含變形鏡的共形小凹紅外光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及含變形鏡的共形小凹紅外光學(xué)系統(tǒng)，屬于光學(xué)儀器技術(shù)領(lǐng)域。該系統(tǒng)包含旋轉(zhuǎn)對稱非球面整流罩、成像光學(xué)系統(tǒng)、主動光學(xué)元件變形鏡以及探測器像面。系統(tǒng)采用符合流體動力學(xué)的非球面特殊整流罩，流體動力學(xué)性能良好；利用主動光學(xué)元件變形鏡對非球面特殊整流罩的非對稱像差進(jìn)行校正以及對不同視場實(shí)現(xiàn)局部高分辨小凹成像。本發(fā)明滿足介質(zhì)動力學(xué)特性，結(jié)構(gòu)簡單，減少目標(biāo)成像圖像數(shù)據(jù)傳輸量，可廣泛應(yīng)用于偵查、救援等領(lǐng)域。
【專利說明】
含變形鏡的共形小凹紅外光學(xué)系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于光學(xué)儀器技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種含主動光學(xué)元件變形鏡以及共形整流罩 的紅外小凹光學(xué)系統(tǒng)，特別適用于目標(biāo)的偵查與救援。
【背景技術(shù)】
[0002] 紅外成像技術(shù)在現(xiàn)代偵查、救援中的作用日益突出，系統(tǒng)也向著體積小型化，飛行 速度高速化的趨勢發(fā)展。小凹光學(xué)系統(tǒng)模擬了人眼小凹成像的特性，通過引入主動光學(xué)元 件來簡化光學(xué)系統(tǒng)對目標(biāo)的細(xì)節(jié)實(shí)現(xiàn)局部高分辨率成像，從而系統(tǒng)成像數(shù)據(jù)量相對較少， 方便傳輸，并使光學(xué)系統(tǒng)更加小巧、輕便，非常適合于遠(yuǎn)程遙控以及其他對圖像數(shù)據(jù)處理和 傳輸速度有較高要求的應(yīng)用中。作為小凹光學(xué)系統(tǒng)的前端保護(hù)罩，通過共形整流罩替換傳 統(tǒng)的球型整流罩，可以減少系統(tǒng)在高速飛行過程中所受到的空氣動力學(xué)阻力，提升系統(tǒng)整 體的空氣動力學(xué)性能。但是引入共形整流罩提升系統(tǒng)空氣動力學(xué)性能的同時，將會不可避 免的引入非軸對稱軸外像差，對小凹光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量產(chǎn)生影響。傳統(tǒng)的光學(xué)校正方法 是加入非球面校正板對共形整流罩引入的非軸對稱像差進(jìn)行校正，系統(tǒng)較為復(fù)雜，并且難 以實(shí)現(xiàn)小凹光學(xué)系統(tǒng)的動態(tài)局部高分辨的功能，因此引入主動光學(xué)元件在校正共形整流罩 引入的非軸對稱的像差的同時實(shí)現(xiàn)共形小凹光學(xué)系統(tǒng)局部高分辨的目的。
[0003] 目前存在的小凹成像的專利有兩個，一個是專利號為201410097429.7的小凹成像 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其通過掃描透鏡組而并不是主動光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)了簡單的局部放大效果，掃 描結(jié)構(gòu)較為繁瑣，系統(tǒng)較為復(fù)雜。一個是專利號為201410193562.2的含局部超分辨掃描的 小凹成像光學(xué)系統(tǒng)，其通過引入透射式主動光學(xué)元件空間光調(diào)制器進(jìn)行局部掃描超分辨成 像。但是專利中并沒有關(guān)于引入符合空氣動力學(xué)的旋轉(zhuǎn)對稱非球面共形整流罩的共形小凹 光學(xué)系統(tǒng)以及通過非掃描反射式主動光學(xué)元件變形鏡來實(shí)現(xiàn)小凹成像的相關(guān)工作。
[0004] 本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用主動光學(xué)元件變形鏡的共形小凹紅外光學(xué)系統(tǒng)，與之前的 兩個小凹光學(xué)系統(tǒng)不同，應(yīng)用波段為紅外波段，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，除共形整流罩以及主動光學(xué) 元件變形鏡外引用的全是球面透鏡，并且片數(shù)較少。系統(tǒng)F數(shù)為2,觀測視場可隨要求，變形 鏡的尺寸進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)你現(xiàn)有變形鏡尺寸，理論上可達(dá)到60度觀測視場。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是解決在應(yīng)用非球面共形整流罩的條件下，對光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行小凹成 像的問題。提出了一種應(yīng)用主動光學(xué)元件變形鏡的共形小凹光學(xué)系統(tǒng)。
[0006] 本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
[0007] 本發(fā)明的一種含有主動光學(xué)元件變形鏡的共形紅外小凹光學(xué)系統(tǒng)包括:旋轉(zhuǎn)對稱 非球面共形整流罩（1)、固定透鏡組(2)、主動光學(xué)元件變形鏡(3)和探測器像面(4);前端旋 轉(zhuǎn)對稱非球面共形整流罩以及固定透鏡組垂直于光軸，主動光學(xué)元件變形鏡與光軸呈45° 角，光通過變形鏡折射在探測器像面上進(jìn)行成像。探測器像面平行于水平光軸。
[0008] 本發(fā)明具體設(shè)計(jì)方法如下：
[0009] 1.采用符合空氣動力學(xué)的旋轉(zhuǎn)對稱非球面共形整流罩（1)，通過主動光學(xué)元件變 形鏡(3)對其引入的非對稱像差進(jìn)行校正。在提高光學(xué)系統(tǒng)空氣動力學(xué)性能的同時，校正其 引入的隨光軸變化的動態(tài)誤差。
[0010] 2.為了能簡化光學(xué)系統(tǒng)，減少光學(xué)系統(tǒng)成像圖像數(shù)據(jù)量，對目標(biāo)視場實(shí)現(xiàn)局部高 分辨，通過光學(xué)元件變形鏡(3)校正該視場像差，對感興趣的視場進(jìn)行高分辨成像。
[0011] 3.主動光學(xué)元件變形鏡(3)是一種反射式的光學(xué)元件，為了同時對感興趣視場實(shí) 現(xiàn)局部高分辨以及由共形整流罩所引入的非對稱像差進(jìn)行校正，經(jīng)過計(jì)算，為使變形鏡校 正量達(dá)到最大值，將主動光學(xué)元件變形鏡放入到出瞳以及探測器像面(4)之間，通過控制主 動光學(xué)元件變形鏡(3)的面型，充分的應(yīng)用主動光學(xué)元件變形鏡(3)的校正能力，使得目標(biāo) 視場成像質(zhì)量接近衍射極限。
[0012] 通過以上的設(shè)計(jì)方法，本發(fā)明的一種含有主動光學(xué)元件變形鏡的共形紅外小凹光 學(xué)系統(tǒng)，系統(tǒng)的F數(shù)為2。對共形光學(xué)系統(tǒng)的水平視場以及7.5°視場實(shí)現(xiàn)了小凹探測。
[0013]本發(fā)明的工作原理:無窮遠(yuǎn)目標(biāo)發(fā)射的紅外輻射依次經(jīng)過旋轉(zhuǎn)對稱非球面共形整 流罩(1)、固定透鏡組(2)、主動光學(xué)元件變形鏡(3)，最后在探測器像面(4)成像。
[0014] 有益效果
[0015] 本發(fā)明有以下顯著優(yōu)點(diǎn):本發(fā)明采用了一種符合空氣動力學(xué)的旋轉(zhuǎn)對稱非球面共 形整流罩設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)，F(xiàn)數(shù)為2。并使用了一種主動光學(xué)元件變形鏡對感興趣的目標(biāo)視場 進(jìn)行局部高分辨，同時校正相應(yīng)視場由共形整流罩引入的非對稱像差。目標(biāo)視場成像質(zhì)量 接近衍射極限。在減小介質(zhì)阻力、提高運(yùn)動范圍的同時，使光學(xué)系統(tǒng)更加簡單、體積緊湊，局 部成像質(zhì)量更加良好，減少了成像圖像的數(shù)據(jù)傳輸量。在觀測視場范圍內(nèi)，理論上可以通過 控制主動光學(xué)元件變形鏡的面型變化，實(shí)現(xiàn)任意視場的局部高分辨。特別適合現(xiàn)代偵查、救 援等領(lǐng)域中。
【附圖說明】
[0016] 圖1是本發(fā)明水平視場示意圖；
[0017]圖2是本發(fā)明7.5°視場不意圖；
[0018] 圖中，1-旋轉(zhuǎn)對稱非球面共形整流罩、2-固定透鏡組、3-主動光學(xué)元件變形鏡、4-探測器像面。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0020] 實(shí)施例如圖1所示，本發(fā)明將主要應(yīng)用于共形紅外小凹光學(xué)系統(tǒng)中?？蓮V泛應(yīng)用于 現(xiàn)代偵查、救援等領(lǐng)域中。
[0021] 如圖1所示，本發(fā)明的一種含主動光學(xué)元件變形鏡的共形紅外小凹光學(xué)系統(tǒng)，包含 旋轉(zhuǎn)對稱非球面共形整流罩（1)、固定透鏡組（2)、主動光學(xué)元件變形鏡（3)和探測器像面 (4);在光的傳播方向上，含旋轉(zhuǎn)對稱非球面的共形整流罩以及固定透鏡組垂直于水平光 軸。而主動光學(xué)元件變形鏡與光軸呈45°夾角。探測器像面平行于水平光軸。光線首先通過 包含旋轉(zhuǎn)對稱非球面的共形整流罩(1 )，與應(yīng)用球罩相比，包含旋轉(zhuǎn)對稱非球面共形整流罩 空氣動力學(xué)更好，但是會引入更多的像差。然后光通過固定透鏡組(2)，一般來說，為了校正 由包含旋轉(zhuǎn)對稱非球面共形整流罩所引入的像差，都會選用非球面對其進(jìn)行校正才會取得 比較好的效果，但是如果引入非球面，會增加系統(tǒng)的復(fù)雜程度，增大光學(xué)系統(tǒng)的體積，本設(shè) 計(jì)中的固定透鏡組結(jié)構(gòu)簡單，鏡片數(shù)量少，應(yīng)用了兩片簡單的鏡片作為固定透鏡組，并沒有 將由于應(yīng)用含旋轉(zhuǎn)對稱非球面共形整流罩所引入的非對稱像差的校正任務(wù)分給固定透鏡 組來矯正，而是把像差校正任務(wù)給了光線將要通過的主動光學(xué)元件變形鏡(3)，變形鏡不光 承擔(dān)著校正由于應(yīng)用包含旋轉(zhuǎn)對稱非球面共形整流罩所引入的非對稱像差的任務(wù)，還承擔(dān) 著對特定視場進(jìn)行局部高分辨、減少圖像數(shù)據(jù)量的任務(wù)。變形鏡可以通過一定方式的控制 實(shí)現(xiàn)面型的變化，從而完成對非軸對稱像差的校正以及局部高分辨的實(shí)現(xiàn)，在光學(xué)設(shè)計(jì)中， 通過ZERNIKE面對變形鏡面型的變化來進(jìn)行描述。經(jīng)過主動光學(xué)元件變型鏡校正之后的光 最后在探測器像面(4)上進(jìn)行成像。由于應(yīng)用的波段是長波紅外，所以選用的是非制冷長波 紅外探測器，設(shè)計(jì)中并沒有對制冷光闌進(jìn)行體現(xiàn)。
[0022] 實(shí)施例中，無窮遠(yuǎn)目標(biāo)發(fā)射的紅外輻射依次經(jīng)過以上各光學(xué)元件后照射到探測器 元件上，得到最后的像。
[0023] 實(shí)施例中，旋轉(zhuǎn)對稱非球面共形整流罩（1)是有旋轉(zhuǎn)對稱軸的非球面，固定透鏡組 (2)用于匯聚光束，變換主動光學(xué)元件變形鏡(3)用于實(shí)現(xiàn)共形光學(xué)系統(tǒng)局部高分辨。
[0024] 實(shí)施例中透鏡具體參數(shù)如表1所示，不同視場ZERNIKE系數(shù)如表2所示。
[0025] 實(shí)施例中，采用的非球面共形整流罩符合流體動力學(xué)原理，使用主動光學(xué)元件變 形鏡實(shí)現(xiàn)局部視場高分辨以及視場像差校正：
[0026] 1.在減小介質(zhì)阻力、提高運(yùn)動范圍的同時，使用較簡便的光路對含有旋轉(zhuǎn)對稱非 球面共形整流罩的光學(xué)系統(tǒng)像差進(jìn)行校正，光學(xué)系統(tǒng)較為簡便，并且除了含有旋轉(zhuǎn)對稱非 球面的共形整流罩以及用于校正像差以及實(shí)現(xiàn)局部高分辨的反射式主動光學(xué)元件變形鏡 外，整個光學(xué)系統(tǒng)并不含有非球面。
[0027] 2.設(shè)計(jì)方法上，為了達(dá)到變形鏡校正最大量，通過計(jì)算，將變形鏡放到光學(xué)系統(tǒng)的 出瞳位置附近，通過變換主動光學(xué)元件變形鏡的鏡面實(shí)現(xiàn)局部高分辨，在光學(xué)軟件中，通過 改變反射鏡面型的ZERNIKE系數(shù)來模擬實(shí)際情況中變形鏡的鏡面變形。以此來減少成像圖 像數(shù)據(jù)量，并對感興趣的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)局部高分辨，方便數(shù)據(jù)大量快速的進(jìn)行傳輸。
[0028] 3.系統(tǒng)F數(shù)為2,由于固定透鏡組不主要承擔(dān)光學(xué)系統(tǒng)像差校正任務(wù)，而是通過變 形鏡來進(jìn)行校正。所以，光學(xué)系統(tǒng)體積較為緊湊，系統(tǒng)簡便不繁瑣。
[0029]表 1(單位:mm)
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種含非球面整流罩的雙視場紅外光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:包含旋轉(zhuǎn)對稱非球面共 形整流罩（1)、固定透鏡組(2)、主動光學(xué)元件變形鏡(3)和探測器像面(4);在光的傳播方向 上，含旋轉(zhuǎn)對稱非球面的共形整流罩以及固定透鏡組垂直于水平光軸；而主動光學(xué)元件變 形鏡與光軸呈45°夾角;探測器像面平行于水平光軸;無窮遠(yuǎn)目標(biāo)發(fā)射的紅外輻射依次經(jīng)過 各光學(xué)元件后照射到探測器元件上，得到最后的像;通過控制主動光學(xué)元件變形鏡的面型 來校正不同視場由非球面整流罩所帶來的非對稱像差以及實(shí)現(xiàn)小凹成像。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種含非球面整流罩的雙視場紅外光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于該 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法如下： 1) .整個含變形鏡的共形下凹紅外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作波長為l〇um-13um，F(xiàn)數(shù)為2,焦距 為70mm。光學(xué)系統(tǒng)前端應(yīng)用符合介質(zhì)動力學(xué)的共形整流罩作為保護(hù)罩，設(shè)計(jì)時應(yīng)用的旋轉(zhuǎn) 對稱非球面共形整流罩的長徑比為1，應(yīng)用的材料為長波材料硫化鋅;后續(xù)固定組光學(xué)系統(tǒng) 應(yīng)用的是長波鍺玻璃。理論設(shè)計(jì)最大角度為60°。 2) .該結(jié)構(gòu)不光可以適用于設(shè)計(jì)時的長波紅外結(jié)構(gòu)，可以更換近紅外，中波紅外波段所 對應(yīng)的材質(zhì)實(shí)現(xiàn)對不同的紅外波段實(shí)現(xiàn)含主動光學(xué)元件變形鏡的共形紅外小凹成像的效 果。 3) .變換主動光學(xué)元件變形鏡面型實(shí)現(xiàn)局部高分辨，CODEV設(shè)計(jì)軟件中，在光學(xué)系統(tǒng)出 瞳位置前后加入反射式主動光學(xué)元件變形鏡，通過ZERNIKE系數(shù)的變化來模擬變形鏡的面 型的變化，變形鏡與水平光軸呈45度夾角，光經(jīng)過變形鏡會產(chǎn)生90度的偏折;其不單可以校 正整個光學(xué)系統(tǒng)的像差，還可以對特定目標(biāo)視場進(jìn)行高分辨成像，有效減少成像圖像數(shù)據(jù) 量，方便圖像傳輸。
【文檔編號】G02B27/00GK106054381SQ201610589974
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月25日 公開號201610589974.7, CN 106054381 A, CN 106054381A, CN 201610589974, CN-A-106054381, CN106054381 A, CN106054381A, CN201610589974, CN201610589974.7
【發(fā)明人】常軍, 李衍璋, 張運(yùn)強(qiáng), 呂鳳先, 牛亞軍, 陳蔚霖, 朱懿
【申請人】北京理工大學(xué)