專利名稱：一種用于微光探測(cè)的光學(xué)耦合系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及了微光成像探測(cè)技術(shù)，尤其涉及一種實(shí)現(xiàn)像增強(qiáng)器與成像探測(cè)器之間非接觸式傳像的近距離光學(xué)耦合系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
微光探測(cè)是一種利用圖像增強(qiáng)器件對(duì)暗弱目標(biāo)光輻射信號(hào)進(jìn)行強(qiáng)化后成像的技術(shù)。其中的關(guān)鍵器件-像增強(qiáng)器(image intensifier,簡(jiǎn)稱I, 1.)最早出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代的美國(guó)。其研制初衷是為了取代二戰(zhàn)時(shí)期使用的主動(dòng)紅外夜視系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)被動(dòng)式探測(cè)(利用目標(biāo)自身微光特性)。像增強(qiáng)器件發(fā)展至今經(jīng)歷了多次技術(shù)變革，從早期的一代產(chǎn)品(光纖板三級(jí)聯(lián))，經(jīng)歷二代產(chǎn)品(多重堿陰極)到三代(鎵砷光陰極)和超二代產(chǎn)品，其光靈敏度不斷得到提升，響應(yīng)譜段也得到了擴(kuò)展，其衍生出的微光成像產(chǎn)品被廣泛地應(yīng)用在國(guó)防領(lǐng)域。在利用像增強(qiáng)器的微光探測(cè)系統(tǒng)中，經(jīng)過(guò)增強(qiáng)的目標(biāo)圖像和接收器之間的傳輸機(jī)制被稱為成像耦合系統(tǒng)。在直視微光成像系統(tǒng)中，由于接收器是人眼，所以耦合系統(tǒng)即為目鏡。而隨著微光探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，除了在軍事方面的應(yīng)用外，其在高能物理、生物和天文等科學(xué)領(lǐng)域也開始受到重視，人眼往往不能滿足這些領(lǐng)域科學(xué)目標(biāo)的觀測(cè)要求，需要采用高靈敏度光電成像探測(cè)器作為系統(tǒng)的成像器件。目前這種光電成像耦合系統(tǒng)分為兩種實(shí)現(xiàn)方式:中繼鏡(relaylens)耦合和錐形光纖(tapered optical fiber)稱合。其中中繼鏡稱合即用光學(xué)鏡頭來(lái)實(shí)現(xiàn)傳像，屬于較為傳統(tǒng)的耦合方式。而錐形光纖(亦稱為光錐耦合)是隨著近年來(lái)纖維光學(xué)發(fā)展起來(lái)較新型的傳光器件，其理論耦合效率要高于中繼鏡數(shù)倍，而且體積較小，適合用于便攜、頭戴式微光成像系統(tǒng)。而在對(duì)體積、重量沒有特殊要求的科學(xué)成像探測(cè)應(yīng)用中，中繼鏡耦合又以靈活的縮比、較低的裝調(diào)工藝要求等優(yōu)勢(shì)受到重視。正是因?yàn)檫@兩種耦合器件各有優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，因而根據(jù)不同的科學(xué)目標(biāo)選擇適合的耦合方式對(duì)保證儀器的整體性能具有重要的意義。光錐耦合和光學(xué)中繼鏡耦合是目前微光探測(cè)中僅有的兩種耦合方式，下面分別介紹這兩種耦合方式:一、光錐耦合:將許多單根光導(dǎo)纖維細(xì)絲整齊排列后形成預(yù)制棒，其入射端和出射端一一對(duì)應(yīng)，每個(gè)光纖端面為一個(gè)取樣點(diǎn)，對(duì)應(yīng)每個(gè)纖維細(xì)絲的入射光在該光纖中利用全反射到達(dá)出射端的對(duì)應(yīng)面，實(shí)現(xiàn)像的傳送。預(yù)制棒經(jīng)過(guò)熱處理后，在其中一端產(chǎn)生一定量的錐度，即形成了可以實(shí)現(xiàn)圖像縮放的光錐。其主要缺陷可以分為以下七點(diǎn):I)探測(cè)器開窗問(wèn)題使用光錐進(jìn)行耦合的一大難點(diǎn)在于光電探測(cè)器開窗問(wèn)題。光錐端面的光線出射角很大(接近半球出射)，因此出射端面需要直接附著于探測(cè)器感光元才能實(shí)現(xiàn)清晰成像。目前市面上各類探測(cè)器(民用、軍用和航天級(jí)別產(chǎn)品等)均有窗口保護(hù)玻璃，其固定方式各異，開啟窗口的工藝復(fù)雜且危險(xiǎn)系數(shù)極高。2)篩孔效應(yīng)構(gòu)成光錐的光纖細(xì)絲由通光的高折射率纖芯、低折射率包層和光吸收玻璃三層材料構(gòu)成，因此每根細(xì)絲周圍都存在一定面積的非通光區(qū)域，形成篩孔效應(yīng)，降低了系統(tǒng)的有效通光面積。3)串?dāng)_當(dāng)目標(biāo)圖像從光錐的大端面到小端面?zhèn)鬏敃r(shí)，入射光在纖芯中多次反射后入射角成縮小趨勢(shì)，在到達(dá)小端面時(shí)會(huì)出現(xiàn)入射角小于臨界角的情況，成像光束穿過(guò)包層到達(dá)相鄰纖芯中，造成串?dāng)_。4)硬性連接帶來(lái)的環(huán)境適應(yīng)性問(wèn)題使用光錐耦合需要將光錐前后端面分別與像增強(qiáng)器和探測(cè)器進(jìn)行接觸式連接，這就對(duì)結(jié)構(gòu)支撐環(huán)節(jié)提出極高的要求，尤其在航天應(yīng)用領(lǐng)域。目前國(guó)際只有極少數(shù)國(guó)家具備成功發(fā)射經(jīng)驗(yàn)，且對(duì)具體實(shí)施工藝進(jìn)行保密控制。我國(guó)在這一領(lǐng)域目前尚處于進(jìn)行工程化探索階段。5)錐度比(縮比)較高時(shí)帶來(lái)的串?dāng)_、分辨率、傳函降低當(dāng)像增強(qiáng)器尺寸和探測(cè)器尺寸之比較高時(shí)，需要光錐具有相應(yīng)的放大率來(lái)實(shí)現(xiàn)耦合，如3)中提到的串?dāng)_效應(yīng)加速惡化，此時(shí)單路光纖中的信號(hào)將會(huì)干擾相鄰的多路信號(hào)，造成整個(gè)成像系統(tǒng)傳函和分辨率降低，嚴(yán)重影響耦合成像質(zhì)量。6)崎變光錐在熱成型過(guò)程中受到橫向擠壓和縱向拉伸，且加熱過(guò)程中存在溫度梯度等。這些力學(xué)熱學(xué)因素將造成每個(gè)芯徑尺寸之間的差異，即產(chǎn)生成像畸變。7)像面照度均勻性差光錐的端面中心區(qū)域，光纖束的幾何形態(tài)較為理想，而離中心越遠(yuǎn)，單絲的彎曲程度增加，在光束傳輸過(guò)程中發(fā)生光溢出的概率增高，因此在成像上表現(xiàn)為邊緣像面照度明顯低于中心區(qū)域。二、傳統(tǒng)中繼鏡耦合:中繼鏡是由傳統(tǒng)的光學(xué)鏡片構(gòu)成的近距離成像物鏡，如果不考慮系統(tǒng)的體積和重量限制(地面應(yīng)用系統(tǒng))，那么主要制約中繼鏡應(yīng)用的因素是耦合效率和像面均勻性。I)耦合效率:中繼鏡的物方孔徑角(由物方數(shù)值孔徑?jīng)Q定)代表了鏡組對(duì)任意物點(diǎn)光輻射的收集能力，當(dāng)發(fā)射窗口為光學(xué)玻璃時(shí)，光輻射近似為朗伯體發(fā)射，當(dāng)窗口為光纖面板時(shí)，光輻射強(qiáng)度近似為高斯分布。無(wú)論采用何種窗口，中繼鏡只能收集孔徑角對(duì)應(yīng)立體角內(nèi)的光輻射。根據(jù)業(yè)內(nèi)的經(jīng)驗(yàn)公式，一般認(rèn)為中繼鏡耦合效率最高可達(dá)到15%左右。2 )像面均勻性:傳統(tǒng)的中繼鏡無(wú)法保證物方各個(gè)視場(chǎng)的物點(diǎn)所發(fā)射的光輻射被均勻傳輸，尤其對(duì)于光纖面板窗口的像增強(qiáng)器來(lái)說(shuō)，由于能量高斯分布的原因，從中心到邊緣能量接收效率明顯降低，不利于用于定量分析的微光系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決傳統(tǒng)的中繼鏡耦合系統(tǒng)效率低、不利用定量分析的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種用于微光探測(cè)的光學(xué)耦合系統(tǒng)，它是一種用于地面微光探測(cè)成像系統(tǒng)的中繼鏡耦合系統(tǒng)，主要為了實(shí)現(xiàn)像增強(qiáng)器和成像探測(cè)器之間的非接觸式圖像傳輸?shù)墓δ堋１景l(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種高性能光學(xué)中繼鏡耦合系統(tǒng)，其特殊之處在于:包括沿光路依次設(shè)置的像增強(qiáng)器2、大孔徑成像鏡3以及探測(cè)器6，所述大孔成像鏡3包括接收組4、成像組5以及光闌，所述光闌連接接收組4和成像組5,所述接收組4包括依次設(shè)置的前組單透鏡一 42、前組膠合一 43、前組膠合二 44、前組單透鏡二 45，所述成像組5包括依次設(shè)置的后組單透鏡一 56、后組膠合一 57、后組膠合二58以及后組單透鏡二 59。上述像增強(qiáng)器I的直徑與探測(cè)器6的直徑縮比為1:1 - 5:1。上述探測(cè)器6上的像方孔徑角大于0.8，像方F數(shù):大于0.8。入射像增強(qiáng)器I上的物方成像光束為遠(yuǎn)心光路。入射探測(cè)器上的像方成像光束為遠(yuǎn)心光路。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):1、本發(fā)明將大孔成像鏡3進(jìn)行分組設(shè)計(jì)，分為接收組4和成像組5，再通過(guò)光闌將接收組與成像組組裝。這樣方便于確定縮比倍率，并且容易進(jìn)行全局優(yōu)化，達(dá)到較高的成像質(zhì)量。2、本發(fā)明將物方成像光束設(shè)計(jì)為遠(yuǎn)心光路，適合與各類像增強(qiáng)器出射窗口匹配，且物方各個(gè)視場(chǎng)的光輻射接收能力均等，均勻性很高。3、本發(fā)明將像方成像光束設(shè)計(jì)為遠(yuǎn)心光路，保證各個(gè)物點(diǎn)到達(dá)探測(cè)器的能量無(wú)畸變，結(jié)合為遠(yuǎn)心光路的物方成像光束，可以達(dá)到很高的像面照度均勻性。4、本發(fā)明的中繼鏡耦合系統(tǒng)可以將像面幾何畸變控制在萬(wàn)分之五的量級(jí)內(nèi)，還可以根據(jù)像增強(qiáng)器自身實(shí)測(cè)畸變來(lái)自由調(diào)整畸變量進(jìn)行補(bǔ)償，從而達(dá)到徹底消除畸變影響。5、本發(fā)明的中繼鏡耦合系統(tǒng)利用普通光學(xué)玻璃即實(shí)現(xiàn)了在可見光譜段較高的傳像質(zhì)量，可以應(yīng)用于大多數(shù)類型的像增強(qiáng)器耦合。本發(fā)明中繼鏡耦合系統(tǒng)應(yīng)用范圍廣并且成本低。6、本發(fā)明的中繼鏡耦合系統(tǒng)可直接通過(guò)焦距縮放改變物方視場(chǎng)，從而適應(yīng)目前標(biāo)準(zhǔn)尺寸(直徑25mm)到大尺寸(直徑75mm)像增強(qiáng)器的使用要求，且成像質(zhì)量基本保持不變。7、在1:1縮比條件下，物方F數(shù)可以達(dá)到0.8，集光能力較高，此時(shí)系統(tǒng)耦合效率可達(dá)15%左右；在4:1縮比條件下，物方F數(shù)可以達(dá)到2.2，耦合效率大于5%。


圖1為本發(fā)明光學(xué)耦合系統(tǒng)的原理示意圖；圖2為本發(fā)明光學(xué)耦合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明光學(xué)稱合系統(tǒng)的一種實(shí)施例不意圖；其中附圖標(biāo)記為:1-被探測(cè)目標(biāo)，2-像增強(qiáng)器，3-大孔徑成像鏡，4-接收組，5-成像組，42-前組單透鏡一，43-前組膠合一，44-前組膠合二，45前組單透鏡二，56-后組單透鏡一，57-后組膠合一，58-后組膠合二，59-后組單透鏡二，6-探測(cè)器。
具體實(shí)施例方式如圖1、圖2所示，一種高性能光學(xué)中繼鏡耦合系統(tǒng)，包括沿光路依次設(shè)置的被探測(cè)目標(biāo)1、像增強(qiáng)器2、大孔徑成像鏡3以及探測(cè)器6，大孔成像鏡3包括接收組4、成像組5以及光闌，光闌用于連接接收組4和成像組5。接收組4包括依次設(shè)置的前組單透鏡一 42、前組膠合一 43、前組膠合二 44、前組單透鏡二 45，所述成像組5包括依次設(shè)置的后組單透鏡一 56、后組膠合一 57、后組膠合二 58以及后組單透鏡二 59。大孔徑成像鏡以光闌為界分為前組和后組兩大部分。其中前組稱為接收組，主要功能是將目標(biāo)輻射均勻接收；后組稱為成像組，主要功能是對(duì)目標(biāo)輻射進(jìn)行匯聚成像，并實(shí)現(xiàn)圖像的縮放功能。接收組4與像增強(qiáng)器2的工作距離D1、成像組5與探測(cè)器6之間的工作距離D2可以在一定范圍內(nèi)調(diào)整，調(diào)整后的工作距離以滿足探測(cè)器安裝要求為標(biāo)準(zhǔn)。中繼鏡光軸與像增強(qiáng)器中心及探測(cè)器中心保證同軸，中繼鏡放大倍率由像增強(qiáng)器直徑和探測(cè)器尺寸決定。像增強(qiáng)器I的直徑與探測(cè)器6的直徑比為1:1 - 5:1。在縮比為1:1時(shí)，物方F數(shù)可以達(dá)到0.8，集光能力較高，此時(shí)系統(tǒng)耦合效率可達(dá)15%左右；在縮比為4:1時(shí)，物方F數(shù)可以達(dá)到2.2，耦合效率大于5%。物方成像光束設(shè)計(jì)為遠(yuǎn)心光路，適合與各類像增強(qiáng)器出射窗口匹配，且物方各個(gè)視場(chǎng)的光輻射接收能力均等，均勻性很高。將像方成像光束設(shè)計(jì)為遠(yuǎn)心光路，保證各個(gè)物點(diǎn)到達(dá)探測(cè)器的能量無(wú)畸變，結(jié)合為遠(yuǎn)心光路的物方成像光束，可以達(dá)到很高的像面照度均勻性。實(shí)施例:根據(jù)本發(fā)明的指導(dǎo)思想，給出了一個(gè)具體的耦合系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，具體參數(shù)如表1:被探測(cè)目標(biāo)(object)，探測(cè)器上所成像(image)，其中被探測(cè)目標(biāo)的半徑為無(wú)窮大(infinity)即為平面。表I為一種光學(xué)耦合系統(tǒng)的各種參數(shù)列表
權(quán)利要求
1.一種用于微光探測(cè)的光學(xué)耦合系統(tǒng)，其特征在于:包括沿光路依次設(shè)置的像增強(qiáng)器(2)、大孔徑成像鏡(3)以及探測(cè)器(6)，所述大孔成像鏡(3)包括接收組(4)、成像組(5)以及光闌，所述光闌連接接收組(4 )和成像組(5 )， 所述接收組(4)包括依次設(shè)置的前組單透鏡一(42)、前組膠合一(43)、前組膠合二(44)、前組單透鏡二(45)，所述成像組(5)包括依次設(shè)置的后組單透鏡一(56)、后組膠合一(57)、后組膠合二(58)以及后組單透鏡二(59)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于微光探測(cè)的光學(xué)耦合系統(tǒng)，其特征在于:所述像增強(qiáng)器(2)的直徑與探測(cè)器(6)的直徑縮比為1:1 - 5:1。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于微光探測(cè)的光學(xué)耦合系統(tǒng)，其特征在于:所述探測(cè)器(6)上的像方孔徑角大于0.8,像方F數(shù):大于0.8。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于微光探測(cè)的光學(xué)耦合系統(tǒng)，其特征在于:入射像增強(qiáng)器(2)上的物方成像光束為遠(yuǎn)心光路。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于微光探測(cè)的光學(xué)耦合系統(tǒng)，其特征在于:入射探測(cè)器上的像方成像光束為遠(yuǎn)心光路。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于微光探測(cè)的光學(xué)耦合系統(tǒng)，包括沿光路依次設(shè)置的像增強(qiáng)器、大孔徑成像鏡以及探測(cè)器，大孔成像鏡包括接收組、成像組以及光闌，光闌連接接收組和成像組，接收組包括依次設(shè)置的前組單透鏡一、前組膠合一、前組膠合二、前組單透鏡二，所述成像組包括依次設(shè)置的后組單透鏡一、后組膠合一、后組膠合二以及后組單透鏡二。本發(fā)明為了解決傳統(tǒng)的中繼鏡耦合系統(tǒng)效率低、不利用定量分析的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明主要為了實(shí)現(xiàn)像增強(qiáng)器和成像探測(cè)器之間的非接觸式圖像傳輸?shù)墓δ堋?br> 文檔編號(hào)G02B27/00GK103207446SQ20131014333
公開日2013年7月17日 申請(qǐng)日期2013年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月23日
發(fā)明者孫鑫, 胡炳樑, 鄒純博, 李勇, 王樂, 白清蘭 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所