專利名稱：基于諧衍射光學(xué)元件的雙視場(chǎng)/雙色紅外消熱差光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于諧衍射光學(xué)元件的雙視場(chǎng)/雙色紅外消熱差光學(xué)系統(tǒng)，尤其涉及一種冷光闌效率近似100%的消熱差成像光學(xué)系統(tǒng)。屬于紅外熱成像領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
諧衍射光學(xué)元件也稱為多級(jí)衍射光學(xué)元件，其特點(diǎn)是相鄰環(huán)帶間的光程差是設(shè)計(jì)波長(zhǎng)λ ^的整數(shù)P倍，可以在一系列分離的波長(zhǎng)上獲得相同的光焦度，能夠應(yīng)用于雙色紅外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。諧衍射光學(xué)元件的色散性能介于折射元件與普通衍射光學(xué)元件之間，其校正色差的優(yōu)越特性，可以間接的起到簡(jiǎn)化消熱差系統(tǒng)設(shè)計(jì)的作用，實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)在復(fù)雜工作環(huán)境中工作的理想狀態(tài)。應(yīng)用諧衍射光學(xué)元件間接實(shí)現(xiàn)消熱差效果，可以減少系統(tǒng)光學(xué)元件個(gè)數(shù)，達(dá)到簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的。雙視場(chǎng)光學(xué)系統(tǒng)具有大小不同的兩個(gè)成像視場(chǎng)，有利于實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)的目標(biāo)搜索與小視場(chǎng)的目標(biāo)跟蹤。雙色紅外光學(xué)系統(tǒng)本身由于存在較大的色差，實(shí)現(xiàn)兩波段共焦具有一定技術(shù)難度，需要合理選擇光學(xué)材料，但紅外光學(xué)材料可同時(shí)應(yīng)用于雙波段成像的可選范圍又很??； 在保證兩波段共焦的同時(shí)，在視場(chǎng)切換過(guò)程中要實(shí)現(xiàn)消熱差效果又從另一個(gè)角度提升了技術(shù)難度。另外，光學(xué)系統(tǒng)需要考慮與紅外制冷探測(cè)器的冷光闌匹配問(wèn)題。種種難度導(dǎo)致國(guó)內(nèi)現(xiàn)有光學(xué)系統(tǒng)大多停留于未消熱的雙視場(chǎng)雙波段成像階段。目前，國(guó)外報(bào)道的紅外熱成像光學(xué)系統(tǒng)中最先進(jìn)的光學(xué)系統(tǒng)即法國(guó)的雙視場(chǎng)雙波段切換成像光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)不具有雙色同時(shí)成像系統(tǒng)的探測(cè)率高的優(yōu)勢(shì)，且現(xiàn)有資料尚未提及本系統(tǒng)已進(jìn)行消熱差考慮。因此研制雙視場(chǎng)/雙色紅外消熱差光學(xué)系統(tǒng)具有無(wú)可比擬的發(fā)明和應(yīng)用價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于諧衍射光學(xué)元件的雙視場(chǎng)/雙色紅外消熱差光學(xué)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的搜索和跟蹤的目的，具有探測(cè)效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明所述的基于諧衍射光學(xué)元件的雙視場(chǎng)/雙色紅外消熱差光學(xué)系統(tǒng)，工作波段為4. 4-5. 4um/7. 8-8. 8um，焦距為183mm/61mm，工作溫度為_40°C +60°C。寬窄視場(chǎng)光學(xué)系統(tǒng)F數(shù)相同(2. 68)，共用同一雙色紅外焦平面探測(cè)器，具有近似100%的冷光闌效率；采用微量移動(dòng)變焦鏡組實(shí)現(xiàn)消熱差的效果，使MWR與UWR在工作范圍內(nèi)始終共焦成像。其結(jié)構(gòu)包括物鏡組、變焦鏡組、中繼鏡組、雙色紅外探測(cè)器窗口玻璃、光闌和雙色紅外探測(cè)器。 系統(tǒng)包括一個(gè)諧衍射面和三個(gè)偶次非球面，光學(xué)材料只有三種常用的紅外材料鍺、硒化鋅和氟化鈣。所述的基于諧衍射光學(xué)元件的雙視場(chǎng)/雙色紅外消熱差光學(xué)系統(tǒng)，采用一片鍺透鏡、一片硒化鋅透鏡(各表面均為球面)和一片氟化鈣透鏡(其中一個(gè)表面為偶次非球面) 作為物鏡組。所述的基于諧衍射光學(xué)元件的雙視場(chǎng)/雙色紅外消熱差光學(xué)系統(tǒng)，采用一片鍺透
3鏡(其中一個(gè)表面為諧衍射面)作為變焦鏡組。通過(guò)變焦鏡組的軸向移動(dòng)，不僅可以實(shí)現(xiàn)雙視場(chǎng)切換，而且可以達(dá)到消熱差的效果。保證系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)不同工作模式的切換以及不同工作環(huán)境的高質(zhì)量成像。所述的基于諧衍射光學(xué)元件的雙視場(chǎng)/雙色紅外消熱差光學(xué)系統(tǒng)，采用兩片鍺透鏡(其中兩個(gè)表面為偶次非球面)作為中繼鏡組。保證近似100%的冷光闌效率的同時(shí)，起到壓縮物鏡組口徑的作用。所述的基于諧衍射光學(xué)元件的雙視場(chǎng)/雙色紅外消熱差光學(xué)系統(tǒng)的雙色紅外探測(cè)器采用制冷紅外焦平面探測(cè)器，用于同時(shí)接收麗頂和UWR的圖像。所述的基于諧衍射光學(xué)元件的雙視場(chǎng)/雙色紅外消熱差光學(xué)系統(tǒng)，采用探測(cè)器的冷光闌作為孔徑光闌，以滿足近似百分之百的冷光闌效率，消除到達(dá)探測(cè)器的雜散光，提高探測(cè)率。本發(fā)明是基于諧衍射光學(xué)元件的雙視場(chǎng)/雙色紅外消熱差光學(xué)系統(tǒng)，具有以下有益效果1、同一系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)搜索與目標(biāo)跟蹤兩項(xiàng)功能。2、可對(duì)中波和長(zhǎng)波紅外同時(shí)共焦成像，提高對(duì)目標(biāo)的探測(cè)能力，降低虛警率；3、系統(tǒng)達(dá)到雙色紅外消熱差效果，具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。4、具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)。


圖1為基于諧衍射光學(xué)元件的雙視場(chǎng)/雙色紅外消熱差光學(xué)系統(tǒng)工作在寬視場(chǎng)的結(jié)構(gòu)示意圖(也作為摘要附圖)；圖2為基于諧衍射光學(xué)元件的雙視場(chǎng)/雙色紅外消熱差光學(xué)系統(tǒng)工作在窄視場(chǎng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖中1、物鏡組，2、變焦鏡組，3、中繼鏡組，4、雙色紅外探測(cè)器窗口玻璃，5、光闌， 6、雙色紅外探測(cè)器。圖3為4. 4-5. 4um/7. 8-8. Sum兩個(gè)諧振波段下的衍射效率曲線圖。圖中m為衍射級(jí)次。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，目標(biāo)輻射源發(fā)出的紅外光波被所述的物鏡組1接收，經(jīng)過(guò)變焦鏡組2 到達(dá)中繼鏡組3，最后順序通過(guò)雙色紅外探測(cè)器的窗口玻璃4以及光闌5，成像到雙色紅外探測(cè)器6上，對(duì)雙色紅外探測(cè)器進(jìn)行圖像處理與識(shí)別即可辨別紅外輻射目標(biāo)。光學(xué)系統(tǒng)通過(guò)軸向移動(dòng)變焦鏡組，不僅可以實(shí)現(xiàn)視場(chǎng)切換，達(dá)到目標(biāo)搜索與目標(biāo)跟蹤模式的轉(zhuǎn)換目的， 而且可以達(dá)到消熱差效果，增強(qiáng)系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性。以下給出動(dòng)態(tài)工作過(guò)程其第一項(xiàng)功能，完成寬視場(chǎng)目標(biāo)搜索如圖1所示，當(dāng)目標(biāo)輻射的紅外波被所述物鏡組1接收，經(jīng)過(guò)變焦鏡組2到達(dá)中繼鏡組3，最后順序通過(guò)雙色紅外探測(cè)器的窗口玻璃4 以及光闌5，成像到雙色紅外探測(cè)器6上，可實(shí)現(xiàn)對(duì)背景目標(biāo)的搜索。其第二項(xiàng)功能，完成小視場(chǎng)目標(biāo)跟蹤如圖2所示，當(dāng)將變焦鏡組2移動(dòng)到小視場(chǎng)目標(biāo)跟蹤工作的位置時(shí)，系統(tǒng)步入小視場(chǎng)目標(biāo)跟蹤狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的實(shí)時(shí)跟蹤工作。其第三項(xiàng)功能，復(fù)雜工作環(huán)境下正常工作如第一項(xiàng)和第二項(xiàng)功能所述，所述的基于諧衍射光學(xué)元件的雙視場(chǎng)/雙色紅外消熱差光學(xué)系統(tǒng)在-40°C-60°C進(jìn)行消熱，可工作于該溫度范圍內(nèi)的任意工作環(huán)境中。如圖3所示，實(shí)施例所選設(shè)計(jì)波長(zhǎng)入0為4. Sum,相位匹配因子P = 2，諧振波長(zhǎng)分別為9. 6um和4. Sum,衍射級(jí)次分別為1級(jí)和2級(jí)，通過(guò)MATLAB數(shù)學(xué)計(jì)算軟件計(jì)算得出 4. 4-5. 4um/7. 8-8. Sum兩個(gè)諧振波段內(nèi)的衍射效率曲線。由圖可知，在光學(xué)系統(tǒng)工作波段內(nèi)諧衍射元件的衍射效率高于80%，可以保證系統(tǒng)的衍射能量要求。
權(quán)利要求
1.基于諧衍射光學(xué)元件的雙視場(chǎng)/雙色紅外消熱差光學(xué)系統(tǒng)，工作波段為 4. 4-5. 4um/7. 8-8. 8um，焦距為183mm/61mm，工作溫度為-40°C +60°C。寬窄視場(chǎng)光學(xué)系統(tǒng)F數(shù)相同(2. 68)，共用同一雙色紅外焦平面探測(cè)器，具有近似100%的冷光闌效率；采用微量移動(dòng)變焦鏡組實(shí)現(xiàn)消熱差的效果，使MWR與UWR在工作范圍內(nèi)始終共焦成像。其結(jié)構(gòu)包括物鏡組、變焦鏡組、中繼鏡組、雙色紅外探測(cè)器窗口玻璃、光闌和雙色紅外探測(cè)器。系統(tǒng)包括一個(gè)諧衍射面和三個(gè)偶次非球面，光學(xué)材料只有三種常用的紅外材料鍺、硒化鋅和氟化鈣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于諧衍射光學(xué)元件的雙視場(chǎng)/雙色紅外消熱差光學(xué)系統(tǒng)， 其特征是目標(biāo)輻射源發(fā)出的紅外光波被所述的物鏡組接收，經(jīng)過(guò)變焦鏡組到達(dá)中繼鏡組， 最后順序通過(guò)雙色紅外探測(cè)器的窗口玻璃以及光闌，成像到雙色紅外探測(cè)器上，對(duì)雙色紅外探測(cè)器進(jìn)行圖像處理與識(shí)別即可辨別紅外輻射目標(biāo)。光學(xué)系統(tǒng)通過(guò)軸向移動(dòng)變焦鏡組， 不僅可以實(shí)現(xiàn)視場(chǎng)切換，達(dá)到目標(biāo)搜索與目標(biāo)跟蹤模式的轉(zhuǎn)換目的，而且可以達(dá)到消熱差效果，增強(qiáng)系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于諧衍射光學(xué)元件的雙視場(chǎng)/雙色紅外消熱差光學(xué)系統(tǒng)，尤其涉及一種冷光闌效率近似100％的消熱差光學(xué)系統(tǒng)，屬于紅外熱成像領(lǐng)域。其工作波段為4.4-5.4μm/7.8-8.8μm，焦距為183mm/61mm，工作溫度為-40℃～+60℃。寬窄視場(chǎng)光學(xué)系統(tǒng)F數(shù)相同(2.68)，共用同一雙色紅外焦平面探測(cè)器，具有近似100％的冷光闌效率。采用微量移動(dòng)變焦鏡組實(shí)現(xiàn)消熱差的效果，使MWIR與LWIR在工作范圍內(nèi)始終共焦成像。其結(jié)構(gòu)包括物鏡組、變焦鏡組、中繼鏡組、雙色紅外探測(cè)器窗口玻璃、光闌和雙色紅外探測(cè)器。系統(tǒng)包括一個(gè)諧衍射面和三個(gè)偶次非球面，光學(xué)材料只有三種常用的紅外材料鍺、硒化鋅和氟化鈣。
文檔編號(hào)G02B13/14GK102354043SQ20111028468
公開日2012年2月15日 申請(qǐng)日期2011年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月23日
發(fā)明者付躍剛, 劉智穎, 孫建, 王志堅(jiān), 賈永丹 申請(qǐng)人:長(zhǎng)春理工大學(xué)