紅外寬波段目標(biāo)仿真光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】紅外寬波段目標(biāo)仿真光學(xué)系統(tǒng)，涉及一種適用于測(cè)試紅外短波和中波成像系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)目標(biāo)識(shí)別與跟蹤能力的紅外目標(biāo)仿真光學(xué)系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括紅外景象生成器(100)、目標(biāo)光學(xué)系統(tǒng)(200)、耦合鏡(300)以及主投影光學(xué)系統(tǒng)(400)四部分，紅外景象生成器(100)發(fā)出的紅外輻射經(jīng)目標(biāo)光學(xué)系統(tǒng)(200)準(zhǔn)直后進(jìn)入耦合鏡(300)，再經(jīng)主投影光學(xué)系統(tǒng)(400)擴(kuò)束后成像到無(wú)限遠(yuǎn)，與被測(cè)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行匹配。本發(fā)明紅外仿真光學(xué)系統(tǒng)的工作波段為2.2~4.8μm，視場(chǎng)為±4°及出瞳距為200mm計(jì)，調(diào)制傳遞函數(shù)在20lp/mm時(shí)大于0.6，接近衍射極限，可作為測(cè)試紅外光學(xué)系統(tǒng)的目標(biāo)模擬器而廣泛應(yīng)用。
【專利說(shuō)明】紅外寬波段目標(biāo)仿真光學(xué)系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于紅外【技術(shù)領(lǐng)域】和仿真【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種紅外寬波段目標(biāo)仿真光學(xué)系統(tǒng)，尤其涉及一種適用于測(cè)試紅外短波和中波成像系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)目標(biāo)識(shí)別與跟蹤能力的紅外目標(biāo)仿真光學(xué)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著紅外成像技術(shù)的發(fā)展，紅外成像系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于光學(xué)遙感、夜間導(dǎo)航、目標(biāo)探測(cè)以及火控、制導(dǎo)等民用和軍事領(lǐng)域。現(xiàn)代紅外成像系統(tǒng)的重要特點(diǎn)是越來(lái)越復(fù)雜、精密，成本也越來(lái)越高，這使得對(duì)其進(jìn)行的戰(zhàn)場(chǎng)方案驗(yàn)證和飛行試驗(yàn)不但成本越來(lái)越昂貴，而且在最佳條件下每次試驗(yàn)獲取的有用信息也非常有限。
[0003]紅外半實(shí)物仿真技術(shù)能有效用于紅外成像系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)，此外它還能大量減少外場(chǎng)飛行試驗(yàn)，節(jié)省經(jīng)費(fèi)開支和縮短武器研制周期。因此，半實(shí)物仿真技術(shù)在紅外成像系統(tǒng)的研制過(guò)程中具有重要意義。作為紅外半實(shí)物仿真技術(shù)的核心，利用紅外目標(biāo)仿真光學(xué)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)場(chǎng)景進(jìn)行模擬來(lái)測(cè)試紅外成像系統(tǒng)，是世界各相關(guān)機(jī)構(gòu)的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容之一。
[0004]目前，由于各種紅外隱身、干擾技術(shù)的出現(xiàn)，紅外成像系統(tǒng)正逐漸從單一波段向雙波段、寬波段探測(cè)快速發(fā)展。世界各國(guó)已研制出多種雙色紅外成像系統(tǒng)。與此同時(shí)，針對(duì)紅外多色成像系統(tǒng)性能測(cè)試的多色目標(biāo)仿真光學(xué)系統(tǒng)也成為世界各仿真中心的重點(diǎn)研究項(xiàng)目。
[0005]對(duì)于寬波段目標(biāo)仿真光學(xué)系統(tǒng)，影響其成像質(zhì)量的首要挑戰(zhàn)在于將不同波段的光譜信息成像于同一焦平面上，而由于色差的原因這點(diǎn)很難做到，另外一個(gè)重要挑戰(zhàn)在于能傳輸寬波段信息的紅外材料非常有限，而且某些材料價(jià)格極其昂貴。這些都制約著紅外寬波段目標(biāo)仿真光學(xué)系統(tǒng)的發(fā)展。目前設(shè)計(jì)此類光學(xué)系統(tǒng)的通用方法是選用至少三種不同的紅外材料相配合，同時(shí)在某些透鏡表面上使用非球面來(lái)保證成像質(zhì)量。綜合考慮材料的昂貴性以及非球面加工的難度，這使得研制成本大大增加。因此目前迫切需要一種在保證成像質(zhì)量的基礎(chǔ)上，滿足價(jià)格低廉、易于加工裝調(diào)要求的紅外寬波段目標(biāo)仿真光學(xué)系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了解決目前紅外寬波段目標(biāo)仿真光學(xué)系統(tǒng)價(jià)格昂貴，難于加工裝調(diào)的缺點(diǎn)，本發(fā)明提出一種成像波段為2.2?4.8Mffl、視場(chǎng)為±4°及出瞳距為200mm的紅外仿真光學(xué)系統(tǒng)，用于測(cè)試紅外成像系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)目標(biāo)識(shí)別與跟蹤能力，該系統(tǒng)的顯著優(yōu)點(diǎn)在于:性價(jià)比很聞，且易于加工裝調(diào)。
[0007]本發(fā)明的紅外寬波段目標(biāo)仿真光學(xué)系統(tǒng)包括紅外景象生成器、目標(biāo)光學(xué)系統(tǒng)、耦合鏡以及主投影光學(xué)系統(tǒng)四部分。規(guī)定沿光路方向從左至右為正方向。紅外景象生成器發(fā)出的紅外輻射經(jīng)目標(biāo)光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直后進(jìn)入耦合鏡，再經(jīng)主投影光學(xué)系統(tǒng)擴(kuò)束后成像到無(wú)限遠(yuǎn)，與被測(cè)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行匹配，所述目標(biāo)光學(xué)系統(tǒng)沿光路方向依次由平行平板、第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡和第四透鏡組成，主投影光學(xué)系統(tǒng)沿光路方向依次由第一物鏡、第二物鏡、場(chǎng)鏡、第一目鏡和第二目鏡組成。系統(tǒng)在主投影光學(xué)系統(tǒng)中引入的場(chǎng)鏡，一方面起到了銜接前后光瞳的作用，另一方面也減小了后方鏡組的橫向尺寸，使系統(tǒng)變得緊湊。同時(shí)系統(tǒng)在平行光路中利用45°放置的平面耦合鏡的方法，方便后續(xù)工作中引入干擾系統(tǒng)。
[0008]本發(fā)明的紅外寬波段目標(biāo)仿真光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，首先根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)選取已有相似專利，之后根據(jù)系統(tǒng)波長(zhǎng)、視場(chǎng)、焦距等參數(shù)要求，依據(jù)像差理論，通過(guò)添去透鏡，改變透鏡位置等對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，最后得到本發(fā)明的紅外寬波段目標(biāo)仿真光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)過(guò)程中，該系統(tǒng)采用逆向光路追跡，以實(shí)現(xiàn)主投影光學(xué)系統(tǒng)出瞳與被檢測(cè)系統(tǒng)入瞳的匹配。
[0009]紅外寬波段目標(biāo)仿真光學(xué)系統(tǒng)為透射式無(wú)焦系統(tǒng)，系統(tǒng)放大倍率為2，這使得耦合鏡所在光路光束尺寸減小一半，從而大大減小了耦合鏡的尺寸，并且不產(chǎn)生非對(duì)稱性像差，便于像差校正。目標(biāo)光學(xué)系統(tǒng)和主投影光學(xué)系統(tǒng)分別設(shè)計(jì)并優(yōu)化，最后再對(duì)整個(gè)目標(biāo)仿真光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。
[0010]系統(tǒng)出瞳位于系統(tǒng)的主投影光學(xué)系統(tǒng)后200mm處，能夠與被檢測(cè)紅外成像光系統(tǒng)的入瞳完全匹配，可以實(shí)現(xiàn)不受系統(tǒng)外雜散光的干擾，紅外景象生成器發(fā)出的紅外輻射經(jīng)目標(biāo)光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直后經(jīng)過(guò)主投影光學(xué)系統(tǒng)投射到無(wú)限遠(yuǎn)，最終為中、短波紅外成像系統(tǒng)所探測(cè)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)此類系統(tǒng)目標(biāo)識(shí)別與跟蹤功能的檢驗(yàn)。
[0011]本發(fā)明在僅用兩種紅外材料且透鏡表面全為標(biāo)準(zhǔn)球面的限制條件下，在考慮能量透過(guò)率、加工裝調(diào)可行的基礎(chǔ)上，完成了一種工作波段為2.2?4.8Mffl，視場(chǎng)為±4°及出瞳距為200mm的紅外仿真光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，調(diào)制傳遞函數(shù)在201p/mm時(shí)大于0.6，接近衍射極限。系統(tǒng)可作為測(cè)試紅外光學(xué)系統(tǒng)的目標(biāo)模擬器而廣泛應(yīng)用，優(yōu)點(diǎn)在于價(jià)格低廉、工程可實(shí)現(xiàn)性很強(qiáng)。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
1、該系統(tǒng)的出瞳在整個(gè)系統(tǒng)外200_外，可以滿足系統(tǒng)的出瞳和被測(cè)紅外成像系統(tǒng)的光學(xué)入瞳相匹配，檢測(cè)過(guò)程不受外雜散光的干擾。
[0012]2、放大倍率為2的主投影系統(tǒng)的運(yùn)用，使得耦合鏡所在光路減小一般，大大降低了目標(biāo)光路以及后續(xù)工作中干擾光路的像差控制難度，便于系統(tǒng)的優(yōu)化。
[0013]3、該系統(tǒng)的透鏡材料僅限于Si和Ge兩種晶體。在滿足較高成像質(zhì)量的基礎(chǔ)上，顯著降低了系統(tǒng)制造成本。
[0014]4、除去平行平板外，該系統(tǒng)的所有透鏡表面均采用標(biāo)準(zhǔn)球面，使得系統(tǒng)加工、裝調(diào)變得容易，進(jìn)而減小了系統(tǒng)成本。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1為本發(fā)明的紅外寬波段目標(biāo)仿真光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2本發(fā)明的紅外寬波段目標(biāo)仿真光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說(shuō)明，但并不局限如此，凡是對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍中。
[0017]如圖1所示，本實(shí)施方式所述紅外寬波段目標(biāo)仿真光學(xué)系統(tǒng)，包括紅外景象生成器100、目標(biāo)光學(xué)系統(tǒng)200、耦合鏡300、主投影光學(xué)系統(tǒng)400和光學(xué)入瞳500。紅外景象生成器100發(fā)出的紅外輻射經(jīng)目標(biāo)光學(xué)系統(tǒng)200準(zhǔn)直后進(jìn)入耦合鏡300，再經(jīng)主投影光學(xué)系統(tǒng)400擴(kuò)束后成像到無(wú)限遠(yuǎn)，與光學(xué)入瞳500進(jìn)行匹配。
[0018]目標(biāo)光學(xué)系統(tǒng)200包括一片平行平板250和第四透鏡210、第三透鏡220、第二透鏡230和第一透鏡240四片透鏡。第三透鏡220和平板250采用Ge晶體。其余三片透鏡采用Si晶體。平行平板250為用于保護(hù)紅外景象生成器100的紅外玻璃窗口。
[0019]主投影光學(xué)系統(tǒng)400包括兩片目鏡(第二目鏡410和第一目鏡420)、兩片物鏡(第二物鏡440和第一物鏡450)以及一片場(chǎng)鏡430，場(chǎng)鏡430位于目鏡和物鏡之間的中間像面附近。第二目鏡410和第一物鏡450采用Si晶體。第一目鏡420、場(chǎng)鏡430和第二物鏡440米用Ge晶體。
[0020]首先對(duì)目標(biāo)光學(xué)系統(tǒng)200單獨(dú)設(shè)計(jì)優(yōu)化，僅用Si和Ge兩種材料，采用四片透鏡相配合，從第四透鏡210到第一透鏡240，透鏡光焦度分別為負(fù)、正、負(fù)、負(fù)，其最終焦距為80mmo
[0021]再對(duì)主投影光學(xué)系統(tǒng)400單獨(dú)設(shè)計(jì)優(yōu)化，同樣僅采用Si和Ge兩種材料，采用兩片目鏡，兩片物鏡和一片場(chǎng)鏡相配合，從第二目鏡410、第一目鏡420)、場(chǎng)鏡430、第二物鏡440到第一物鏡450，透鏡光焦度分別為負(fù)、正、正、正、負(fù)。主投影光學(xué)系統(tǒng)最終放大倍率為2。
[0022]最后對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，最終調(diào)至傳遞函數(shù)在201p/mm時(shí)大于0.6，接近衍射極限，如圖2所示。
[0023]系統(tǒng)技 術(shù)指標(biāo)如下:
入瞳直徑:70mm ；
出瞳距:200mm ；
焦距:160mm ；
視場(chǎng):4.0° X4.0° ；
工作波段:2.2^4.8Mm。
[0024]本實(shí)施方式中，紅外景象生成器100為圖像電阻陣，其位于目標(biāo)光學(xué)系統(tǒng)200的焦平面上。
[0025]本實(shí)施方式中，紅外寬波段目標(biāo)仿真光學(xué)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)2.2^4.8Mm的紅外寬波段穩(wěn)定成像。
[0026]本實(shí)施方式中，除去第二目鏡410的前表面、耦合鏡300的兩個(gè)表面、透鏡250的兩個(gè)表面為平面外，其它透鏡表面均為標(biāo)準(zhǔn)球面。
[0027]本實(shí)施方式中，主投影光學(xué)系統(tǒng)為透射式無(wú)焦系統(tǒng)，放大倍率約為2。
[0028]光學(xué)系統(tǒng)的具體光學(xué)參數(shù)如表1所示(系統(tǒng)采用反向光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì))。
[0029]表1
【權(quán)利要求】
1.紅外寬波段目標(biāo)仿真光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述紅外仿真光學(xué)系統(tǒng)包括紅外景象生成器(100)、目標(biāo)光學(xué)系統(tǒng)(200)、耦合鏡(300)以及主投影光學(xué)系統(tǒng)(400)四部分，紅外景象生成器(100)發(fā)出的紅外輻射經(jīng)目標(biāo)光學(xué)系統(tǒng)(200)準(zhǔn)直后進(jìn)入耦合鏡(300)，再經(jīng)主投影光學(xué)系統(tǒng)(400)擴(kuò)束后成像到無(wú)限遠(yuǎn)，與被測(cè)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行匹配。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外寬波段目標(biāo)仿真光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述紅外景象生成器(100)為圖像電阻陣，其位于目標(biāo)光學(xué)系統(tǒng)(200)的焦平面上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外寬波段目標(biāo)仿真光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述目標(biāo)光學(xué)系統(tǒng)(200)沿光路方向依次由平行平板(250)、第一透鏡(240)、第二透鏡(230)、第三透鏡(220)和第四透鏡(210)組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的紅外寬波段目標(biāo)仿真光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述第三透鏡(220)和平行平板(250)采用Ge晶體，第四透鏡(210)、第二透鏡(230)和第一透鏡(240)米用Si晶體。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的紅外寬波段目標(biāo)仿真光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于從第四透鏡(210)、第三透鏡(220)、第二透鏡(230)到第一透鏡(240)，透鏡光焦度分別為負(fù)、正、負(fù)、負(fù)，其最終焦距為80mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外寬波段目標(biāo)仿真光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述主投影光學(xué)系統(tǒng)(400)沿光路方向依次由第一物鏡(450)、第二物鏡(440)、場(chǎng)鏡(430)、第一目鏡(420)和第二目鏡(410)組成。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的紅外寬波段目標(biāo)仿真光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述第二目鏡(410)和第一物鏡(450)采用Si晶體，第一目鏡(420)、場(chǎng)鏡(430)和第二物鏡(440)采用Ge晶體。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的紅外寬波段目標(biāo)仿真光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于從第二目鏡(410)、第一目鏡(420)、場(chǎng)鏡(430)、第二物鏡(440)到第一物鏡(450)，透鏡光焦度分別為、IH、IH、IH、。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的紅外寬波段目標(biāo)仿真光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述主投影光學(xué)系統(tǒng)(400)為透射式無(wú)焦系統(tǒng)，放大倍率為2。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外寬波段目標(biāo)仿真光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述紅外仿真光學(xué)系統(tǒng)的工作波段為2.2^4.視場(chǎng)為±4°及出瞳距為200mm。
【文檔編號(hào)】G02B27/00GK103529550SQ201310519728
【公開日】2014年1月22日 申請(qǐng)日期:2013年10月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月29日
【發(fā)明者】張樹青, 王敬洋, 王治樂(lè), 譚雙龍 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)