CN115407440B - 激光和长波红外双模环形孔径超薄导引头成像光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了激光和长波红外双模环形孔径超薄导引头成像光学系统，由镜体及分布在镜体两侧的长波红外和激光探测器构成，且镜体与两个探测沿光轴排列；在所述镜体的分光一侧，自镜体边缘至光轴依次分布圆环形折射镜面、圆环形二次反射镜面、圆形分光面；在镜体的折射出光一侧，自镜体边缘至光轴依次分布圆环形一次反射镜面、圆环形三次反射镜面、圆形折射镜面。本发明整体结构中镜体的折叠光路设计能够使得光学结构紧凑，系统的轴向尺寸与系统焦距之比能够达到0.35～0.5。本发明通过优化各圆环形透射或反射面中高次非球面面型，在长波红外7.7μm～9.5μm波段校正像差，实现高质量成像；在激光1.064μm波长实现良好的聚焦。

Description

激光和长波红外双模环形孔径超薄导引头成像光学系统

技术领域

本发明涉及光学成像技术领域，尤其涉及一种激光和长波红外双模环形孔径超薄导引头成像光学系统。

背景技术

目前，信息化条件下的战争，精确制导武器成为实施毁灭性打击的重要手段。精确制导武器的打击精度主要依赖导引头的制导技术。随着精确制导武器的攻击过程中遇到的对抗层次越来越多，对抗手段越来越复杂，单一的制导模式已经很难满足在复杂多变的现代战场环境中进行精确制导的需要。激光和红外双模复合制导被认为是最有发展前景的技术，它能实现光电互补，从而克服各自的不足，又综合利用二者的优点。红外成像系统主要用于探测场景，排除各种轻重诱饵的干扰，识别出欲拦截目标。激光雷达发射激光束照亮所选目标，反射回的激光会聚到探测器上以提取频谱幅度、相位等多种信息。将这两种传感器提供的目标多种信息，经过信息融合处理可准地识别目标。

一篇题为“红外/激光共孔径双模导引头光学系统设计”（殷笑尘, 付彦辉. 红外与激光工程[J]. 2015,44(2):428-431.）的文章提出了同一接收孔径的条件下，将红外传感器和激光雷达成像传感器整合的光学系统。该系统采用卡式光学系统结构，在次镜后加入二色分光平板作为分色面，透射部分为红外波段，再经过四片折射透镜后聚焦到中波制冷红外探测器，实现100%冷光阑效率；反射部分为激光波段，再经过三片折射透镜后聚焦到激光探测器。虽然该系统实现了红外与激光的双模共孔径成像，但该系统结构复杂，有两片反射镜、七片折射透镜和一个分光镜，系统尺寸和重量大。

一篇题为“红外/激光双模导引头的光学系统”（左保军, 况耀武.红外与激光工程[J]. 2009,38(3):495-499.）的文章设计了一种共孔径红外成像/激光雷达双模导引头光学系统，该系统采用折反射式光学系统，在卡塞格林系统的次镜与像面之间加入红外透镜组校正像差，使系统在红外波段满足良好的成像性能，红外系统的总长为102mm，总长与焦距的比值为0.73。对于激光接收系统，在次镜表面镀上一层分色膜透射激光波长，与其他透镜构成激光接收透镜组，将激光能量会聚到探测器上。虽然该系统在次镜表面镀制分色膜，一定程度上减少了光学元件数量，但仍采用卡式反射系统和多个折射透镜进行组合，无法实现系统小型化。

公告号为CN201920536637的一件中国发明专利申请公开了一项名为“一种可见光与长波红外的共口径复合成像光学系统”的技术方案，该技术方案包括：沿光路依次设置的整流罩、红外复合镜组以及棱镜组；红外复合镜组中靠近整流罩一侧的红外透镜的中心具有开孔；棱镜组设置在开孔处，用于将从开孔处进入的可见光引导至红外复合镜组外。虽然该系统采用棱镜将可见光引导至红外复合镜组光路之外，但系统中包含棱镜及多个折射透镜，光路系统结构复杂。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光和长波红外双模环形孔径超薄导引头成像光学系统，能够仅用单一光学元件实现了激光和长波红外的双模成像，结构紧凑且易于加工制造。

本发明采用的技术方案为：

激光和长波红外双模环形孔径超薄导引头成像光学系统，包括镜体1、长波红外探测器和激光探测器沿光轴排列，且长波红外探测器2和激光探测器3分别位于镜体1两侧；在所述镜体的分光一侧，自镜体边缘至光轴依次分布圆环形折射镜面4、圆环形二次反射镜面、圆形分光面；在镜体的折射出光一侧，自镜体边缘至光轴依次分布圆环形一次反射镜面、圆环形三次反射镜面、圆形折射镜面；所述圆环形折射镜面、圆环形一次反射镜面、圆环形二次反射镜面、圆环形三次反射镜面、圆形分光面、圆形折射镜面面型均为高次非球面，且各个高次非球面的顶点均位于成像系统光轴上，当入射光束通过圆环形折射镜面折射进入镜体，在圆环形一次反射镜面处第一次反射，在圆环形二次反射镜面处第二次反射，在圆环形三次反射镜面处第三次反射，在圆形分光面进行分光，其中长波红外波段透射，聚焦到长波红外探测器，而激光波段反射并从圆形折射镜面出射，聚焦到激光探测器。

镜体的轴向尺寸与系统焦距的比值范围为0.35~0.5。

镜体中圆环形折射镜面、圆环形一次反射镜面、圆环形二次反射镜面、圆环形三次反射镜面、圆形分光面、圆形折射镜面的高次非球面方程为：

其中，z为表面矢高，c为顶点处的基本曲率，k为圆锥曲线常数，r为非球面表面上点的径向坐标，A，B，C，D，…皆为非球面系数。

系统成像波段为长波红外波段7.7μm～9.5μm和激光波长1.064μm。

本发明把入射光束通过圆环形折射镜面折射进入镜体，在圆环形一次反射镜面处第一次反射，在圆环形二次反射镜面处第二次反射，在圆环形三次反射镜面处第三次反射，在圆形分光面进行分光，长波红外波段透射，聚焦到长波红外探测器，激光波段反射并从圆形折射镜面出射，聚焦到激光探测器。整体结构中镜体的折叠光路设计能够使得光学结构紧凑，系统的轴向尺寸与系统焦距之比能够达到0.35～0.5。本发明通过优化各圆环形透射或反射面中高次非球面面型，在长波红外7.7μm～9.5μm波段校正像差，实现高质量成像；在激光1.064μm波长实现良好的聚焦，结构紧凑且成像质量高。

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为本发明的结构剖视示意图。

图2是本发明的成像光路示意图。

图3是本发明在长波红外波段7.7μm～9.5μm的调制传递函数曲线图。

图4是本发明在激光波段1.064μm的点列图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1、2、3和4所示，本发明包括镜体1、长波红外探测器2和激光探测器3沿光轴排列，且长波红外探测器2和激光探测器3分别位于镜体1两侧；如图2所示，镜体1的分光一侧，自镜体边缘至光轴依次分布圆环形折射镜面4、圆环形二次反射镜面6、圆形分光面8；在镜体1的折射出光一侧，自镜体边缘至光轴依次分布圆环形一次反射镜面5、圆环形三次反射镜面7、圆形折射镜面9；所述圆环形折射镜面4、圆环形一次反射镜面5、圆环形二次反射镜面6、圆环形三次反射镜面7、圆形分光面8、圆形折射镜面9面型均为高次非球面，且各高次非球面的顶点均位于成像系统光轴上。高次非球面的方程为

其中，z为表面矢高，c为顶点处的基本曲率，k为圆锥曲线常数，r为非球面表面上点的径向坐标，A，B，C，D，…皆为非球面系数。本发明成像波段为长波红外波段7.7μm～9.5μm和激光波长1.064μm。

实际使用时，入射光束通过圆环形折射镜面4折射进入镜体1，在圆环形一次反射镜面5处第一次反射，在圆环形二次反射镜面6处第二次反射，在圆环形三次反射镜面7处第三次反射，在圆形分光面8进行分光，其中长波红外波段透射，聚焦到长波红外探测器2，而激光波段反射并从圆形折射镜面9出射，聚焦到激光探测器3。

镜体1的轴向尺寸与系统焦距的比值范围为0.35~0.5。

本发明实施例的激光和长波红外双模环形孔径超薄导引头成像光学系统的结构示意图如图1所示，包括镜体1、长波红外探测器2和激光探测器3。长波红外探测器2和激光探测器3分别位于镜体1的两侧，且沿光轴排列。从长波红外探测器2到镜体1，以及镜体1到激光探测器3的距离采用空气为光线传播的介质。

本实施例中，激光和长波红外双模环形孔径超薄导引头成像光学系统的光路结构示意图如图2所示，镜体1的分光一侧，自镜体边缘至光轴依次分布圆环形折射镜面4、圆环形二次反射镜面6、圆形分光面8；在镜体1的折射出光一侧，自镜体边缘至光轴依次分布圆环形一次反射镜面5、圆环形三次反射镜面7、圆形折射镜面9；所述圆环形折射镜面4、圆环形一次反射镜面5、圆环形二次反射镜面6、圆环形三次反射镜面7、圆形分光面8、圆形折射镜面9面型均为高次非球面，且各个高次非球面的顶点均位于成像系统光轴上。

入射光束通过圆环形折射镜面4折射进入镜体1，且光阑位于圆环形折射镜面4处。长波红外波段成像光束通过圆环形一次反射镜面5、圆环形二次反射镜面6和圆环形三次反射镜面7反射三次后，再经过圆形分光面8折射出射，并聚焦到长波红外探测器2。激光波段成像光束通过圆环形一次反射镜面5、圆环形二次反射镜面6、圆环形三次反射镜面7和圆形分光面8反射四次后，再经过圆形折射镜面9折射出射，并聚焦到激光探测器3。

长波红外成像系统焦距为70mm，全视场为8°，F数为1.3，成像波段为7.7μm~9.5μm，系统的轴向尺寸为27.6mm，系统的轴向尺寸与系统焦距的之比为0.39。

所述设计实例的调制传递函数曲线如图3所示，可以看到图中各视场下的调制传递函数曲线都趋于衍射极限，在奈奎斯特频率41.7周期/毫米处的调整传递函数值大于0.13。通过优化圆环形折射镜面4、圆环形一次反射镜面5、圆环形二次反射镜面6、圆环形三次反射镜面7和圆形分光面8的非球面面型参数，有效校正了长波红外波段的单色像差和色差，实现了高质量成像。

所述设计实例在长波红外波段不同视场处的调制传递函数数值如表1所示。

表1

激光波段成像系统焦距为57mm，全视场为10°，F数为1.05，成像波段为1.064μm，系统的轴向尺寸为27.6mm，系统的轴向尺寸与系统焦距的之比为0.48。

所述设计实例的激光波段点列图如图4所示。通过优化圆环形折射镜面4、圆环形一次反射镜面5、圆环形二次反射镜面6、圆环形三次反射镜面7、圆形分光面8和圆形折射镜面9的非球面面型参数，有效减小了各视场弥散斑均方根尺寸。

所述设计实例在激光波段不同视场处的弥散斑均方根数值如表2所示。

表2

本发明其技术效果表现在以下各方面。

本发明之激光和长波红外双模环形孔径超薄导引头成像光学系统的入射光束通过圆环形折射镜面4折射进入镜体1，在圆环形一次反射镜面5处第一次反射，在圆环形二次反射镜面6处第二次反射，在圆环形三次反射镜面7处第三次反射，在圆形分光面8进行分光，长波红外波段透射，聚焦到长波红外探测器2，激光波段反射并从圆形折射镜面9出射，聚焦到激光探测器3。镜体1的折叠光路设计能够使得光学结构紧凑，系统的轴向尺寸与系统焦距之比能够达到0.35～0.5。

在具体实施方式中，通过优化各圆环形透射或反射面中高次非球面面型，在长波红外7.7μm～9.5μm波段校正像差，实现高质量成像；在激光1.064μm波长实现良好的聚焦。

在本发明的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“ 中心”，“ 横向”、“ 纵向”、“ 长度”、“ 宽度”、“ 厚度”、“ 上”、“ 下”、“ 前”、“ 后”、“ 左”、“ 右”、 竖直”、“ 水平”、“ 顶”、“ 底”、“ 内”、“ 外”、“ 顺时针”、“ 逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书中的术语“ 包括”和“ 具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行较详细的说明，但本发明不限于这里所述的特定实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等有效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (4)

1.激光和长波红外双模环形孔径超薄导引头成像光学系统，其特征在于：包括镜体(1)、长波红外探测器(2)和激光探测器(3)沿光轴排列，且长波红外探测器(2)和激光探测器(3)分别位于镜体(1)两侧；在所述镜体(1)的分光一侧，自镜体边缘至光轴依次分布圆环形折射镜面(4)、圆环形二次反射镜面(6)、圆形分光面(8)；在镜体(1)的折射出光一侧，自镜体边缘至光轴依次分布圆环形一次反射镜面(5)、圆环形三次反射镜面(7)、圆形折射镜面(9)；所述圆环形折射镜面(4)、圆环形一次反射镜面(5)、圆环形二次反射镜面(6)、圆环形三次反射镜面(7)、圆形分光面(8)、圆形折射镜面(9)面型均为高次非球面，且各个高次非球面的顶点均位于成像系统光轴上，当入射光束通过圆环形折射镜面(4)折射进入镜体(1)，在圆环形一次反射镜面(5)处第一次反射，在圆环形二次反射镜面(6)处第二次反射，在圆环形三次反射镜面(7)处第三次反射，在圆形分光面(8)进行分光，其中长波红外波段透射，聚焦到长波红外探测器(2)，而激光波段反射并从圆形折射镜面(9)出射，聚焦到激光探测器(3)。

2.根据权利要求1所述的激光和长波红外双模环形孔径超薄导引头成像光学系统，其特征在于，镜体(1)的轴向尺寸与系统焦距的比值范围为0.35~0.5。

3.根据权利要求1所述的激光和长波红外双模环形孔径超薄导引头成像光学系统，其特征在于，镜体(1)中圆环形折射镜面(4)、圆环形一次反射镜面(5)、圆环形二次反射镜面(6)、圆环形三次反射镜面(7)、圆形分光面(8)、圆形折射镜面(9)的高次非球面方程为：

其中，z为表面矢高，c为顶点处的基本曲率，k为圆锥曲线常数，r为非球面表面上点的径向坐标，A，B，C，D，…皆为非球面系数。

4.根据权利要求1所述的激光和长波红外双模环形孔径超薄导引头成像光学系统，其特征在于：系统成像波段为长波红外波段7.7μm～9.5μm和激光波长1.064μm。