小型化设计，所述望远系统1的出瞳与后组系统3的入瞳相匹配，所述望远系统1的出瞳位置位于所述扫描振镜2处，所述扫描振镜2位于所述后组系统3的入瞳处，并且为所述扫描振镜2留有足够的空间尺寸。所述非制冷型红外探测器处于所述像移补偿光学系统的二次像面的位置处，并且所述非制冷型红外探测器相较于制冷型红外探测器，整体尺寸和重量也有了进一步缩小，加之所述非制冷型探测器在满足探测率要求的前提下，热探测器像元尺寸也有所下降，在相同空间分辨率条件下，在成本上远远低于制冷型探测器，使得所述光学式像移补偿系统能够尽可能的降低成本，以提供一种小体积重量轻、大视场、低成本的光学式像移补偿系统。

需要说明的是，像移补偿技术是遥感系统用来消除图像成像时目标与探测器发生相对运动造成的像移模糊，并提高或还原图像分辨率的关键技术。目前常见的像移补偿技术包括：机械式像移补偿、电子式像移补偿、光学式像移补偿和图像后期处理等多种方法。光学式像移补偿，是利用光学的方法，使地物目标的光线经过反射镜反射后照射到探测器上，通过反射镜的转动补偿使移动目标的成像光路在探测器积分时间内保持稳定。由于该方法采用的反射镜具有结构简单、惯量轻小等特点，因此较易实现高精度的运动控制。当补偿反射镜的补偿周期为一个扫描行时，可以使整个扫描行的图像不受飞机前向飞行的影响，实现扫描航带的水平功能。

还需要说明的是，所述扫描振镜2位于平行光路中，具有两种工作状态：固定状态与往返回扫状态；所述扫描振镜2位于固定状态时，与共用所述望远系统1光轴呈45°放置，将光路折转90°，光学系统工作于长波凝视跟踪模式。所述扫描振镜2处于往返回扫状态时，光学系统工作于周扫搜索模式，像面成像无离焦，可应用于长波面阵周扫搜索模式。并且，所述扫描振镜2在系统周扫工作状态时，工作频率达到50～100Hz，因此要求将所述扫描振镜2尺寸设置得较小，重量轻。并控制所述扫描振镜2回摆带来的畸变值＜0.5％，保证扫描过程中全视场范围内图像精确配准，保证成像的清晰与稳定。

具体地，在本实施例中，所述第一透镜11为光焦度为正的弯月型非球面透镜，所述第一透镜11的凹面朝向像方，所述第二透镜12为光焦度为负的弯月型非球面透镜，所述第二透镜12的凹面朝向像方，所述第三透镜13为光焦度为负的双凸型非球面透镜，所述第四透镜14为光焦度为负的弯月型非球面透镜，所述第四透镜14的凹面朝向像方。通过设置弯月型非球面透镜，

需要说明的是，由于系统波段较宽，因此望远系统1必须至少包含两种光学材料进行消色差设计，在本实施例中，在所述望远系统1中，所述第一透镜11和所述第三透镜13均为锗透镜；所述第二透镜12和所述第四透镜14均为硫系透镜。如此，采用折射率值较大的鍺作为正透镜，折射率值较小的硫系材料作为负透镜，能够很好的在所述望远系统1中消除色差。

如此，所述望远系统1通过合理的设置透镜的材质、形状的搭配，能够聚焦小光斑或准直应用，锗的指数为4.0，具有更高指标材料，能够更好的极大减少所述望远系统1的球面像差。

所述望远系统1中，来自无穷远的光线经过所述望远系统1的所述第一透镜11透射进入所述第二透镜12，然后依次经过所述第三透镜13、所述第四透镜14进行准直之后变成平行光出射。

具体地，由于所述后组系统3视场较大，孔径较大，而且所述光阑远离该透镜组，轴外像差校正难度比较大，故，在本实施例中，所述后组系统3包括自物方到像方的第五透镜31、第六透镜32和第七透镜33；其中，所述第五透镜31为光焦度为负的弯月型非球面透镜，所述第五透镜31的凹面朝向像方，所述第六透镜32为光焦度为正的弯月型非球面透镜，所述第六透镜32的凹面朝向物方，所述第七透镜33为光焦度为负的弯月型非球面透镜，所述第七透镜33的凹面朝向像方。所述第五透镜31和所述第七透镜33均为锗透镜；所述第六透镜32为硫系透镜。选用高折射率、低色散的鍺材料和低折射率、高色散的硫系材料相互配合，同时精细地调整各个面的曲率半径和厚度，以尽量减小所述后组系统3像差。

可以理解的是，上述的所述望远系统1和所述后组系统3中，变倍镜片可以是单片透镜也可以是多片透镜组成的镜组。非均匀校正镜片可以是单片透镜也可以是多片透镜组成的镜组。调焦镜片可以是单片透镜也可以是多片透镜组成的镜组。故，本实用新型不限于上述一种具体实施例的透镜的选型和设计，不管通过多片还是一片透镜能够达到类似的效果的透镜组和也均在本实用新型的保护范围之内。

进一步地，考虑光学镜片、镜筒结构件的热膨胀系数以及长波红外探测器在高低温下的位移量，对所述像移补偿光学系统进行消热差设计，故，在本实施例中，所述镜筒的材质包铝，从而满足-55℃～+70℃的温度范围，可以理解的是，所述镜筒包括主体筒体部分，还包括隔圈和支撑镜筒的支撑件，所述主体筒体、所述隔圈和所述支撑件材料均为铝，铝的导热散热效果极强，因此能达到良好的消热差效果。

具体地，在本实施例中，所述非制冷型红外探测器设置为长波1280*1024@12μm非制冷型红外探测器。

进一步地，所述像移补偿光学系统还包括视场光阑，所述视场光阑处于所述像移补偿光学系统的一次像面位置处。如此设置，以抑制视场外的杂散光进入所述非制冷型红外探测器。

进一步地，所述镜筒的内壁设置有消光螺纹；和/或，所述镜筒包括隔圈，所述隔圈的内壁设置有多个台阶面各所述台阶面沿所述镜筒的周向延伸。如此通过增加粗糙度增加漫反射等技术手段，进一步的减小所述像移补偿光学系统的杂散光影响成像效果。

综上所述，本实用新型的所述像移补偿光学系统需要对如下几个技术参数和特征进行把握：

1、所述望远系统1的结构型式选择。反射式系统不受波段影响，但视场太小，不能满足系统要求，离轴反射系统的视场比一般反射系统大，但其加工、装调和检测的难度较大。折射式光学构型可优化变量多，设计灵活，利于大视场和紧凑型设计，因此所述望远系统1采用折射式结构型式实现望远系统1设计。为了减小所述像移补偿光学系统的体积，所述望远系统1采用二次成像结构，同时为了减小所述第一透镜11口径尺寸，将光阑位置放置在第一透镜11上，同时考虑到所述望远系统1的出瞳与后组系统3的入瞳相匹配，在设计中要将所述望远系统1的出瞳位置控制在所述扫描振镜2附近；

2、望远系统1的材料选择。由于系统波段较宽，因此所述望远系统1必须至少包含两种光学材料进行消色差设计，即采用折射率值较大的鍺作为正透镜，折射率值较小的硫系材料作为负透镜。

3、所述后组系统3的小型化设计。为了减小所述扫描振镜2尺寸，以及考虑到所述望远系统1的出瞳与后组系统3的入瞳相互匹配的问题，将所述扫描振镜2设为所述后组系统3的所述光阑的位置，并为所述扫描振镜2留有足够的空间尺寸。由于所述后组系统3视场较大，孔径较大，而且所述光阑远离透镜组，轴外像差校正难度比较大，因此选用高折射率、低色散的鍺材料和低折射率、高色散的硫系材料相互配合，同时精细地调整各个面的曲率半径和厚度，以尽量减小后组系统3像差。

4、产品的环境适应性。通过光学件和机械件的匹配，合理分配各个光学元件的光焦度，实现消热差设计。

5、系统的杂散光抑制。所述像移补偿光学系统采用长波1280*1024@12μm非制冷型红外探测器，为了抑制视场外的杂散光进入所述非制冷型红外探测器，在一次像面位置引入所述视场光阑。同时对所述镜筒内壁增加消光螺纹，对所述隔圈增加阶梯，增加粗糙度等，进一步的减小系统的杂散光影响成像效果。

所述光学式像移补偿光学系统的设计包括以下步骤：

步骤1.所述望远系统1的设计：根据转台转速确定满足回扫补偿无渐晕或挡光的望远系统11的最小视场增加量△ωFOV＝ωt，ω为转台转速，t为光学系统面阵探测器积分时间；得到望远系统1的总视场为ωFOV＝ωmax+ΔωFOV，ωmax为光学系统中视场要求最大值；

步骤2：根据所述望远系统1入瞳直径以及结构尺寸限制，确定所述望远系统1中的出瞳直径，即对应所述扫描振镜2的尺寸大小；

步骤3：根据所述望远系统1倍率M＝f0＇/fe＇，结合所述光学式像移补偿光学系统的F数确定物镜组焦距f0＇和目镜组焦距fe＇；

步骤4：将所述望远系统1的出瞳位置与所述后组系统3的入瞳位置严格匹配，并将所述扫描振镜2放在所述后组系统3的入瞳位置处；

步骤5：将所述望远系统1和所述后组系统3进行匹配优化，得到所述像移补偿光学系统；

步骤6：考虑光学镜片、镜筒结构件的热膨胀系数以及长波红外探测器在高低温下的位移量，对像移补偿光学系统进行消热差设计。

本实用新型还提供一种航空遥感系统，所述航空遥感系统包括上述的像移补偿光学系统，该像移补偿光学系统的具体结构参照上述实施例，由于本航空遥感系统的像移补偿光学系统采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的发明构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种像移补偿光学系统，其特征在于，包括镜筒和设于所述镜筒内的多个透镜，所述多个透镜之间形成光轴，所述像移补偿光学系统包括光阑、以及从物方到像方依次布设的望远系统、扫描振镜、后组系统和非制冷型红外探测器，所述望远系统包括自物方到像方的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；

其中，所述望远系统设置为折射式二次成像结构，所述后组系统设置为一次成像结构，所述光阑的位置位于所述第一透镜处，所述望远系统的出瞳位置位于所述扫描振镜处，所述扫描振镜位于所述后组系统的入瞳处，所述非制冷型红外探测器处于所述像移补偿光学系统的二次像面的位置处。

2.如权利要求1所述的像移补偿光学系统，其特征在于，所述第一透镜为光焦度为正的弯月型非球面透镜，所述第二透镜为光焦度为负的弯月型非球面透镜，所述第三透镜为光焦度为负的双凸型非球面透镜，所述第四透镜为光焦度为负的弯月型非球面透镜。

3.如权利要求2所述的像移补偿光学系统，其特征在于，所述第一透镜和所述第三透镜均为锗透镜；

所述第二透镜和所述第四透镜均为硫系透镜。

4.如权利要求1所述的像移补偿光学系统，其特征在于，所述后组系统包括自物方到像方的第五透镜、第六透镜和第七透镜；

其中，所述第五透镜为光焦度为负的弯月型非球面透镜，所述第六透镜为光焦度为正的弯月型非球面透镜，所述第七透镜为光焦度为负的弯月型非球面透镜。

5.如权利要求4所述的像移补偿光学系统，其特征在于，所述第五透镜和所述第七透镜均为锗透镜；

所述第六透镜为硫系透镜。

6.如权利要求1所述的像移补偿光学系统，其特征在于，所述非制冷型红外探测器设置为长波1280*1024@12μm非制冷型红外探测器。

7.如权利要求1所述的像移补偿光学系统，其特征在于，所述像移补偿光学系统还包括视场光阑，所述视场光阑处于所述像移补偿光学系统的一次像面位置处。

8.如权利要求1所述的像移补偿光学系统，其特征在于，所述镜筒的内壁设置有消光螺纹；和/或，

所述镜筒包括隔圈，所述隔圈的内壁设置有多个台阶面各所述台阶面沿所述镜筒的周向延伸。

9.一种航空遥感系统，其特征在于，包括如权利要求1至8任意一项所述的像移补偿光学系统。