用于高空中工作的機載吊艙光學系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于高空中工作的機載吊艙光學系統(tǒng)，其特征在于所述光學系統(tǒng)由可見光路和中波紅外光路共用的反射系統(tǒng)(100)，反射可見光、透射中波紅外的分光系統(tǒng)(200)、可見光路補償透鏡組(300)以及紅外光路補償透鏡組和中繼透鏡組(400)四部分組成。本發(fā)明特點在于:可以實現(xiàn)遠距離，高分辨率以及全天候成像。系統(tǒng)包括可見、紅外兩個波段，可分別工作于白天和夜間。采用可見、紅外光路共用反射系統(tǒng)(100)，分光系統(tǒng)(200)靠近主鏡以及加入折疊反射鏡的結(jié)構(gòu)設計，可以達到結(jié)構(gòu)緊湊，縮小體積的目的，并且滿足航空相機對成像質(zhì)量以及視場的要求。
【專利說明】用于高空中工作的機載吊艙光學系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光學【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種可見、紅外雙波段成像光學系統(tǒng)，尤其涉及一種適用于高空中工作的機載吊艙成像光學系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]制空權(quán)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中起到了越來越重要的作用，機載吊艙以其靈活快捷的優(yōu)點在航空領(lǐng)域倍受關(guān)注。通過調(diào)研國內(nèi)外機載吊艙研究現(xiàn)狀，可以看出航空機載吊艙的發(fā)展勢頭強勁，不斷追求高分辨、寬覆蓋、遠距離以及全天候成像。同時，體積和重量的減小意味著飛行速度和距離的增加，因此在滿足成像質(zhì)量的前提下，體積小、結(jié)構(gòu)緊湊的光學系統(tǒng)也成為研究的熱點。
[0003]目前，我國自行研制的機載吊艙分辨率一般較低、飛行高度多為低空或中高空。若要實現(xiàn)在高空中工作，分辨率高的機載吊艙光機系統(tǒng)對光學系統(tǒng)也將提出較高要求，則系統(tǒng)必為較長焦距，較大口徑，同時，為了實現(xiàn)全天候成像的目的，應包括可見、紅外兩個光路系統(tǒng)，分別工作于白天和夜晚。在航空應用中，為了提高航空相機的可靠性，通常需要盡量減少設備部件，同時滿足空間體積小、重量輕和功耗小的要求，若對兩個系統(tǒng)分別設計將無法達到此目的。因此，目前迫切需要研制一種可以在高空中工作，同時滿足體積和成像質(zhì)量要求的機載吊艙光學系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決機載吊艙工作高度、體積以及成像質(zhì)量方面的問題，本發(fā)明提出了一種可以實現(xiàn)遠距離、高分辨率以及全天候成像的可見、紅外雙波段機載吊艙光學系統(tǒng)，同時兼顧系統(tǒng)小型化、輕量化的需求。
[0005]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0006]—種用于高空中工作的機載光學系統(tǒng)，包括可見光路和中波紅外光路共用的反射系統(tǒng)，反射可見光、透射中波紅外的分光系統(tǒng)，可見光路補償透鏡組以及中波紅外光路補償透鏡組和中繼透鏡組四部分，其中:
[0007]所述反射系統(tǒng)沿光路方向由主鏡和次鏡組成；
[0008]所述可見光路補償透鏡組沿光路方向由第一反射鏡、可見光路補償透鏡和可見光探測器組成；
[0009]所述紅外光路補償透鏡組和中繼透鏡組沿光路方向由像散補償鏡、第二反射鏡、中波紅外光路補償透鏡、第三反射鏡、中波紅外光路中繼透鏡和紅外探測器組成；
[0010]所述系統(tǒng)工作波段為可見光和中波紅外波段，全波段光束通過反射系統(tǒng)入射到分光系統(tǒng)，可見光經(jīng)分光系統(tǒng)反射后經(jīng)第一反射鏡及可見光路補償透鏡成像在靠近主鏡下方的可見光探測器的光敏面上；中波紅外光路經(jīng)分光系統(tǒng)透射后經(jīng)像散補償鏡、第二反射鏡及中波紅外光路補償透鏡一次成像在主鏡右方，再經(jīng)過第三反射鏡及中波紅外光路中繼透鏡最終二次成像在主鏡上方的紅外探測器光敏面上。[0011]本發(fā)明的用于高空中工作的機載吊艙光學系統(tǒng)中可見光系統(tǒng)的工作波段為
0.5?0.8 μ m，中波紅外系統(tǒng)的工作波段為3.7?4.8 μ m，光束經(jīng)過RC反射系統(tǒng)入射到平行平板分光鏡，可見光路經(jīng)過二次反射及補償透鏡成像在主鏡下方的可見光探測器光敏面上。中波紅外光路透過分光鏡，經(jīng)反射鏡及補償透鏡一次成像在方鏡右方處，再次經(jīng)過反射鏡及中繼透鏡最終二次成像在主鏡上方的紅外探測器光敏面上，實現(xiàn)了中波紅外系統(tǒng)100%冷光欄效率。并且在分光鏡后加入了傾斜的像散補償鏡，用以補償傾斜平板產(chǎn)生的較大像散。
[0012]本發(fā)明的用于高空中工作的機載光學系統(tǒng)采用折反結(jié)構(gòu)，可滿足長焦距、大口徑的需求，并且結(jié)構(gòu)簡單。百先參考高空中工作的先進機載吊艙的技能指標，選定探測器，分別確定可見、紅外兩個波段的系統(tǒng)焦距、口徑、視場等參數(shù)。依據(jù)像差理論，通過增減透鏡，改變透鏡結(jié)構(gòu)及材料等對其進行優(yōu)化，可見光系統(tǒng)透鏡材料的折射率限制在1.4?1.8之間，中波紅外系統(tǒng)材料選為常用的中波紅外材料。為滿足可見、紅外部分共光路的要求，兩系統(tǒng)各自優(yōu)化過程中保持前端兩反RC系統(tǒng)的所有參數(shù)不變。最后得到本發(fā)明的用于高空中工作的機載光學系統(tǒng)的光學結(jié)構(gòu)。
[0013]本發(fā)明的用于高空中工作的機載吊艙光學系統(tǒng)，為實現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊的目的，平行平板分光鏡傾斜45°置于主鏡和次鏡間靠近主鏡處，反射可見光，透過中波紅外。各光路再次經(jīng)過反射鏡折疊光路，最終分別成像于主鏡的上下方，從而達到縮小體積的要求。
[0014]本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0015]1、該系統(tǒng)采用可見光路和中波紅外光路共用反射鏡的結(jié)構(gòu)形式，不僅滿足雙波段探測的需求，而且結(jié)構(gòu)相對簡單，大大減少了系統(tǒng)的體積和重量。
[0016]2、該系統(tǒng)中平行平板分光鏡置于主次鏡間靠近主鏡位置處，將光束分成兩路，并通過折疊反射鏡分別成像在主鏡上下方，從而有效地利用了體積空間，使結(jié)構(gòu)更加緊湊。
[0017]3、滿足體積的前提下，該系統(tǒng)實現(xiàn)了長焦距、大口徑及高分辨率成像，可見光系統(tǒng)焦距達2100mm，中波紅外系統(tǒng)焦距達1568mm，從而適用于高空中工作。
[0018]4、該系統(tǒng)中可見光路及中波紅外光路的成像質(zhì)量均接近衍射限。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明的用于高空中工作的機載光學系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖2為本發(fā)明的用于高空中工作的機載光學系統(tǒng)可見光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖3本發(fā)明的用于高空中工作的機載光學系統(tǒng)可見光系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)示意圖。
[0022]圖4為本發(fā)明的用于高空中工作的機載光學系統(tǒng)中波紅外系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖5本發(fā)明的用于高空中工作的機載光學系統(tǒng)中波紅外系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)示意圖。
【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步的說明，但并不局限于此，凡是對本發(fā)明技術(shù)方案進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，均應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍中。[0025]如圖1所示，本實施方式所述用于高空中工作的機載吊艙光學系統(tǒng)包括可見光路和中波紅外光路共用的反射系統(tǒng)100，反射可見光、透射中波紅外的分光系統(tǒng)200，可見光路補償透鏡組300以及紅外光路補償透鏡組和中繼透鏡組400四部分。
[0026]全波段光束經(jīng)過反射系統(tǒng)100入射到分光系統(tǒng)200,可見光波段在分光系統(tǒng)200反射，經(jīng)過可見光路補償透鏡成像在主鏡110下方的可見光探測器光敏面320上。中波紅外波段在分光系統(tǒng)200處透射，經(jīng)第二反射鏡412及中波紅外光路補償透鏡一次成像主鏡110右方，再次經(jīng)過第三反射鏡421及中波紅外光路中繼透鏡最終二次成像在主鏡110上方的紅外探測器光敏面433上，使系統(tǒng)出瞳432與紅外探測器冷光闌432重合。
[0027]為降低像差，減小系統(tǒng)加工檢測難度，本實施方式中，反射系統(tǒng)100采用RC兩反系統(tǒng)，包括主鏡110和次鏡120，主次鏡面型都為雙曲面。
[0028]本實施方式中，分光系統(tǒng)200采用平行平板分光鏡，其表面鍍有分光膜，反射可見光，透射中波紅外。分光鏡材料需同時滿足透過率和硬度需求，最終選為折射率較低，硬度較高的MgF2,厚度為1.9mm。
[0029]圖2給出了本實施方式中可見光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。可見光路補償透鏡組300沿光路方向由第一反射鏡311、可見光路補償透鏡和可見光探測器組成。為實現(xiàn)縮小體積目的，可見光波段光束經(jīng)過分光系統(tǒng)200后再次經(jīng)過第一反射鏡311折疊光路，經(jīng)過可見光路補償透鏡成像于主鏡110下方。所述可見光路補償透鏡沿光路方向包括第一透鏡312、第二透鏡313、第三透鏡314和第四透鏡315四片透鏡，玻璃材料的折射率限制在1.4~1.8之間，透鏡表面均采用標準球面，對可見光系統(tǒng)進行優(yōu)化，并保持前方與中波紅外共用部分的參數(shù)不變。最終，系統(tǒng)在最大空間頻率411p/mm處的MTF均在0.7以上，接近衍射極限，如圖3所示。
[0030]系統(tǒng)技術(shù)指標如下:
[0031]入瞳直徑:280mm;
[0032]焦距:2100mm;
[0033]視場角2w:0.73。;
[0034]工作波段:0.3 ~0.5 μ m。
[0035]圖4給出了本實施方式中中波紅外系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。紅外光路補償透鏡組和中繼透鏡組400沿光路方向由繞I軸旋轉(zhuǎn)45°的平行平板像散補償鏡411、第二反射鏡412、中波紅外光路補償透鏡、第三反射鏡421、中波紅外光路中繼透鏡和紅外探測器組成。其中，中波紅外光路補償透鏡沿光路方向包括第五透鏡413、第六透鏡414、第七透鏡415和第八透鏡416四片透鏡。為了矯正像差，透鏡組采用兩片含有非球面的透鏡。第一非球面位于第六透鏡414的入射面，第二非球面位于第八透鏡416的出射面。第五透鏡413和第八透鏡416采用Ge晶體，第六透鏡414采用ZnS晶體，第七透鏡415采用Si晶體。光束經(jīng)過象散補償鏡411，通過第二反射鏡412折疊光路后，經(jīng)四片透鏡組成像于垂直于光軸方向上，通過中波紅外光路補償透鏡后，紅外系統(tǒng)焦距擴大到1568mm。
[0036]紅外系統(tǒng)所成一次像面再次經(jīng)過第三反射鏡421折疊光路后通過中波紅外光路中繼透鏡二次成像于位于主鏡110上方的中波紅外探測器的光敏面上433。中波紅外光路中繼透鏡沿光路方向 包括第九透鏡422、第十透鏡423、第^^一透鏡424和第十二透鏡425四片透鏡，放大倍率為-1倍，經(jīng)二次成像，最終使系統(tǒng)出瞳與探測器冷光闌432重合，系統(tǒng)F數(shù)為5.6，與中波紅外制冷型探測器相匹配。中波紅外探測器位于該系統(tǒng)第十二透鏡425后，圖4中繪出了中波紅外探測器的探測器窗口 431、冷光闌432和光敏面433。為了矯正像差，中波紅外光路中繼透鏡采用一片含有非球面的透鏡。非球面位于第十透鏡423的入射面。第九透鏡422和第十二透鏡425采用Ge晶體，第十透鏡423采用ZnSe晶體，第十一透鏡424采用Si晶體。對中波紅外系統(tǒng)進行優(yōu)化，保持前方與可見光系統(tǒng)共用部分的參數(shù)不變。最終，系統(tǒng)在最大空間頻率201p/mm處的MTF均在0.7以上，接近衍射極限，如圖5所示。
[0037]系統(tǒng)技術(shù)指標如下:
[0038]入瞳直徑:280mm;
[0039]焦距:1568mm;
[0040]視場角2w:0.73。;
[0041]工作波段:3.7 ~4.8 μ m。
[0042]本實施方式中，光學系統(tǒng)體積在435 X 420 X 420mm3之內(nèi)，系統(tǒng)充分利用有限空間，達到縮小體積，結(jié)構(gòu)緊湊的目的，像差校正十分理想，可見光系統(tǒng)、中波紅外系統(tǒng)成像質(zhì)量均滿足設 計要求。
【權(quán)利要求】
1.一種用于高空中工作的機載吊艙光學系統(tǒng)，其特征在于所述光學系統(tǒng)由可見光路和中波紅外光路共用的反射系統(tǒng)(100)，反射可見光、透射中波紅外的分光系統(tǒng)(200)，可見光路補償透鏡組(300)以及紅外光路補償透鏡組和中繼透鏡組(400)四部分組成，其中: 所述反射系統(tǒng)(100)沿光路方向由主鏡(110)和次鏡(120)組成； 所述可見光路補償透鏡組(300)沿光路方向由第一反射鏡(311)、可見光路補償透鏡和可見光探測器組成； 所述紅外光路補償透鏡組和中繼透鏡組(400)沿光路方向由像散補償鏡(411)、第二反射鏡(412)、中波紅外光路補償透鏡、第三反射鏡(421)、中波紅外光路中繼透鏡和紅外探測器組成； 所述系統(tǒng)工作波段為可見光和中波紅外波段，全波段光束通過反射系統(tǒng)(100)入射到分光系統(tǒng)(200)，可見光經(jīng)分光系統(tǒng)(200)反射后經(jīng)第一反射鏡(311)及可見光路補償透鏡成像在主鏡(110)下方的可見光探測器的光敏面(320)上；中波紅外光路經(jīng)分光系統(tǒng)(200)透射后經(jīng)像散補償鏡(411)、第二反射鏡(412)及中波紅外光路補償透鏡一次成像在主鏡(110)右方，再經(jīng)過第三反射鏡(421)及中波紅外光路中繼透鏡最終二次成像在主鏡(110)上方的紅外探測器光敏面(433)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于高空中工作的機載吊艙光學系統(tǒng)，其特征在于所述可見光的工作波段為0.5?0.8 μ m，中波紅外波段的工作波段為3.7?4.8 μ m，共用口徑為280mmo
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于高空中工作的機載吊艙光學系統(tǒng)，其特征在于所述反射系統(tǒng)(100)為RC系統(tǒng)，主鏡(110)和次鏡(120)的面型均為雙曲面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的用于高空中工作的機載吊艙光學系統(tǒng)，其特征在于所述分光系統(tǒng)(200)位于主鏡(110)和次鏡(120)之間靠近主鏡(110)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于高空中工作的機載吊艙光學系統(tǒng)，其特征在于所述分光系統(tǒng)(200)為傾斜45°平行平板分光鏡，其表面鍍有分光膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于高空中工作的機載吊艙光學系統(tǒng),其特征在于所述分光鏡的材料為MgF2。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于高空中工作的機載吊艙光學系統(tǒng)，其特征在于所述可見光路補償透鏡沿光路方向依次由第一透鏡(312)、第二透鏡(313)、第三透鏡(314)和第四透鏡(315)四片透鏡組成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于高空中工作的機載吊艙光學系統(tǒng)，其特征在于所述中波紅外光路補償透鏡沿光路方向依次由第五透鏡(413)、第六透鏡(414)、第七透鏡(415)和第八透鏡(416)組成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于高空中工作的機載吊艙光學系統(tǒng)，其特征在于所述中波紅外光路中繼透鏡沿光路方向依次由第九透鏡(422)、第十透鏡(423)、第十一透鏡(424)和第十二透鏡(425)組成。
【文檔編號】G02B27/00GK103852889SQ201410106719
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2014年3月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月21日
【發(fā)明者】宋宇, 王治樂, 錢育龍, 張慧莉 申請人:哈爾濱工業(yè)大學