CN103744183B - 一种红外宽波段多干扰复合光学*** - Google Patents

Abstract

一种红外宽波段多干扰复合光学***，属于红外和模拟仿真技术领域。所述***包括由景象生成器和干扰准直光学***组成的干扰光学***、复合光学***、扩束元件、扩束准直光学***、平面反射镜，干扰光学***为四路，位于垂直于纸面方向的同一平面内且沿“十”字方向分布，景象生成器发出的红外辐射经干扰准直光学***准直后为平面反射镜所反射，再经复合光学***复合后进入扩束元件，经其扩束后再通过扩束准直光学***入射到后续的耦合镜上，耦合镜将目标光路和干扰光路耦合在一起，再经主投影光学***的物镜和目镜扩束后成像到无限远，与被测光学***进行匹配。该***的显著优点在于：耦合效率高，体积小，性价比很高，且易于加工装调。

Description

一种红外宽波段多干扰复合光学***

技术领域

本发明属于红外和模拟仿真技术领域，涉及一种红外宽波段多干扰复合光学***，它适用于测量红外短波和中波成像***的动态目标识别与跟踪能力的红外干扰模拟的光学***。

背景技术

随着红外成像技术的发展，红外传感接受装置，如红外遥感，红外导引、跟踪，和热像仪等已经成为各国军事发展的重中之重。根据国家军事需求，现代红外成像***越来越复杂、精密，所以制作成本也随之增加，这使得对其进行的战场方案验证和飞行试验的经费开支越来越大，而且每次试验获取的有用信息也非常有限。

红外半实物仿真技术能有效用于红外成像***的性能评价，此外它还能大量减少外场飞行试验，节省经费开支和缩短武器研制周期。因此，半实物仿真技术在红外成像***的研制过程中具有重要意义。目前在红外背景的模拟仿真中，需要模拟的目标往往不只一个，目标的影像是通过独立的光学***产生的，这导致整个目标模拟***结构复杂，甚至会因结构的限制而无法实现想要的功能，因此需要一个干扰复合光学***将其复合到一起。

对于宽波段多干扰复合光学***，扩束元件的性能直接影响着该装置的仿真性能，目前国内应用于多干扰细光束扩束技术有网纹镜扩束技术（又名微坑镜扩束技术）以及红外传像光缆扩束技术，两种扩束技术在使用上都存在一定的局限。网纹镜扩束技术一般受扩束光斑大小、微坑制作工艺的限制，该方法的***耦合效率较低，而且外形尺寸大、体积大，重量大；而红外传像光缆扩束技术受光纤材料及光缆制作技术的限制，传像光缆的光谱范围相对较窄，此外较大数值孔径的传像光缆很难获得。

宽波段多干扰复合光学***，影响其成像质量的首要挑战在于将不同波段的光谱信息成像于同一焦平面上，而由于色差的原因这点很难做到，另外一个重要挑战在于能传输宽波段信息的红外材料非常有限，而且某些材料价格极其昂贵。这些都制约着红外宽波段目标仿真光学***的发展。目前设计此类光学***的通用方法是选用至少三种不同的红外材料相配合，同时在某些透镜表面上使用非球面来保证成像质量。综合考虑材料的昂贵性以及非球面加工的难度，这使得研制成本大大增加。因此目前迫切需要一种在保证成像质量的基础上，满足价格低廉、易于加工装调要求的红外宽波段多干扰复合光学***。

发明内容

为了解决目前红外宽波段多干扰复合光学***耦合效率低、体积大、价格昂贵、难于加工装调的缺点，本发明提出一种成像波段为2.2~4.8μm、视场为±4°的红外宽波段多干扰复合光学***，用于测试红外成像***的动态目标识别与跟踪能力。该***的显著优点在于：耦合效率高，体积小，性价比很高，且易于加工装调。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种红外宽波段多干扰复合光学***，包括干扰光学***、复合光学***、扩束元件、扩束准直光学***以及平面反射镜五部分，其中干扰光学***为四路，位于垂直于纸面方向的同一平面内且沿“十”字方向分布，所述干扰光学***由景象生成器和干扰准直光学***组成，景象生成器发出的红外辐射经干扰准直光学***准直后为平面反射镜所反射，再经复合光学***复合后汇聚成同轴光束进入扩束元件，经其扩束后再通过扩束准直光学***入射到后续的耦合镜上，耦合镜将目标光路和干扰光路耦合在一起，再经主投影光学***的物镜和目镜扩束后成像到无限远，与被测光学***进行匹配。

上述复合光学***中，所述干扰准直光学***与复合光学***的偏心度为35mm。

上述复合光学***中，所述景象生成器位于干扰准直光学***的焦平面上。

上述复合光学***中，所述扩束元件位于复合光学***和扩束准直光学***的焦平面上。

上述复合光学***中，所述扩束元件为微透镜阵列。

上述复合光学***中，除去反射镜、微透镜阵列上表面为平面外，其它透镜表面均为标准球面。

上述复合光学***中，实现了四路干扰光路通过一个复合光路耦合到一起。

本发明的四个干扰光路位于垂直于观察纸面的同一平面内且沿“十”字方向分布，它们的离轴细光束偏心距为35mm，使***紧凑，并且采用微透镜阵列作为扩束元件，在满足扩束要求的基础上，耦合效率较高。和网纹镜和光纤阵比，***体积小，重量轻，结构紧凑。

本发明的红外宽波段多干扰复合光学***具有以下优点：

1、该***的透镜材料仅限于Si和Ge两种晶体。在满足较高成像质量的基础上，显著降低了***制造成本。

2、除去平行平板外，该***的所有透镜表面均采用标准球面，使得***加工、装调变得容易，进而减小了***成本。

3、本***用微透镜阵列作为扩束元件，体积小，重量轻，结构紧凑，耦合效率高。

4、将4路干扰光路位于垂直于观察纸面的同一平面内且沿“十”字方向分布，这样做使得***紧凑合理，节省了大量空间。

5、本***的干扰光路有可变单干扰、多个固定单干扰和多个固定多干扰等。

附图说明

图1为本发明红外宽波段多干扰模拟光学***的俯视图；

图2为本发明的红外宽波段多干扰模拟光学***的结构示意图；

图3为本发明的红外宽波段多干扰模拟光学***的调制传递函数(MTF)示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限如此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

如图1-2所示，本发明所述红外宽波段多干扰模拟光学***由景象生成器100、干扰准直光学***200、复合光学***300、扩束元件400、以及扩束准直光学***500和平面反射镜600六部分组成。景象生成器100发出的红外景象经干扰准直光学***200后，通过平面反射镜600转折90度反射后平行进入复合光学***300，四路干扰离轴细光束经过复合光学***300后汇聚成同轴光束，进而经由扩束元件400扩束后，再通过扩束准直光学***500进入耦合镜内，与目标景象复合后被主投影***投射到无穷远，与被测光学***进行匹配。

本发明中所述红外宽波段多干扰复合光学***的设计，首先根据***参数选取已有相似专利，之后根据***波长，视场，焦距等参数要求，依据像差理论，通过添去透镜，改变透镜位置等对其进行优化，最后得到红外宽波段多干扰复合光学***的光学结构。设计过程中，该***采用正向光路追迹，以方便检测通过微透镜阵列后光能的利用率，结果显示完全符合技术要求。

红外宽波段多干扰模拟复合光学***的设计分为三部分：干扰准直光学***200的设计、复合光学***300的设计以及扩束准直光学***500的设计。

如图2所示，干扰准直光学***200由第一透镜210、第二透镜220和第三透镜230三片透镜组成，三片透镜的各表面均为标准球面。另外，从第一透镜210到第三透镜230，它们的材料分别为Si，Ge，Ge晶体。复合光学***300由第四透镜310、第五透镜320和第六透镜330三片透镜组成，三片透镜各个面都为标准球面，从第四透镜310到第六透镜330，它们的材料分别为Si，Ge，Si晶体。扩束准直光学***由第七透镜510、第八透镜520和第九透镜530三片透镜组成，三片透镜各面都为标准球面，从第七透镜510到第九透镜530，它们的材料分别为Si，Ge，Si晶体。对干扰准直光学***200、复合光学***300和扩束准直光学***500分别设计并优化，最后再对整个多干扰模拟复合光学***进行优化。

首先对干扰准直光学***200进行优化，采用三片透镜相配合，从第一透镜210到第三透镜230，透镜光焦度分别为正、负、正，所用的材料分别是Si，Ge，Ge。其最终焦距为125mm。干扰准直光学***200离轴细光束偏心距为35mm。

然后对复合光学***300单独设计优化，采用三片透镜相配合，从第四透镜310到第六透镜330，透镜光焦度分别为正，负，正，所用的材料分别为Si,Ge,Si。最终的焦距为140mm。

再对扩束准直光学***500进行优化设计。采用三片透镜配合，从第七透镜510到第九透镜530，透镜光焦度分别为正，负，正，所用的材料分别为Si,Ge,Si。最终的焦距为75mm。

扩散元件400为微透镜阵列，本设计采用的是微透镜单元尺寸20×20μm，球冠高为2.23μm，微透镜单元个数为1400×1400，微透镜单元曲率半径为R=0.046mm。

最后对整个***进行优化，最终调至传递函数在20lp/mm时大于0.6，接近衍射极限，如图3所示。

光学***的具体光学参数如表1所示。

表1光学***的具体光学参数

表面	面型	曲率半径	厚度	材料	折/反类型
						物面	球面	∞	64		折射
1	球面	-18	5	Ge	折射
						2	球面	-23	40		折射
3	球面	-115	6	Ge	折射
						4	球面	-108	1		折射
5	球面	-170	7.5	Si	折射
						6	球面	-83	40		折射
光阑	平面	∞	56		反射
						8	球面	-144	15	Si	折射
9	球面	-312	17		折射
						10	球面	-445	12	Ge	折射
11	球面	-210	116		折射
						12	球面	-44	11	Si	折射
13	球面	-41	18		折射
						14	微透镜	0.04	3	Si	折射
15	球面	∞	15		折射
						16	球面	51	13	Si	折射
17	球面	45	60		折射
						18	球面	167	10	Ge	折射
19	球面	750	25		折射
						20	球面	226	12	Si	折射
21	球面	105	55		折射
						像面	球面	∞	0		折射

表一说明：表一中标号与图2光学部件对应为：物面为景象生成器100的位置，1-2为第三透镜230，3-4为透镜第二220,5-6为第一透镜210，光阑为平面反射镜600，8-9为第六透镜330,10-11为第五透镜320,12-13为第四透镜310,14-15为扩束元件400,16-17为第九透镜530,18-19为第八透镜520,20-21为第七透镜510。

Claims (7)

1.一种红外宽波段多干扰复合光学***，其特征在于所述光学***包括干扰光学***、复合光学***、扩束元件、扩束准直光学***以及平面反射镜五部分，其中干扰光学***为四路，位于垂直于纸面方向的同一平面内且沿“十”字方向分布，所述干扰光学***由景象生成器和干扰准直光学***组成，景象生成器发出的红外辐射经干扰准直光学***准直后为平面反射镜所反射，再经复合光学***复合后进入扩束元件，经其扩束后进入扩束准直光学***；所述干扰准直光学***由第一透镜、第二透镜和第三透镜组成，从第一透镜到第三透镜，透镜光焦度分别为正、负、正，所用的材料分别是Si、Ge、Ge，其最终焦距为125mm；所述复合光学***由第四透镜、第五透镜和第六透镜组成，从第四透镜到第六透镜，透镜光焦度分别为正、负、正，所用的材料分别为Si、Ge、Si，最终的焦距为140mm；所述扩束准直光学***由第七透镜、第八透镜和第九透镜组成，从第七透镜到第九透镜，透镜光焦度分别为正、负、正，所用的材料分别为Si、Ge、Si，最终的焦距为75mm。

2.根据权利要求1所述的一种红外宽波段多干扰复合光学***，其特征在于所述干扰准直光学***与复合光学***的偏心度为35mm。

3.根据权利要求1所述的一种红外宽波段多干扰复合光学***，其特征在于所述景象生成器位于干扰准直光学***的焦平面上。

4.根据权利要求1所述的一种红外宽波段多干扰复合光学***，其特征在于所述扩束元件位于复合光学***和扩束准直光学***的焦平面上。

5.根据权利要求1或4所述的一种红外宽波段多干扰复合光学***，其特征在于所述扩束元件为微透镜阵列。

6.根据权利要求5所述的一种红外宽波段多干扰复合光学***，其特征在于所述微透镜阵列的单元尺寸20×20μm，球冠高为2.23μm，微透镜单元个数为1400×1400，微透镜单元曲率半径为R＝0.046mm。

7.根据权利要求1所述的一种红外宽波段多干扰复合光学***，其特征在于所述光学***的成像波段为2.2～4.8μm，视场为±4°。