双视场/双色红外主动消热差光学系统

摘要

本发明涉及一种双视场/双色红外主动消热差光学系统，尤其涉及一种冷光阑效率近似100％的主动消热差成像光学系统，属于红外热成像领域。其工作波段为4.4-5.4μm/7.8-8.8μm，焦距为183mm/61mm，工作温度为-40℃～+60℃。宽窄视场光学系统F数相同(2.68)，共用同一双色红外焦平面探测器，具有近似100％的冷光阑效率。采用光学主动消热方式使MWIR与LWIR在工作范围内始终共焦成像，达到良好的消热差效果，保证环境适应性。其结构包括对焦镜组、固定镜组、宽视场变焦镜组、窄视场变焦镜组、双色红外探测器窗口玻璃、光阑和双色红外探测器。系统各光学表面均为球面，光学材料只有两种常用的红外材料：锗和硫化锌。

权利要求

1.双视场/双色红外主动消热差光学系统，工作波段为4.4-5.4um/7.8-8.8um，焦距为

183mm/61mm，工作温度为-40℃～+60℃。宽窄视场光学系统F数相同(2.68)，共用同一双色红外焦平面探测器，具有近似100％的冷光阑效率；采用光学主动消热方式使MWIR与LWIR在工作范围内始终共焦成像，达到良好的消热差效果，保证环境适应性。其结构包括对焦镜组、固定镜组、宽视场变焦镜组、窄视场变焦镜组、双色红外探测器窗口玻璃、光阑和双色红外探测器。系统各光学表面均为球面，光学材料只有两种常用的红外材料：锗和硫化锌。

2.根据权利要求1所述的双视场/双色红外主动消热差光学系统，其特征是：目标辐射源发出的红外光波被所述的对焦镜组接收，经过固定镜组到达宽视场变焦镜组或者窄视场变焦镜组，最后顺序通过双色红外探测器的窗口玻璃以及光阑，成像到双色红外探测器上，对双色红外探测器进行图像处理与识别即可辨别红外辐射目标。光学系统通过移动对焦镜组改变对焦镜组与固定镜组之间的距离，不仅可以实现有限距离到无穷远的调焦，而且可以达到消热差效果；通过两变焦镜组绕平行于光轴方向的某一固定轴旋转切换实现视场转换，达到目标搜索与目标跟踪模式的转换目的。光学系统为完全主动消热，可工作于复杂环境温度下，用于复杂背景识别。

说明书

双视场/双色红外主动消热差光学系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种双视场/双色红外主动消热差光学系统，属于红外热成像领域。

背景技术

[0002] 双视场光学系统具有大小不同的两个成像视场，有利于实现大视场的目标搜索与小视场的目标跟踪。双色红外光学系统能同时获取两个波段的目标信息，对复杂的背景进行抑制，可以提高对目标的探测能力，降低虚警率。双色共焦光学系统不需要波段切换装置，系统简单、结构紧凑、明显提高探测效率。红外消热差光学系统可以工作在复杂的工作环境中，满足军用需求。

[0003] 目前国内外采用的光学系统消热差方法大致分为四种，即机械被动式、电子主动式、光学主动式和光学被动式。机械被动消热差方式使整个光学系统体积变大，质量增加；电子主动消热差方式使光学系统可靠性下降，不利于弹载光学系统设计；光学被动消热差方式是指利用光学材料以及机械镜筒材料热特性之间的差异，通过不同特性材料之间的合理组合以消除温度的影响，从而获得消热效果。具有机构相对简单、尺寸小、质量轻、不需供电、系统可靠性好的优点，其综合效率最高；光学主动消热差方式与光学被动消热差方式比较稍显复杂，需要在环境变化时移动光学元件，但在复杂光学系统设计时也不失为一种简单、有效的消热差方法。

[0004] 双色红外光学系统本身由于存在较大的色差，实现两波段共焦具有一定技术难度，需要合理选择光学材料，但红外光学材料可同时应用于双波段成像的可选范围又很小；在保证两波段共焦的同时，在视场切换过程中要实现消热差效果又从另一个角度提升了技术难度。另外，光学系统需要考虑与红外制冷探测器的冷光阑匹配问题。种种难度导致国内现有光学系统大多停留于未消热的双视场双波段成像阶段。

[0005] 目前，国外报道的红外热成像光学系统中最先进的光学系统即法国的双视场双波段切换成像光学系统，该系统不具有双色共焦系统的探测率高的优势，且现有资料尚未提及本系统已进行消热差考虑。因此研制双视场/双色红外消热差光学系统具有无可比拟的发明和应用价值。

发明内容

[0006] 本发明的目的是提供一种双视场/双色红外主动消热差光学系统，具有上述双视场/双色红外消热差光学系统的优点。

[0007] 本发明所述的双视场/双色红外主动消热差光学系统，工作波段为4.4-5.4um/7.8-8.8um，焦距为183mm/61mm，工作温度为-40℃～+60℃。宽窄视场光学系统F数相同(2.68)，共用同一双色红外焦平面探测器，具有近似100％的冷光阑效率。采用光学主动消热方式使MWIR与LWIR在工作范围内始终共焦成像，达到良好的消热差效果，保证环境适应性。其结构包括对焦镜组、固定镜组、宽视场变焦镜组、窄视场变焦镜组、双色红外探测器窗口玻璃、光阑和双色红外探测器。系统各光学表面均为球面，光学材料只有两种常用的红外材料：锗和硫化锌。

[0008] 所述的双视场/双色红外主动消热差光学系统，采用一片球面镜(材料为锗)作为对焦镜组。

[0009] 所述的双视场/双色红外主动消热差光学系统，采用一片球面镜(材料为硫化锌)作为固定镜组。

[0010] 所述的对焦镜组和固定镜组为宽窄视场共用镜组结构，通过移动对焦镜组，改变对焦镜组与固定镜组之间的距离，不仅可以实现有限距离到无穷远的调焦，而且可以实现不同温度下的消热差。

[0011] 所述的双视场/双色红外主动消热差光学系统，采用两片球面镜(材料均为锗)作为宽视场的变焦镜组，采用一片球面镜(材料为硫化锌)作为窄视场的变焦镜组。通过两变焦镜组绕平行于光轴方向的某一固定轴旋转切换实现视场转换。

[0012] 所述的双视场/双色红外主动消热差光学系统的双色红外探测器采用制冷红外焦平面探测器，用于同时接收MWIR和LWIR的图像。

[0013] 所述的双视场/双色红外主动消热差光学系统，采用探测器的冷光阑作为孔径光阑，以满足近似百分之百的冷光阑效率，消除到达探测器的杂散光，提高探测率。

[0014] 本发明是双视场/双色红外主动消热差光学系统，具有以下有益效果：

[0015] 1、同一系统可实现目标搜索与目标跟踪两项功能，可以对有限远到无穷远距离清晰调焦成像。

[0016] 2、可对中波和长波红外同时共焦成像，提高对目标的探测能力，降低虚警率；

[0017] 3、系统实现两波段精确主动消热，具有较强的环境适应性。

[0018] 4、降低了加工难度和生产成本，具有结构简单、体积小、重量轻的优点。

附图说明

[0019] 图1为双视场/双色红外主动消热差光学系统工作在宽视场的结构示意图(也作为摘要附图)；

[0020] 图2为双视场/双色红外主动消热差光学系统工作在窄视场的结构示意图。

[0021] 图中：1、对焦镜组，2、固定镜组，3、宽视场变焦镜组，4、窄视场变焦镜组，5、双色红外探测器窗口玻璃，6、光阑，7、双色红外探测器。

具体实施方式

[0022] 如图1所示，目标辐射源发出的红外光波被所述的对焦镜组1接收，经过固定镜组2到达宽视场变焦镜组3或者窄视场变焦镜组4，最后顺序通过双色红外探测器的窗口玻璃
5以及光阑6，成像到双色红外探测器7上，对双色红外探测器进行图像处理与识别即可辨别红外辐射目标。光学系统通过移动对焦镜组改变对焦镜组与固定镜组之间的距离，可以实现有限距离到无穷远的调焦；通过两变焦镜组绕平行于光轴方向的某一固定轴旋转切换实现视场转换，达到目标搜索与目标跟踪模式的转换目的。光学系统为完全主动消热，可工作于复杂环境温度下，用于复杂背景识别。

[0023] 以下给出动态工作过程：

[0024] 其第一项功能，完成宽视场目标搜索：如图1所示，当红外波被所述对焦镜组1接收，经过固定镜组2到达宽视场变焦镜组3，最后顺序通过双色红外探测器的窗口玻璃5以及光阑6，成像到双色红外探测器7上，可实现对背景目标的搜索。

[0025] 其第二项功能，完成小视场目标跟踪：如图2所示，当将宽视场变焦镜组3切换为窄视场变焦镜组4时，系统步入小视场目标跟踪状态，可以实现对目标的实时跟踪工作。

[0026] 其第三项功能，复杂工作环境下正常工作：如第一项和第二项功能所述，所述的双视场/双色红外主动消热差光学系统在-40℃-60℃进行主动消热，可工作于该温度范围内的任意工作环境中。