專利名稱：含非球面整流罩的大視場掃描紅外光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本范明屬于光學(xué)儀器技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種含非球面整流罩的大視場掃描紅外光學(xué)系統(tǒng)，特別適用于大掃描視場紅外焦平面成像。
背景技術(shù)：
紅外成像技術(shù)在現(xiàn)代偵查、救援中的作用日益突出。作為成像元件，推進(jìn)器導(dǎo)引頭的光學(xué)整流罩在滿足光學(xué)探測系統(tǒng)像質(zhì)要求的同時(shí)，還需滿足流體動(dòng)力學(xué)低阻力的要求。 旋轉(zhuǎn)對(duì)稱非球面光學(xué)整流罩的外表面具有較尖的拱狀外形，更能滿足介質(zhì)動(dòng)力學(xué)性能要求。但是，當(dāng)整流罩后面的光學(xué)系統(tǒng)對(duì)一定范圍的視場進(jìn)行跟蹤掃描成像時(shí)，由于參與成像的整流罩面型是非球面的，給后續(xù)的光學(xué)系統(tǒng)引入各種像差，嚴(yán)重影響成像質(zhì)量。與本發(fā)明最為接近的已有技術(shù)是專利CN. 200910236443. X，該光學(xué)系統(tǒng)只有 5° -10°視場，且全部采用折射元件，系統(tǒng)長度較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以滿足推進(jìn)器內(nèi)部空間狹小的使用條件。為了克服上述缺點(diǎn)，特設(shè)計(jì)一種含非球面整流罩的大視場掃描紅外光學(xué)系統(tǒng)，可適于較大范圍的掃描視場(大于60° )，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、長度短，并在光圈數(shù)F為2. 0時(shí)獲得接近衍射極限的調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決非球面整流罩條件下，系統(tǒng)視場較小及結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題，提出一種含非球面整流罩的大視場掃描紅外光學(xué)系統(tǒng)。本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明的一種含非球面整流罩的大視場掃描紅外光學(xué)系統(tǒng)包括旋轉(zhuǎn)對(duì)稱非球面整流罩(1)，非球面校正板(2)，球面光學(xué)透鏡(3)，消色差旋轉(zhuǎn)累斯萊棱鏡對(duì)(4)、球面光學(xué)透鏡組(5)、非球面反射鏡(6)、球面反射鏡(7)、球面光學(xué)透鏡組(8)、球面光學(xué)透鏡(9)、和探測器像面(10)；在光的傳播方向上，以上各光學(xué)元件依次按順序同軸排列。其中，旋轉(zhuǎn)對(duì)稱非球面整流罩(1)是有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸的非球面，非球面校正板(2)用于校正像差，消色差旋轉(zhuǎn)累斯萊棱鏡對(duì)(4)可進(jìn)行大范圍視場掃描及消色差，非球面反射鏡(6)、球面反射鏡(7)用于反射光線以減小系統(tǒng)體積；旋轉(zhuǎn)對(duì)稱非球面整流罩(1)前端頂點(diǎn)沿光軸方向到探測器像面(10)的間距是系統(tǒng)焦距的3. 5倍。本發(fā)明具體設(shè)計(jì)方法如下1.采用了一種符合介質(zhì)動(dòng)力學(xué)的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱非球面整流罩(1)，使用非球面校正板 (2)進(jìn)行像質(zhì)補(bǔ)償。在減小介質(zhì)阻力、提高運(yùn)動(dòng)范圍的同時(shí)，使成像質(zhì)量接近衍射極限，且光圈數(shù)F的值小于2.0;2.為了使系統(tǒng)在大的跟蹤視場的目標(biāo)能成像在探測器像面上，采用消色差旋轉(zhuǎn)累斯萊棱鏡對(duì)(4)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行光機(jī)掃描。如圖2所示，將累斯萊棱鏡成對(duì)使用，光楔對(duì)在與光軸垂直的平面內(nèi)繞著光軸旋轉(zhuǎn)，在后續(xù)成像系統(tǒng)不運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)下，低溫線圈和電子設(shè)備不通過旋轉(zhuǎn)機(jī)械裝置。對(duì)一定目標(biāo)視場范圍內(nèi)進(jìn)行掃描，結(jié)構(gòu)簡單。系統(tǒng)掃描視場可達(dá)到 60°，瞬時(shí)視場可達(dá)到4°。3.為了減小系統(tǒng)長度、滿足推進(jìn)器內(nèi)部空間狹小的使用條件，本發(fā)明在后續(xù)光學(xué)成像系統(tǒng)中使用了非球面反射鏡(6)、球面反射鏡(7)兩個(gè)反射鏡對(duì)光線進(jìn)行折反，與折射透鏡組成折、反射元件混合結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)有效減小了后續(xù)成像元件的總長，使系統(tǒng)體積緊湊，達(dá)到100%冷光闌效率，使旋轉(zhuǎn)對(duì)稱非球面整流罩(1)前端頂點(diǎn)沿光軸方向到探測器像面(10)的間距是系統(tǒng)焦距的3. 5倍。通過以上的設(shè)計(jì)方法，本發(fā)明的一種含非球面整流罩的大視場掃描紅外光學(xué)系統(tǒng)可適于大于60°范圍的掃描視場，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、長度短，并在光圈數(shù)F為2. 0時(shí)獲得接近衍射極限的調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)值。本發(fā)明的工作原理無窮遠(yuǎn)目標(biāo)發(fā)射的紅外輻射依次經(jīng)過旋轉(zhuǎn)對(duì)稱非球面整流罩 (1)，非球面校正板(2)，球面光學(xué)透鏡(3)，消色差旋轉(zhuǎn)累斯萊棱鏡對(duì)(4)、球面光學(xué)透鏡組 (5)、非球面反射鏡(6)、球面反射鏡(7)、球面光學(xué)透鏡組(8)、球面光學(xué)透鏡(9)后，照射到探測器像面(10)上，得到最后的像。有益效果本發(fā)明對(duì)比已有技術(shù)具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明采用了一種符合介質(zhì)動(dòng)力學(xué)的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱非球面整流罩，并使用一種非球面校正板進(jìn)行像質(zhì)補(bǔ)償。在減小介質(zhì)阻力、提高運(yùn)動(dòng)范圍的同時(shí)，使成像質(zhì)量接近衍射極限，且光圈數(shù)F的值小于2.0。含有旋轉(zhuǎn)光機(jī)掃描結(jié)構(gòu)， 在后續(xù)成像系統(tǒng)不運(yùn)動(dòng)的條件下，進(jìn)行較大范圍的視場掃描(大于60° )。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、 體積緊湊，達(dá)到100%冷光闌效率，旋轉(zhuǎn)對(duì)稱非球面整流罩(1)前端頂點(diǎn)沿光軸方向到探測器像面(10)的間距是系統(tǒng)焦距的3. 5倍。特別適合于作為紅外導(dǎo)引頭應(yīng)用于現(xiàn)代偵查、救援等領(lǐng)域中。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是不同旋轉(zhuǎn)角度的累斯萊棱鏡對(duì)操控光線走向示意圖；圖3是已有技術(shù)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖中，1-旋轉(zhuǎn)對(duì)稱非球面整流罩、2-非球面校正板、3-球面光學(xué)透鏡、4-消色差旋轉(zhuǎn)累斯萊棱鏡對(duì)、5_球面光學(xué)透鏡組、6-非球面反射鏡、7-球面反射鏡、8-球面光學(xué)透鏡組、9-球面光學(xué)透鏡、10-探測器像面、11-整流罩、12-第一單正球面光學(xué)透鏡、13-第二單正球面光學(xué)透鏡、14-第一單負(fù)球面光學(xué)透鏡、15-第一單正球面光學(xué)透鏡組、16-第三單正球面光學(xué)透鏡、17-第四單正球面光學(xué)透鏡、18-第二單負(fù)球面光學(xué)透鏡、19-第二單正球面光學(xué)透鏡組、20-第三單負(fù)球面光學(xué)透鏡、21-保護(hù)窗玻璃、22-探測器像面。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。實(shí)施例如圖1所示，本發(fā)明將主要應(yīng)用于大掃描視場紅外焦平面成像?？蓮V泛應(yīng)用于現(xiàn)代偵查、救援等領(lǐng)域中。如圖1所示，本發(fā)明的一種含非球面整流罩的大視場掃描紅外光學(xué)系統(tǒng)，包括旋轉(zhuǎn)對(duì)稱非球面整流罩(1)，非球面校正板(2)，球面光學(xué)透鏡(3)，消色差旋轉(zhuǎn)累斯萊棱鏡對(duì) (4)、球面光學(xué)透鏡組(5)、非球面反射鏡(6)、球面反射鏡(7)、球面光學(xué)透鏡組(8)、球面光學(xué)透鏡(9)、和探測器像面(10)；在光的傳播方向上，以上各光學(xué)元件依次按順序同軸排列。實(shí)施例中，無窮遠(yuǎn)目標(biāo)發(fā)射的紅外輻射依次經(jīng)過以上各光學(xué)元件后照射到探測器元件上，得到最后的像。實(shí)施例中，旋轉(zhuǎn)對(duì)稱非球面整流罩(1)是有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸的非球面，非球面校正板 (2)用于校正像差，消色差旋轉(zhuǎn)累斯萊棱鏡對(duì)(4)為可進(jìn)行大范圍視場掃描及消色差，非球面反射鏡(6)、球面反射鏡(7)用于反射光線以減小系統(tǒng)體積；旋轉(zhuǎn)對(duì)稱非球面整流罩(1) 前端頂點(diǎn)沿光軸方向到探測器像面(10)的間距是系統(tǒng)焦距的3. 5倍。實(shí)施例中透鏡具體參數(shù)如表1所示。實(shí)施例中，采用的非球面整流罩符合流體動(dòng)力學(xué)原理，使用非球面校正板進(jìn)行像質(zhì)補(bǔ)償，采用旋轉(zhuǎn)光機(jī)掃描結(jié)構(gòu)以及折、反射混合式成像結(jié)構(gòu)，主要有如下優(yōu)點(diǎn)1.在減小介質(zhì)阻力、提高運(yùn)動(dòng)范圍的同時(shí)，使成像質(zhì)量接近衍射極限，且光圈數(shù)F 的值小于2.0。2.在后續(xù)成像系統(tǒng)不運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)下，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行較大范圍的視場掃描 (大于60° )。3.系統(tǒng)體積緊湊，達(dá)到100%冷光闌效率，旋轉(zhuǎn)對(duì)稱非球面整流罩(1)前端頂點(diǎn)延光軸方向到探測器像面(10)的間距是系統(tǒng)焦距的3. 5倍。表1(單位:mm)
權(quán)利要求
1.一種含非球面整流罩的大孔徑大視場掃描紅外光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于包括旋轉(zhuǎn)對(duì)稱非球面整流罩(1)，非球面校正板(2)，球面光學(xué)透鏡(3)，消色差旋轉(zhuǎn)累斯萊棱鏡對(duì)(4)、 球面光學(xué)透鏡組(5)、非球面反射鏡(6)、球面反射鏡(7)、球面光學(xué)透鏡組(8)、球面光學(xué)透鏡(9)、和探測器像面(10)；在光的傳播方向上，以上各光學(xué)元件依次按順序同軸排列；無窮遠(yuǎn)目標(biāo)發(fā)射的紅外輻射依次經(jīng)過各光學(xué)元件后照射到探測器元件上，得到最后的像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種含非球面整流罩的大孔徑大視場掃描紅外光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于旋轉(zhuǎn)對(duì)稱非球面整流罩(1)是有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸的非球面，非球面校正板(2)用于校正像差，消色差旋轉(zhuǎn)累斯萊棱鏡對(duì)(4)為可進(jìn)行大范圍視場掃描及消色差，非球面反射鏡 (6)、球面反射鏡(7)用于反射光線以減小系統(tǒng)體積；旋轉(zhuǎn)對(duì)稱非球面整流罩(1)前端頂點(diǎn)沿光軸方向到探測器像面(10)的間距是系統(tǒng)焦距的3. 5倍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種含非球面整流罩的大孔徑大視場掃描紅外光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法如下1)、采用符合介質(zhì)動(dòng)力學(xué)的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱非球面整流罩(1)，使用非球面校正板(2)進(jìn)行像質(zhì)補(bǔ)償。在減小介質(zhì)阻力、提高運(yùn)動(dòng)范圍的同時(shí)，使成像質(zhì)量接近衍射極限，且光圈數(shù)F的值小于2. 0 ；2)、為了使系統(tǒng)在大的跟蹤視場的目標(biāo)能成像在探測器像面上，采用消色差旋轉(zhuǎn)累斯萊棱鏡對(duì)(4)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行光機(jī)掃描。如圖2所示，將累斯萊棱鏡成對(duì)使用，光楔對(duì)在與光軸垂直的平面內(nèi)繞著光軸旋轉(zhuǎn)，在后續(xù)成像系統(tǒng)不運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)下，低溫線圈和電子設(shè)備不通過旋轉(zhuǎn)機(jī)械裝置。對(duì)一定目標(biāo)視場范圍內(nèi)進(jìn)行掃描，結(jié)構(gòu)簡單。系統(tǒng)掃描視場可達(dá)到60°， 瞬時(shí)視場可達(dá)到4° ；3)、為了減小系統(tǒng)長度、滿足推進(jìn)器內(nèi)部空間狹小的使用條件，本發(fā)明在后續(xù)光學(xué)成像系統(tǒng)中使用了非球面反射鏡(6)、球面反射鏡(7)兩個(gè)反射鏡對(duì)光線進(jìn)行折反，與折射透鏡組成折、反射元件混合結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)有效減小了后續(xù)成像元件總長，使系統(tǒng)體積緊湊， 達(dá)到100%冷光闌效率，使旋轉(zhuǎn)對(duì)稱非球面整流罩(1)前端頂點(diǎn)沿光軸方向到探測器像面 (10)的間距是系統(tǒng)焦距的3. 5倍。
全文摘要
本發(fā)明涉及含非球面整流罩的大視場掃描紅外光學(xué)系統(tǒng)，屬于光學(xué)儀器技術(shù)領(lǐng)域。該系統(tǒng)包含旋轉(zhuǎn)對(duì)稱非球面整流罩、消色差旋轉(zhuǎn)累斯萊棱鏡對(duì)、光學(xué)成像系統(tǒng)和探測器像面。系統(tǒng)采用符合流體動(dòng)力學(xué)的非球面特殊整流罩，流體動(dòng)力學(xué)性能良好；利用光楔對(duì)所探測的目標(biāo)進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描成像，后續(xù)光路中成像光學(xué)系統(tǒng)固定不動(dòng)，低溫線圈和電子設(shè)備不通過旋轉(zhuǎn)機(jī)械裝置。本發(fā)明滿足介質(zhì)動(dòng)力學(xué)特性，系統(tǒng)成像質(zhì)量好、重量輕、長度短、結(jié)構(gòu)簡單，可達(dá)到60°以上掃描視場，可廣泛應(yīng)用于偵查、救援等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G02B27/00GK102322959SQ20111015043
公開日2012年1月18日 申請(qǐng)日期2011年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月7日
發(fā)明者何伍斌, 宋大林, 常軍, 曹嬌, 王蕊瑞 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)