本发明涉及一种搜跟一体红外变焦镜头及成像方法，以解决现有搜跟一体红外变焦镜头采用衍射光学元件校正色差，使得系统结构较为复杂，且会在像面产生衍射环，降低信噪比及成像对比度的问题。该镜头包括沿光路依次设置的前端望远镜组、摆扫反射镜、后端成像镜组，摆扫反射镜用于补偿像移和扩大视场角。前端望远镜组包括沿光路依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜及第四透镜，第一透镜为硅正透镜，第二透镜为锗负透镜，第三透镜为硅正透镜，第四透镜为锗负透镜；后端成像镜组包括沿光路依次设置的第五透镜、第六透镜、第七透镜及第八透镜，第五透镜为硫系正透镜，第六透镜为硅正透镜，第七透镜为锗负透镜，第八透镜为硅正透镜。
1.一种搜跟一体红外变焦镜头，包括沿光路依次设置的前端望远镜组、摆扫反射镜(5)、后端成像镜组；所述摆扫反射镜(5)用于补偿像移和扩大视场角；其特征在于：所述前端望远镜组包括沿光路依次设置的第一透镜(1)、第二透镜(2)、第三透镜(3)及第四透镜(4)；所述第一透镜(1)为硅正透镜；所述第二透镜(2)为锗负透镜；所述第三透镜(3)为硅正透镜；所述第四透镜(4)为锗负透镜；
所述后端成像镜组包括沿光路依次设置的第五透镜(6)、第六透镜(8)、第七透镜(9)及第八透镜(10)；所述第五透镜(6)为硫系正透镜；所述第六透镜(8)为硅正透镜；所述第七透镜(9)为锗负透镜；所述第八透镜(10)为硅正透镜；
所述第一透镜(1)的入射表面为球面，其曲率半径为101.29mm；所述第一透镜(1)的出射表面为球面，其曲率半径为176.29mm；所述第一透镜(1)的厚度为13mm；
所述第二透镜(2)的入射表面为球面，其曲率半径为‑347.47mm；所述第二透镜(2)的出射表面为非球面，其最佳拟合球面曲率半径为98.573mm；所述第二透镜(2)的厚度为7mm；
所述第三透镜(3)的入射表面为球面，其曲率半径为‑1408.86mm；所述第三透镜(3)的出射表面为球面，其曲率半径为‑143.07mm；所述第三透镜(3)的厚度为8mm；
所述第四透镜(4)的入射表面为球面，其曲率半径为‑148.09mm；所述第四透镜(4)的出射表面为球面，其曲率半径为‑256.52mm；所述第四透镜(4)的厚度为5mm；
所述第五透镜(6)的入射表面为非球面，其最佳拟合球面曲率半径为65.94mm；所述第五透镜(6)的出射表面为球面，其曲率半径为104.25mm；所述第五透镜(6)的厚度为7mm；
所述第六透镜(8)的入射表面为球面，其曲率半径为26.39mm；所述第六透镜(8)的出射表面为球面，其曲率半径为169.3mm；所述第六透镜(8)的厚度为5mm；
所述第七透镜(9)的入射表面为球面，其曲率半径为‑16.85mm；所述第七透镜(9)的出射表面为非球面，其最佳拟合球面曲率半径为‑29.10mm；所述第七透镜(9)的厚度为7mm；
所述第八透镜(10)的入射表面为球面，其曲率半径为‑23.08mm；所述第八透镜(10)的出射表面为球面，其曲率半径为‑19.90mm；所述第八透镜(10)的厚度为7mm。
2.根据权利要求1所述的搜跟一体红外变焦镜头，其特征在于：所述前端望远镜组为伽利略型望远系统。
3.根据权利要求1或2所述的搜跟一体红外变焦镜头，其特征在于：还包括设置在第五透镜(6)和第六透镜(8)之间的折转平面反射镜(7)。
4.根据权利要求3所述的搜跟一体红外变焦镜头，其特征在于：所述前端望远镜组、摆扫反射镜(5)及后端成像镜组构成U型或Z型结构。
5.根据权利要求4所述的搜跟一体红外变焦镜头，其特征在于：所述第一透镜(1)与第二透镜(2)的中心间隔为33.19mm～43.82mm；
所述第二透镜(2)与第三透镜(3)的中心间隔为4mm～71.19mm；
所述第三透镜(3)与第四透镜(4)的中心间隔为12.01mm～68.58mm；
所述第四透镜(4)与摆扫反射镜(5)的中心间隔为30.6mm；
所述摆扫反射镜(5)与第五透镜(6)的中心间隔为40mm；
所述第五透镜(6)与折转平面反射镜(7)的中心间隔为57.92mm；
所述折转平面反射镜(7)与第六透镜(8)的中心间隔为50mm；
所述第六透镜(8)与第七透镜(9)的中心间隔为4.64mm；
所述第七透镜(9)与第八透镜(10)的中心间隔为1.01mm；
所述第八透镜(10)与探测器窗口的中心间隔为6mm。
6.根据权利要求5所述的搜跟一体红外变焦镜头，其特征在于：所述前端望远镜组、摆扫反射镜(5)、后端成像镜组形成的总焦距范围为90mm～360mm。
7.根据权利要求6所述的搜跟一体红外变焦镜头，其特征在于：所述前端望远镜组的倍率为0.9～3.6倍连续可变；
8.一种搜跟一体红外变焦镜头成像方法，其特征在于，使用权利要求1所述的搜跟一体红外变焦镜头，包括以下步骤：
1)前端望远镜组进行连续变倍望远成像；所述前端望远镜组采用沿光路依次设置的硅正透镜、锗负透镜、硅正透镜、锗负透镜组合形成平行光路；
2)摆扫反射镜对前端望远镜组的出射光进行像方摆扫，用于补偿像移和扩大视场角；
4)聚焦后的光依次经过硅正透镜、锗负透镜、硅正透镜实现转像，最终成像在红外制冷探测器上。
9.根据权利要求8所述的搜跟一体红外变焦镜头成像方法，其特征在于：步骤3)之后，步骤4)之前还包括折转平面反射镜对聚焦后的光进行折转方向的步骤。
10.根据权利要求8或9所述的搜跟一体红外变焦镜头成像方法，其特征在于，步骤2)中所述补偿像移的具体方式为：
所述搜跟一体红外变焦镜头在扫描过程中进行转动，通过转动速度计算曝光时间内的像移量，根据像移量的关系分解摆扫反射镜方位轴和俯仰轴的旋转角，再控制摆扫反射镜向相反方向进行摆扫，对像移进行补偿。
搜跟一体红外变焦镜头及成像方法
技术领域
[0001] 本发明涉及红外光学系统领域，具体涉及一种搜跟一体红外变焦镜头及成像方法。
背景技术
[0002] 目前，搜跟一体红外变焦镜头对运动目标进行搜索跟踪过程中，为了补偿运动像移，通常会在系统的前端望远部分构成平行光路，在平行光路后端加入一维或二维摆扫镜，
摆扫镜进行摆扫用以补偿运动像移，达到清晰成像的目的。构成前端望远部分的光路主要
有两种，一种为有中间像面的开普勒型，一种为没有中间像面的伽利略型，在设计过程中，
为了校正系统色差，设计人员大多会使用衍射光学元件，使得系统结构较为复杂，且衍射光
学元件由于自身特性，当环带数量较多时，会在像面产生衍射环，降低信噪比及成像对比
度。
发明内容
[0003] 本发明的目的是解决现有搜跟一体红外变焦镜头采用衍射光学元件校正色差，使得系统结构较为复杂，且会在像面产生衍射环，降低信噪比及成像对比度的问题，而提供一
种搜跟一体红外变焦镜头及成像方法。
[0004] 为达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
[0005] 一种搜跟一体红外变焦镜头，包括沿光路依次设置的前端望远镜组、摆扫反射镜、后端成像镜组；所述摆扫反射镜用于补偿像移和扩大视场角；其特殊之处在于：
[0006] 所述前端望远镜组包括沿光路依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜及第四透镜；所述第一透镜为硅正透镜；所述第二透镜为锗负透镜；所述第三透镜为硅正透镜；所
述第四透镜为锗负透镜；
[0007] 所述后端成像镜组包括沿光路依次设置的第五透镜、第六透镜、第七透镜及第八透镜；所述第五透镜为硫系正透镜；所述第六透镜为硅正透镜；所述第七透镜为锗负透镜；
所述第八透镜为硅正透镜。
[0008] 进一步地，所述前端望远镜组为伽利略型望远系统。
[0009] 进一步地，还包括设置在第五透镜和第六透镜之间的折转平面反射镜。
[0010] 进一步地，所述前端望远镜组、摆扫反射镜及后端成像镜组构成U型或Z型结构。
[0011] 进一步地，所述第一透镜的入射表面为球面，其曲率半径为101.29mm；所述第一透镜的出射表面为球面，其曲率半径为176.29mm；所述第一透镜的厚度为13mm；
[0012] 所述第二透镜的入射表面为球面，其曲率半径为‑347.47mm；所述第二透镜的出射表面为非球面，其最佳拟合球面曲率半径为98.573mm；所述第二透镜的厚度为7mm；
[0013] 所述第三透镜的入射表面为球面，其曲率半径为‑1408.86mm；所述第三透镜的出射表面为球面，其曲率半径为‑143.07mm；所述第三透镜的厚度为8mm；
[0014] 所述第四透镜的入射表面为球面，其曲率半径为‑148.09mm；所述第四透镜的出射表面为球面，其曲率半径为‑256.52mm；所述第四透镜的厚度为5mm；
[0015] 所述第五透镜的入射表面为非球面，其最佳拟合球面曲率半径为65.94mm；所述第五透镜的出射表面为球面，其曲率半径为104.25mm；所述第五透镜的厚度为7mm；
[0016] 所述第六透镜的入射表面为球面，其曲率半径为26.39mm；所述第六透镜的出射表面为球面，其曲率半径为169.3mm；所述第六透镜的厚度为5mm；
[0017] 所述第七透镜的入射表面为球面，其曲率半径为‑16.85mm；所述第七透镜的出射表面为非球面，其最佳拟合球面曲率半径为‑29.10mm；所述第七透镜的厚度为7mm；
[0018] 所述第八透镜的入射表面为球面，其曲率半径为‑23.08mm；所述第八透镜的出射表面为球面，其曲率半径为‑19.90mm；所述第八透镜的厚度为7mm；
[0019] 所述第一透镜与第二透镜的中心间隔为33.19mm 43.82mm；~
[0020] 所述第二透镜与第三透镜的中心间隔为4mm 71.19mm；~
[0021] 所述第三透镜与第四透镜的中心间隔为12.01mm 68.58mm；~
[0022] 所述第四透镜与摆扫反射镜的中心间隔为30.6mm；
[0023] 所述摆扫反射镜与第五透镜的中心间隔为40mm；
[0024] 所述第五透镜与折转平面反射镜的中心间隔为57.92mm；
[0025] 所述折转平面反射镜与第六透镜的中心间隔为50mm；
[0026] 所述第六透镜与第七透镜的中心间隔为4.64mm；
[0027] 所述第七透镜与第八透镜的中心间隔为1.01mm；
[0028] 所述第八透镜与探测器窗口的中心间隔为6mm。
[0029] 进一步地，所述前端望远镜组、摆扫反射镜、后端成像镜组形成的总焦距范围为90mm 360mm。
~
[0030] 进一步地，所述前端望远镜组的倍率为0.9 3.6倍连续可变；~
[0031] 所述后端成像镜组的焦距为100mm。
[0032] 一种搜跟一体红外变焦镜头成像方法，其特殊之处在于，使用上述搜跟一体红外变焦镜头，包括以下步骤：
[0033] 1）前端望远镜组进行连续变倍望远成像；所述前端望远镜组采用沿光路依次设置的硅正透镜、锗负透镜、硅正透镜、锗负透镜组合形成平行光路；
[0034] 2）摆扫反射镜对前端望远镜组的出射光进行像方摆扫，用于补偿像移和扩大视场角；
[0035] 3）摆扫反射镜的出射光经过硫系正透镜进行聚焦；
[0036] 4）聚焦后的光依次经过硅正透镜、锗负透镜、硅正透镜实现转像，最终成像在红外制冷探测器上。
[0037] 进一步地，步骤3）之后，步骤4）之前还包括折转平面反射镜对聚焦后的光进行折转方向的步骤。
[0038] 进一步地，步骤2）中所述补偿像移的具体方式为：
[0039] 所述搜跟一体红外变焦镜头在扫描过程中进行转动，通过转动速度计算曝光时间内的像移量，根据像移量的关系分解摆扫反射镜方位轴和俯仰轴的旋转角，再控制摆扫反
射镜向相反方向进行摆扫，对像移进行补偿。
[0040] 本发明相比现有技术的有益效果是：
[0041] 1、本发明提供的搜跟一体红外变焦镜头，通过硅正透镜、锗负透镜、硅正透镜、锗负透镜的四片透镜组合实现前端望远镜组的色差校正；镜头整体采用二次成像方式，实现
100%的冷光阑效率；该镜头没有衍射光学元件，避免了衍射面带来的成像衍射环影响，提高
了信噪比及成像对比度；镜头整体结构紧凑，形式简单，成本较低。
[0042] 2、前端望远镜组采用伽利略型望远系统，没有中间像面，使镜头结构更加紧凑。
[0043] 3、镜头采用U型或Z型结构，可有效减小镜头尺寸，尤其是U型结构的镜头，镜头整体包络尺寸较小。
[0044] 4、本发明提供的搜跟一体红外变焦镜头成像方法给出了摆扫反射镜的控制算法，根据目标和系统相对运动的情况以及系统本身的参数，对摆扫反射镜进行控制，以消除运
动像移和扩展视场角度。
附图说明
[0045] 图1是本发明搜跟一体红外变焦镜头一个实施例的结构示意图；
[0046] 图1中，1‑第一透镜，2‑第二透镜，3‑第三透镜，4‑第四透镜，5‑摆扫反射镜，6‑第五透镜，7‑折转平面反射镜，8‑第六透镜，9‑第七透镜，10‑第八透镜；
[0047] 图2是本发明实施例的短焦位置MTF曲线图；
[0048] 图3是本发明实施例的长焦位置MTF曲线图；
[0049] 图4是本发明中摆扫反射镜的侧视摆扫示意图；
[0050] 图5是本发明中摆扫反射镜的正视摆扫示意图；
[0051] 图6是本发明中摆扫反射镜绕方位轴旋转时，出射光矢量 与原出射光矢量 的夹角 计算式的小角度近似条件示意图。
具体实施方式
[0052] 为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的搜跟一体红外变焦镜头及成像方法作进一步详细说明。
[0053] 如图1所示，本发明提供的搜跟一体红外变焦镜头包括沿光路依次设置的前端望远镜组、摆扫反射镜5、后端成像镜组。
[0054] 前端望远镜组为伽利略型望远系统，包括沿光路依次设置的第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3及第四透镜4。第一透镜1为硅正透镜，第二透镜2为锗负透镜，第三透镜3为硅
正透镜，第四透镜4为锗负透镜。
[0055] 摆扫反射镜5用于补偿像移和扩大视场角。
[0056] 后端成像镜组包括沿光路依次设置的第五透镜6、折转平面反射镜7、第六透镜8、第七透镜9及第八透镜10。第五透镜6为硫系正透镜，第六透镜8为硅正透镜，第七透镜9为锗
负透镜，第八透镜10为硅正透镜。
[0057] 该光学系统的具体结构参数如下表所示：
[0058]
[0059] 需要说明的是，每个透镜对应面型的两格中，上格为入射表面面型，下格为出射表面面型。每个透镜对应曲率半径的两格中，上格为入射表面曲率半径，下格为出射表面曲率
半径。即第一透镜1的入射表面为球面，其曲率半径为101.29mm；第一透镜1的出射表面为球
面，其曲率半径为176.29mm；第二透镜2的入射表面为球面，其曲率半径为‑347.47mm；第二
透镜2的出射表面为非球面，其最佳拟合球面曲率半径为98.573mm；第三透镜3的入射表面
为球面，其曲率半径为‑1408.86mm；第三透镜3的出射表面为球面，其曲率半径为‑
143.07mm；第四透镜4的入射表面为球面，其曲率半径为‑148.09mm；第四透镜4的出射表面
为球面，其曲率半径为‑256.52mm；第五透镜6的入射表面为非球面，其最佳拟合球面曲率半
径为65.94mm；第五透镜6的出射表面为球面，其曲率半径为104.25mm；第六透镜8的入射表
面为球面，其曲率半径为26.39mm；第六透镜8的出射表面为球面，其曲率半径为169.3mm；第
七透镜9的入射表面为球面，其曲率半径为‑16.85mm；第七透镜9的出射表面为非球面，其最
佳拟合球面曲率半径为‑29.10mm；第八透镜10的入射表面为球面，其曲率半径为‑23.08mm；
第八透镜10的出射表面为球面，其曲率半径为‑19.90mm。
[0060] 此外，每个透镜对应厚度/中心间隔的一格表示该透镜的厚度以及该透镜与后方相邻透镜、反射镜或探测器窗口的中心间隔距离。每个反射镜对应厚度/中心间隔的一格仅
表示该反射镜与后方相邻透镜的中心间隔距离。即第一透镜1的厚度为13mm，第一透镜1与
第二透镜2的中心间隔为33.19mm 43.82mm；第二透镜2的厚度为7mm，第二透镜2与第三透镜
~
3的中心间隔为4mm 71.19mm；第三透镜3的厚度为8mm，第三透镜3与第四透镜4的中心间隔
~
为12.01mm 68.58mm；第四透镜4的厚度为5mm，第四透镜4与摆扫反射镜5的中心间隔为
~
30.6mm；摆扫反射镜5与第五透镜6的中心间隔为40mm；第五透镜6的厚度为7mm，第五透镜6
与折转平面反射镜7的中心间隔为57.92mm；折转平面反射镜7与第六透镜8的中心间隔为
50mm；第六透镜8的厚度为5mm，第六透镜8与第七透镜9的中心间隔为4.64mm；第七透镜9的
厚度为7mm，第七透镜9与第八透镜10的中心间隔为1.01mm；第八透镜10的厚度为7mm，第八
透镜10与探测器窗口的中心间隔为6mm。
[0061] 本实施例中，前端望远镜组、摆扫反射镜5及后端成像镜组构成U型结构，整体包络尺寸较小。前端望远镜组的倍率为0.9 3.6倍连续可变，后端成像镜组的焦距为100mm。
~
[0062] 技术参数：
[0063] 工作波段：3μm 5μm；~
[0064] 总焦距范围：90mm 360mm；~
[0065] 探测器分辨率：640×512，像元尺寸：15μm；
[0066] 视场角要求：6.2°×5°、1.6°×1.2°；
[0067] 扩展扫描视场：短焦水平方向不小于±1.61°，长焦水平方向不小于±0.42°（“±”表示在水平方向上，以光轴为中心，向左扫描角度为﹢，向右扫描角度为﹣）。
[0068] 图2为该镜头的短焦位置（总焦距f=90mm）MTF曲线图，图3为该镜头的长焦位置（总焦距f=360mm）MTF曲线图，可以看出，在截止频率处，MTF均保持较高水平，且各视场MTF一致
性较好。
[0069] 使用上述搜跟一体红外变焦镜头的成像方法，包括以下步骤：
[0070] 1）前端望远镜组进行连续变倍望远成像，所述前端望远镜组采用沿光路依次设置的硅正透镜、锗负透镜、硅正透镜、锗负透镜组合形成平行光路。由于锗材料在中波波段色
散系数较大，适合做负透镜，硅在中波波段色散系数较小，适合做正透镜，所以采用硅、锗、
硅、锗构成的透镜组合形成平行光路可以消除色差，同时伽利略型的平行光路没有中间像
面，大幅减小了系统的尺寸。
[0071] 2）摆扫反射镜对前端望远镜组的出射光进行像方摆扫，以实现补偿像移和扩大视场角。
[0072] 摆扫反射镜的摆扫动作如图4、图5所示，摆扫反射镜的俯仰轴为椭圆短边，方位轴为椭圆长边，O‑XYZ为探测器焦平面，摆扫反射镜和光轴成45°放置，不进行旋转时，摆扫反
射镜表面法线 ，入射光矢量为 ，出射光矢量为 。
[0073] 摆扫反射镜在方位方向旋转角为 ，在俯仰方向旋转角为 时，根据马吕斯‑斯涅日定律，即可计算出摆扫反射镜绕方位轴和俯仰轴旋转后，出射光矢量 与原出射光矢量
的夹角。
[0074] a）绕俯仰轴旋转
[0075] 摆扫反射镜绕俯仰轴旋转时，在俯仰方向旋转角为 ，出射光矢量为：
[0076]
[0077] 此时出射光矢量 与原出射光矢量 的夹角 为：
[0078]
[0079] 当摆扫反射镜仅绕俯仰轴旋转 时，光轴旋转 。
[0080] b）绕方位轴旋转
[0081] 摆扫反射镜绕方位轴旋转时，在方位方向旋转角为 ，出射光矢量为：
[0082]
[0083] 此时出射光矢量 与原出射光矢量 的夹角 为：
[0084]
[0085] 在小角度近似时， 。
[0086] 图6给出了上式的近似条件，图中横坐标为角度值 ，纵坐标为 的残差值，从图中可以看出，当 为1mrad时， 为0.1mrad，约为0.00567°，后组焦距为100mm，所
以，换算到像面上的移动量为：
[0087]
[0088] 残差已经小于1个像素尺寸，摆扫反射镜的控制精度远高于1mrad，所以对于类似系统，只要满足以下条件，近似精度即可满足要求。
[0089]
[0090] 式中，为像移补偿的残差量；
[0091] 为后端成像镜组的焦距。
[0092] c）绕方位轴和俯仰轴同时旋转
[0093] 摆扫反射镜同时绕方位轴、俯仰轴旋转时，在方位方向旋转角为 ，在俯仰方向旋转角为 ，出射光矢量为：
[0094]
[0095] 此时出射光矢量 与原出射光矢量 的夹角 为：
[0096]
[0097] 当搜跟一体红外变焦镜头在扫描过程中进行转动时，通过转动速度计算曝光时间内的像移量，根据像移量的关系分解摆扫反射镜方位轴和俯仰轴的旋转角，再控制摆扫反
射镜向相反方向进行摆扫，即可对像移进行补偿。
[0098] 通过摆扫反射镜的摆扫动作，增加前端望远镜组的成像视场角，从而在不增加探测器尺寸的前提下有效扩大视场角，视场扩展率可达25%以上；在扫描过程中，由于目标和
成像系统有相对位移，目标在焦平面上成的像会有像移，通过摆扫反射镜在成像过程中向
相反方向运动，可以抵消像移，获得更好的成像质量。
[0099] 3）摆扫反射镜的出射光经过硫系正透镜进行聚焦。
[0100] 4）折转平面反射镜对聚焦后的光进行折转方向。
[0101] 5）聚焦后的光依次经过硅正透镜、锗负透镜、硅正透镜实现转像，最终成像在红外制冷探测器上。
