專利名稱：：基于凝視成像方式的大視場(chǎng)掃描熱成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種大視場(chǎng)熱成像系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：目前，由于熱探測(cè)器陣列發(fā)展工藝的限制，熱成像系統(tǒng)的視場(chǎng)與空間分辨率的矛盾一直比較突出。為了在凝視成像的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)的目標(biāo)探測(cè)或成像偵査，通常采用物方掃描方式，即在成像透鏡的前面加一個(gè)能夠在一定角度范圍內(nèi)擺動(dòng)的平面鏡，來(lái)改變凝視成像系統(tǒng)的視線方向，達(dá)到掃描的目的。但是對(duì)于一些特定的使用情況，例如在某些制導(dǎo)武器系統(tǒng)上，難以在成像物鏡前加入掃描機(jī)構(gòu)，使得成像系統(tǒng)的視場(chǎng)和空間分辨率不能同時(shí)保證。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有的熱成像系統(tǒng)中視場(chǎng)與空間分辨率相矛盾的問(wèn)題，提供了一種基于凝視成像方式的大視場(chǎng)掃描熱成像系統(tǒng)。本發(fā)明的基于凝視成像方式的大視場(chǎng)掃描熱成像系統(tǒng)由孔徑光欄、第一透鏡組、第二透鏡組、冷光欄和二維移動(dòng)架組成，孔徑光欄和第一透鏡組構(gòu)成的大視場(chǎng)成像系統(tǒng)采用像方遠(yuǎn)心光路形式，第二透鏡組和冷光欄構(gòu)成的小視場(chǎng)凝視成像系統(tǒng)固定于一個(gè)二維移動(dòng)架上，二維移動(dòng)架的移動(dòng)方向與入射光光軸的方向垂直，小視場(chǎng)凝視成像系統(tǒng)的輸入端連接大視場(chǎng)成像系統(tǒng)的輸出端，冷光欄位于第二透鏡組的輸出端；系統(tǒng)接收到的光入射到大視場(chǎng)成像系統(tǒng)后成像于一次像面，出射光經(jīng)小視場(chǎng)凝視成像系統(tǒng)后成像于二次像面，通過(guò)移動(dòng)二維移動(dòng)架帶動(dòng)小視場(chǎng)凝視成像系統(tǒng)移動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)一次像面的掃描成像。本發(fā)明的積極效果本發(fā)明采用像方遠(yuǎn)心光路進(jìn)行大視場(chǎng)成像，并利用帶有冷光欄的小視場(chǎng)凝視成像系統(tǒng)對(duì)一次像面掃描成像的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念的優(yōu)點(diǎn)在于(1)最大程度地解決了光路的耦合匹配問(wèn)題，使系統(tǒng)的冷光欄效率接近100%;(2)小視場(chǎng)凝視成像系統(tǒng)利用二維移動(dòng)架，能夠在與入射光光軸垂直的平面內(nèi)進(jìn)行平移，實(shí)現(xiàn)對(duì)一次像面的掃描，提供了像方掃描的新的3技術(shù)途徑；(3)本發(fā)明具有小視場(chǎng)凝視成像(詳査)與大視場(chǎng)掃描成像(普査)相結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)，既可用于紅外光目標(biāo)探測(cè)，又可用于熱成像偵察，系統(tǒng)在171p/mm處的傳遞函數(shù)平均值在0.7以上，成像質(zhì)量能夠滿足成像偵査系統(tǒng)的需要，系統(tǒng)在直徑3(^m包圍圓的相對(duì)能量平均值在70。/。以上，系統(tǒng)能量主要集中在一個(gè)像元內(nèi)，能夠滿足目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)的需要。圖1為本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)掃描近軸視場(chǎng)時(shí)的光路示意圖，圖2為本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)掃描中間視場(chǎng)時(shí)的光路示意圖，圖3為本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)掃描最大視場(chǎng)時(shí)的光路示意圖，圖4為具體實(shí)施方式五中光學(xué)系統(tǒng)掃描近軸視場(chǎng)時(shí)的傳遞函數(shù)曲線圖，圖5為具體實(shí)施方式五中光學(xué)系統(tǒng)掃描中間視場(chǎng)時(shí)的傳遞函數(shù)曲線圖，圖6為具體實(shí)施方式五中光學(xué)系統(tǒng)掃描最大視場(chǎng)時(shí)的傳遞函數(shù)曲線圖，圖7為具體實(shí)施方式五中光學(xué)系統(tǒng)掃描近軸視場(chǎng)時(shí)的圓包圍能量曲線圖，圖8為具體實(shí)施方式五中光學(xué)系統(tǒng)掃描中間視場(chǎng)時(shí)的圓包圍能量曲線圖，圖9為具體實(shí)施方式五中光學(xué)系統(tǒng)掃描最大視場(chǎng)時(shí)的圓包圍能量曲線圖，圖10為具體實(shí)施方式五中光學(xué)系統(tǒng)在3pm~llpm的寬波段范圍掃描最大視場(chǎng)時(shí)的傳遞函數(shù)曲線圖，圖11為具體實(shí)施方式五中光學(xué)系統(tǒng)在3pm~llpm的寬波段范圍掃描最大視場(chǎng)時(shí)的圓包圍能量曲線圖。具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式一結(jié)合圖1、圖2和圖3說(shuō)明本具體實(shí)施方式，本具體實(shí)施方式所述的基于凝視成像方式的大視場(chǎng)掃描熱成像系統(tǒng)由孔徑光欄1、第一透鏡組2、第二透鏡組4、冷光欄5和二維移動(dòng)架7組成，孔徑光欄1和第一透鏡組2構(gòu)成的大視場(chǎng)成像系統(tǒng)采用像方遠(yuǎn)心光路形式，第二透鏡組4和冷光欄5構(gòu)成的小視場(chǎng)凝視成像系統(tǒng)固定于一個(gè)二維移動(dòng)架7上，二維移動(dòng)架7的移動(dòng)方向與入射光光軸的方向垂直，小視場(chǎng)凝視成像系統(tǒng)的輸入端連接大視場(chǎng)成像系統(tǒng)的輸出端，冷光欄5位于第二透鏡組4的輸出端；系統(tǒng)接收到的光入射到大視場(chǎng)成像系統(tǒng)后成像于一次像面3，出射光經(jīng)小視場(chǎng)凝視成像系統(tǒng)后成像于二次像面6，通過(guò)移動(dòng)二維移動(dòng)架7帶動(dòng)小視場(chǎng)凝視成像系統(tǒng)移動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)一次像面3的掃描成像。孔徑光欄1位于第一透鏡組2的物方焦面上，即所謂的像方遠(yuǎn)心光路形式；采用像方遠(yuǎn)心光路形式能夠?qū)崿F(xiàn)視場(chǎng)掃描時(shí)的光瞳匹配，系統(tǒng)冷光欄效率接近100%，不存在掃描位置不同時(shí)出現(xiàn)離焦的現(xiàn)象。圖l、圖2和圖3分別為光學(xué)系統(tǒng)掃描近軸視場(chǎng)、中間視場(chǎng)和最大視場(chǎng)時(shí)的光路示意圖。二維移動(dòng)架7可帶動(dòng)小視場(chǎng)凝視成像系統(tǒng)在垂直于光軸的平面內(nèi)進(jìn)行二維移動(dòng)，成像于二次像面6，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)一次像面3的掃描成像。具體實(shí)施方式二結(jié)合圖1說(shuō)明本具體實(shí)施方式，本具體實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一的不同之處在于所述的第一透鏡組2按照入射光的路徑由第一透鏡2-l、第二透鏡2-2、第三透鏡2-3和第四透鏡2-4依次組成。本具體實(shí)施方式的其他組成與連接關(guān)系同具體實(shí)施方式一相同。具體實(shí)施方式三結(jié)合圖1說(shuō)明本具體實(shí)施方式，本具體實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一或二的不同之處在于所述的第二透鏡組4按照入射光的路徑由第五透鏡4-1、第六透鏡4-2、第七透鏡4-3、第八透鏡4-4和第九透鏡4-5依次組成。本具體實(shí)施方式的其他組成與連接關(guān)系同具體實(shí)施方式一或二相同。具體實(shí)施方式四本具體實(shí)施方式與具體實(shí)施方式二或三的不同之處在于第一透鏡組2和第二透鏡組4中各個(gè)透鏡的表面的面型表達(dá)式由公式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>來(lái)確定，式中r為元件垂軸參數(shù)，《為圓錐系數(shù)，c為基園曲率U=l/iO，及為透鏡表面中心點(diǎn)處曲率半徑，^、萬(wàn)和C分別為非球面系數(shù)；第一透鏡2-l的前表面、第四透鏡2-4的后表面、第五透鏡4-1的前表面和第九透鏡4-5的后表面均為非球面且相應(yīng)表面的面型表達(dá)式中r的最高次項(xiàng)均為8次項(xiàng)，第三透鏡2-3的前表面也為非球面且其面型表達(dá)式中r的最高次項(xiàng)為6次項(xiàng)。本具體實(shí)施方式的其他組成與連接關(guān)系同具體實(shí)施方式二或三相同。上述透鏡表面均采用了高次方非球面，可以校正系統(tǒng)的彗差和球差，并可以優(yōu)化系統(tǒng)的幾何尺寸。具體實(shí)施方式五本具體實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一、二或四的不同之處在于第一透鏡組2和第二透鏡組4中所有透鏡材料均選擇了硅或鍺，使得整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)能夠在較寬的波段范圍內(nèi)進(jìn)行成像，在中紅外光波段3Mm5^im范圍內(nèi)和長(zhǎng)紅外光波段7pmllpm范圍內(nèi)均有良好的像質(zhì)。本具體實(shí)施方式的其他組成與連接關(guān)系同具體實(shí)施方式一、二或四相同。在本具體實(shí)施方式中，系統(tǒng)所接收的光由HgCdTe探測(cè)器接收，該探測(cè)器像元數(shù)為256x256，像元尺寸30nmx30pm,工作波段為3pm~5pm，系統(tǒng)F數(shù)為2.0，焦距為80mm，系統(tǒng)凝視視場(chǎng)為±3.9°，掃描后系統(tǒng)視場(chǎng)為±15.6°。本具體實(shí)施方式中，大視場(chǎng)成像系統(tǒng)和小視場(chǎng)凝視成像系統(tǒng)均經(jīng)過(guò)PW法或縮放法獲得初始結(jié)構(gòu)，再利用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件Zemax對(duì)其優(yōu)化；小視場(chǎng)凝視成像系統(tǒng)要進(jìn)行平移掃描，因此要采用多結(jié)構(gòu)形式對(duì)全局參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。參見(jiàn)圖1，孔徑光欄1與第一透鏡組2構(gòu)成±15.6°視場(chǎng)的大視場(chǎng)成像系統(tǒng)，第二透鏡組4與冷光欄5為優(yōu)化后獲得的±3.9°視場(chǎng)的小視場(chǎng)凝視成像系統(tǒng)。第一透鏡組2和第二透鏡組4中各透鏡具體參數(shù)如表1所示，其中間隔是指當(dāng)前透鏡表面與下一相鄰?fù)哥R表面(或冷光欄)之間的距離。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>注透鏡面型表達(dá)式為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>r為元件垂軸參數(shù)，K為圓錐系數(shù)，c為基園曲率(c=l/W)，及為透鏡表面中心點(diǎn)處曲率半徑，j、5和C分別為非球面系數(shù)。結(jié)合圖1、圖2和圖3，本具體實(shí)施方式中的光學(xué)系統(tǒng)所掃描的近軸視場(chǎng)、中間視場(chǎng)和最大視場(chǎng)的視場(chǎng)范圍相應(yīng)地分別為-3.9°~+3.9°、1.6°~7.7°和7.8°~15.60。圖4、圖5和圖6分別為本具體實(shí)施方式中的光學(xué)系統(tǒng)掃描近軸視場(chǎng)、中間視場(chǎng)和最大視場(chǎng)時(shí)的傳遞函數(shù)曲線圖。由以上三幅圖可以看出，系統(tǒng)在171p/mm處的傳遞函數(shù)平均值在0.7以上，系統(tǒng)的成像質(zhì)量能夠滿足成像偵査系統(tǒng)的需要。圖7、圖8和圖9分別為本具體實(shí)施方式中的光學(xué)系統(tǒng)掃描近軸視場(chǎng)、中間視場(chǎng)和最大視場(chǎng)時(shí)的圓包圍能量曲線圖。由以上三幅圖可以看出，系統(tǒng)在直徑3(Him包圍圓的相對(duì)能量平均值在70%以上，說(shuō)明系統(tǒng)的能量主要集中在一個(gè)像元內(nèi)，能夠滿足目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)的需要。為了便于比較寬波段的成像質(zhì)量，圖10給出了系統(tǒng)在3nmllpm波段掃描7.8°~15.6。視場(chǎng)時(shí)的傳遞函數(shù)曲線圖，圖11給出了系統(tǒng)在3pm~ll^im波段掃描7.8。15.6。視場(chǎng)時(shí)的圓包圍能量曲線圖。從圖10和圖11不難看出，本具體實(shí)施方式中的光學(xué)系統(tǒng)在較寬的紅外光波段上具有很好的成像質(zhì)量。權(quán)利要求1、基于凝視成像方式的大視場(chǎng)掃描熱成像系統(tǒng)，其特征在于它由孔徑光欄(1)、第一透鏡組(2)、第二透鏡組(4)、冷光欄(5)和二維移動(dòng)架(7)組成，孔徑光欄(1)和第一透鏡組(2)構(gòu)成的大視場(chǎng)成像系統(tǒng)采用像方遠(yuǎn)心光路形式，第二透鏡組(4)和冷光欄(5)構(gòu)成的小視場(chǎng)凝視成像系統(tǒng)固定于一個(gè)二維移動(dòng)架(7)上，二維移動(dòng)架(7)的移動(dòng)方向與入射光光軸的方向垂直，小視場(chǎng)凝視成像系統(tǒng)的輸入端連接大視場(chǎng)成像系統(tǒng)的輸出端，冷光欄(5)位于第二透鏡組(4)的輸出端。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于凝視成像方式的大視場(chǎng)掃描熱成像系統(tǒng)，其特征在于所述第一透鏡組(2)按照入射光的路徑由第一透鏡(2-1)、第二透鏡(2-2)、第三透鏡(2-3)和第四透鏡(2-4)依次設(shè)置組成。3、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于凝視成像方式的大視場(chǎng)掃描熱成像系統(tǒng)，其特征在于所述第二透鏡組(4)按照入射光的路徑由第五透鏡(4-1)、第六透鏡(4-2)、第七透鏡(4-3)、第八透鏡(4-4)和第九透鏡(4-5)依次設(shè)置組成。4、根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于凝視成像方式的大視場(chǎng)掃描熱成像系統(tǒng)，其特征在于第一透鏡組(2)和第二透鏡組(4)中各個(gè)透鏡的表面的面型表達(dá)式由公式l+^/l-(尺+l)cV來(lái)確定，式中r為元件垂軸參數(shù)，K為圓錐系數(shù)，c為基園曲率(c-l/i)，及為透鏡表面中心點(diǎn)處曲率半徑，丄5和C分別為非球面系數(shù)；第一透鏡(2-1)的前表面、第四透鏡(2-4)的后表面、第五透鏡(4-1)的前表面和第九透鏡(4-5)的后表面均為非球面且相應(yīng)表面的面型表達(dá)式中r的最高次項(xiàng)均為8次項(xiàng)；第三透鏡(2-3)的前表面也為非球面且其面型表達(dá)式中r的最高次項(xiàng)為6次項(xiàng)。5、根據(jù)權(quán)利要求1、2或4所述的基于凝視成像方式的大視場(chǎng)掃描熱成像系統(tǒng)，其特征在于第一透鏡組(2)和第二透鏡組(4)中所有透鏡材料均選擇硅或鍺。全文摘要基于凝視成像方式的大視場(chǎng)掃描熱成像系統(tǒng)，它涉及一種大視場(chǎng)熱成像系統(tǒng)，它解決了現(xiàn)有的熱成像系統(tǒng)中視場(chǎng)與空間分辨率相矛盾的問(wèn)題。它由孔徑光欄、第一透鏡組、第二透鏡組、冷光欄和二維移動(dòng)架組成，孔徑光欄和第一透鏡組構(gòu)成的大視場(chǎng)成像系統(tǒng)采用像方遠(yuǎn)心光路形式，第二透鏡組和冷光欄構(gòu)成的小視場(chǎng)凝視成像系統(tǒng)固定于一個(gè)移動(dòng)方向與光軸垂直的二維移動(dòng)架上，小視場(chǎng)凝視成像系統(tǒng)的輸入端連接大視場(chǎng)成像系統(tǒng)的輸出端，冷光欄位于第二透鏡組的輸出端。本發(fā)明利用二維移動(dòng)架帶動(dòng)小視場(chǎng)凝視成像系統(tǒng)移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)一次像面的掃描成像。本發(fā)明具有小視場(chǎng)凝視成像與大視場(chǎng)掃描成像相結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)，既可用于紅外光目標(biāo)探測(cè)，又可用于熱成像偵察。文檔編號(hào)G02B26/08GK101630062SQ20091007269公開(kāi)日2010年1月20日申請(qǐng)日期2009年8月17日優(yōu)先權(quán)日2009年8月17日發(fā)明者侯晴宇,左保軍,王治樂(lè),明趙,龍夫年申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)