含非球面整流罩的大视场扫描红外光学系统

摘要

本发明涉及含非球面整流罩的大视场扫描红外光学系统，属于光学仪器技术领域。该系统包含旋转对称非球面整流罩、消色差旋转累斯莱棱镜对、光学成像系统和探测器像面。系统采用符合流体动力学的非球面特殊整流罩，流体动力学性能良好；利用光楔对所探测的目标进行动态扫描成像，后续光路中成像光学系统固定不动，低温线圈和电子设备不通过旋转机械装置。本发明满足介质动力学特性，系统成像质量好、重量轻、长度短、结构简单，可达到60°以上扫描视场，可广泛应用于侦查、救援等领域。

权利要求

1.一种含非球面整流罩的大孔径大视场扫描红外光学系统，其特征在于：包括旋转对称非球面整流罩(1)，非球面校正板(2)，球面光学透镜(3)，消色差旋转累斯莱棱镜对(4)、球面光学透镜组(5)、非球面反射镜(6)、球面反射镜(7)、球面光学透镜组(8)、球面光学透镜(9)、和探测器像面(10)；在光的传播方向上，以上各光学元件依次按顺序同轴排列；无穷远目标发射的红外辐射依次经过各光学元件后照射到探测器元件上，得到最后的像；

旋转对称非球面整流罩(1)是有旋转对称轴的非球面，非球面校正板(2)用于校正像差，消色差旋转累斯莱棱镜对(4)为可进行大范围视场扫描及消色差，非球面反射镜(6)、球面反射镜(7)用于反射光线以减小系统体积；旋转对称非球面整流罩(1)前端顶点沿光轴方向到探测器像面(10)的间距是系统焦距的3.5倍。

2.根据权利要求1所述的一种含非球面整流罩的大孔径大视场扫描红外光学系统，其特征在于该系统的设计方法如下：

1)、采用符合介质动力学的旋转对称非球面整流罩(1)，使用非球面校正板(2)进行像质补偿，在减小介质阻力、提高运动范围的同时，使成像质量接近衍射极限，且光圈数F的值小于2.0；

2)、为了使系统在大的跟踪视场的目标能成像在探测器像面上，采用消色差旋转累斯莱棱镜对(4)对目标进行光机扫描；将累斯莱棱镜成对使用，光楔对在与光轴垂直的平面内绕着光轴旋转，在后续成像系统不运动的状态下，低温线圈和电子设备不通过旋转机械装置；对一定目标视场范围内进行扫描，结构简单；系统扫描视场可达到60°，瞬时视场可达到4°；

3)、为了减小系统长度、满足推进器内部空间狭小的使用条件，本发明在后续光学成像系统中使用了非球面反射镜(6)、球面反射镜(7)两个反射镜对光线进行折反，与折射透镜组成折、反射元件混合结构，这种结构有效减小了后续成像元件总长，使系统体积紧凑，达到100％冷光阑效率，使旋转对称非球面整流罩(1)前端顶点沿光轴方向到探测器像面(10)的间距是系统焦距的3.5倍。

说明书

含非球面整流罩的大视场扫描红外光学系统

技术领域

[0001] 本范明属于光学仪器技术领域，涉及一种含非球面整流罩的大视场扫描红外光学系统，特别适用于大扫描视场红外焦平面成像。

背景技术

[0002] 红外成像技术在现代侦查、救援中的作用日益突出。作为成像元件，推进器导引头的光学整流罩在满足光学探测系统像质要求的同时，还需满足流体动力学低阻力的要求。旋转对称非球面光学整流罩的外表面具有较尖的拱状外形，更能满足介质动力学性能要求。但是，当整流罩后面的光学系统对一定范围的视场进行跟踪扫描成像时，由于参与成像的整流罩面型是非球面的，给后续的光学系统引入各种像差，严重影响成像质量。

[0003] 与本发明最为接近的已有技术是专利CN.200910236443.X，该光学系统只有5°-10°视场，且全部采用折射元件，系统长度较大、结构复杂，难以满足推进器内部空间狭小的使用条件。

[0004] 为了克服上述缺点，特设计一种含非球面整流罩的大视场扫描红外光学系统，可适于较大范围的扫描视场(大于60°)，系统结构简单、长度短，并在光圈数F为2.0时获得接近衍射极限的调制传递函数(MTF)值。

发明内容

[0005] 本发明的目的是解决非球面整流罩条件下，系统视场较小及结构复杂的问题，提出一种含非球面整流罩的大视场扫描红外光学系统。

[0006] 本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

[0007] 本发明的一种含非球面整流罩的大视场扫描红外光学系统包括：旋转对称非球面整流罩(1)，非球面校正板(2)，球面光学透镜(3)，消色差旋转累斯莱棱镜对(4)、球面光学透镜组(5)、非球面反射镜(6)、球面反射镜(7)、球面光学透镜组(8)、球面光学透镜(9)、和探测器像面(10)；在光的传播方向上，以上各光学元件依次按顺序同轴排列。

[0008] 其中，旋转对称非球面整流罩(1)是有旋转对称轴的非球面，非球面校正板(2)用于校正像差，消色差旋转累斯莱棱镜对(4)可进行大范围视场扫描及消色差，非球面反射镜(6)、球面反射镜(7)用于反射光线以减小系统体积；旋转对称非球面整流罩(1)前端顶点沿光轴方向到探测器像面(10)的间距是系统焦距的3.5倍。

[0009] 本发明具体设计方法如下：

[0010] 1.采用了一种符合介质动力学的旋转对称非球面整流罩(1)，使用非球面校正板(2)进行像质补偿。在减小介质阻力、提高运动范围的同时，使成像质量接近衍射极限，且光圈数F的值小于2.0；

[0011] 2.为了使系统在大的跟踪视场的目标能成像在探测器像面上，采用消色差旋转累斯莱棱镜对(4)对目标进行光机扫描。如图2所示，将累斯莱棱镜成对使用，光楔对在与光轴垂直的平面内绕着光轴旋转，在后续成像系统不运动的状态下，低温线圈和电子设备不通过旋转机械装置。对一定目标视场范围内进行扫描，结构简单。系统扫描视场可达到60°，瞬时视场可达到4°。

[0012] 3.为了减小系统长度、满足推进器内部空间狭小的使用条件，本发明在后续光学成像系统中使用了非球面反射镜(6)、球面反射镜(7)两个反射镜对光线进行折反，与折射透镜组成折、反射元件混合结构，这种结构有效减小了后续成像元件的总长，使系统体积紧凑，达到100％冷光阑效率，使旋转对称非球面整流罩(1)前端顶点沿光轴方向到探测器像面(10)的间距是系统焦距的3.5倍。

[0013] 通过以上的设计方法，本发明的一种含非球面整流罩的大视场扫描红外光学系统可适于大于60°范围的扫描视场，系统结构简单、长度短，并在光圈数F为2.0时获得接近衍射极限的调制传递函数(MTF)值。

[0014] 本发明的工作原理：无穷远目标发射的红外辐射依次经过旋转对称非球面整流罩(1)，非球面校正板(2)，球面光学透镜(3)，消色差旋转累斯莱棱镜对(4)、球面光学透镜组(5)、非球面反射镜(6)、球面反射镜(7)、球面光学透镜组(8)、球面光学透镜(9)后，照射到探测器像面(10)上，得到最后的像。

[0015] 有益效果

[0016] 本发明对比已有技术具有以下显著优点：本发明采用了一种符合介质动力学的旋转对称非球面整流罩，并使用一种非球面校正板进行像质补偿。在减小介质阻力、提高运动范围的同时，使成像质量接近衍射极限，且光圈数F的值小于2.0。含有旋转光机扫描结构，在后续成像系统不运动的条件下，进行较大范围的视场扫描(大于60°)。系统结构简单、体积紧凑，达到100％冷光阑效率，旋转对称非球面整流罩(1)前端顶点沿光轴方向到探测器像面(10)的间距是系统焦距的3.5倍。特别适合于作为红外导引头应用于现代侦查、救援等领域中。

附图说明

[0017] 图1是本发明实施例的结构示意图；

[0018] 图2是不同旋转角度的累斯莱棱镜对操控光线走向示意图；

[0019] 图3是已有技术的结构示意图；

[0020] 图中，1-旋转对称非球面整流罩、2-非球面校正板、3-球面光学透镜、4-消色差旋转累斯莱棱镜对、5-球面光学透镜组、6-非球面反射镜、7-球面反射镜、8-球面光学透镜组、9-球面光学透镜、10-探测器像面、11-整流罩、12-第一单正球面光学透镜、13-第二单正球面光学透镜、14-第一单负球面光学透镜、15-第一单正球面光学透镜组、16-第三单正球面光学透镜、17-第四单正球面光学透镜、18-第二单负球面光学透镜、19-第二单正球面光学透镜组、20-第三单负球面光学透镜、21-保护窗玻璃、22-探测器像面。

具体实施方式

[0021] 下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

[0022] 实施例如图1所示，本发明将主要应用于大扫描视场红外焦平面成像。可广泛应用于现代侦查、救援等领域中。

[0023] 如图1所示，本发明的一种含非球面整流罩的大视场扫描红外光学系统，包括旋转对称非球面整流罩(1)，非球面校正板(2)，球面光学透镜(3)，消色差旋转累斯莱棱镜对(4)、球面光学透镜组(5)、非球面反射镜(6)、球面反射镜(7)、球面光学透镜组(8)、球面光学透镜(9)、和探测器像面(10)；在光的传播方向上，以上各光学元件依次按顺序同轴排列。

[0024] 实施例中，无穷远目标发射的红外辐射依次经过以上各光学元件后照射到探测器元件上，得到最后的像。

[0025] 实施例中，旋转对称非球面整流罩(1)是有旋转对称轴的非球面，非球面校正板(2)用于校正像差，消色差旋转累斯莱棱镜对(4)为可进行大范围视场扫描及消色差，非球面反射镜(6)、球面反射镜(7)用于反射光线以减小系统体积；旋转对称非球面整流罩(1)前端顶点沿光轴方向到探测器像面(10)的间距是系统焦距的3.5倍。

[0026] 实施例中透镜具体参数如表1所示。

[0027] 实施例中，采用的非球面整流罩符合流体动力学原理，使用非球面校正板进行像质补偿，采用旋转光机扫描结构以及折、反射混合式成像结构，主要有如下优点：

[0028] 1.在减小介质阻力、提高运动范围的同时，使成像质量接近衍射极限，且光圈数F的值小于2.0。

[0029] 2.在后续成像系统不运动的状态下，简化系统结构，进行较大范围的视场扫描(大于60°)。

[0030] 3.系统体积紧凑，达到100％冷光阑效率，旋转对称非球面整流罩(1)前端顶点延光轴方向到探测器像面(10)的间距是系统焦距的3.5倍。

[0031] 表1(单位：mm)

[0032]