CN116300070A - 一种双模共轴一体化光学*** - Google Patents
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Abstract
一种双模共轴一体化光学***，包括头罩(1)、主镜(2)、分光镜(3)、二次校正成像透镜组，它们的光轴重合；光线由头罩(1)一侧入射另一侧出射，分光镜(3)位于头罩(1)出射光方向侧，在分光镜(3)的出射方向侧设置主镜(2)，在主镜(2)的出射光方向侧设置二次成像透镜组；分光镜(3)是半透半反透镜；主镜(2)为反射镜，反射镜的反射面面对分光镜(3)的出射光方向；第一探测器(9)用于接收第一波段的辐射光，其设置于二次校正成像透镜组出射光方向的焦平面；第二探测器滤光片及接收镜头(8)用于接收第二波段的辐射光，其设置于分光镜(3)透射光方向侧的焦平面。本发明利用分光镜，实现入瞳孔径大，减小镜组数量。
Description
技术领域
本发明属于光学复合制导技术领域，涉及一种双模共轴光学一体化光学***。
背景技术
光学***是制导***的核心部件，随着复合新技术的研究发展，对导引结构的小型化、集成化和稳定性提出了更高的要求。单一的红外制导模式虽然具有高跟踪精度以及全天候工作的优点，但是不具有全向攻击性；单一的激光制导***可识别目标物体的振动特征，但容易受天气影响。因此红外/激光双模制导能够达到优势互补的效果，具有可全天候工作、抗电子干扰和命中精度高的优点。R-C(Ritchey-Chretien optics)折反***由于反射膜可满足在宽光谱条件下均实现较高的反射率，具有无色差、结构紧凑等特点，是满足***要求的最主要形式。为获得更高的图像质量和更宽的视场，常在反射***后添加二次校正成像透镜组。
2015年，殷笑尘等人提出一种红外成像/主动雷达共孔径双模导引头，引入二色分光镜实现共孔径结构，红外光学***的MTF(Modulation Transfer Function)在16lp/mm高于0.6。2016年，Mahmoud等人设计了一种可见光与近红外的共孔径***，成像质量达到衍射极限，但全视场角仅为1°。2019年，周晓斌将卡塞格林结构中的次镜简化为平面反射镜，有效减小透镜尺寸，红外通道的MTF在35.7lp/mm高于0.3。2020年，陈国强等人设计了一种红外/激光/毫米波共孔径光学***，共用整流罩和抛物面主镜，次镜反射红外和激光，透射毫米波。2021年，马占鹏等人完成了一种可见/长波红外双色光学***设计，采用分色镜对红外校正镜进行偏心处理，弥补了分色镜倾斜对光路造成的影响。
中国专利文献CN 112068311 A提供一种红外、激光、毫米波三模共孔径设计方法，该设计使得导引头***体积过大，不利于武器产品小型化设计要求；其次三模共孔径技术难度骤增、技术条件多变、三模结构中光学透镜较多，光线能量利用效率低，视场设计偏小，很难提高制导作用距离，且各波段透射及分光产生影响，极大的影响了成像质量和稳定性。
发明内容
本发明提供了一种双模共轴一体化光学***，以解决多波段光共孔径入射光学***体积大、结构复杂的技术问题。本发明具有小型化、轻量化、大入瞳、大视场、制导距离远的特点，能够实现高精度目标精确制导。
本发明提出一种双模共轴一体化光学***，包括头罩、主镜、分光镜、二次校正成像透镜组、第一探测器、第二探测器；所述头罩、主镜、分光镜、二次校正成像透镜组的光轴重合；
头罩用于透射光线，分光镜位于头罩出射光方向侧，主镜位于分光镜出射光方向侧，在主镜的出射光方向侧设置二次校正成像透镜组；
分光镜为半透半反透镜；主镜为反射镜，反射镜的反射面面对分光镜的反射光方向；
第一探测器用于接收第一波段的辐射光，其设置于二次校正成像透镜组出射光方向侧的第一焦平面；第二探测器用于接收第二波段的辐射光，其设置于分光镜透射光方向侧的第二焦平面，所述第二焦平面位于头罩与分光镜之间。
进一步的，第一波段和第二波段的辐射光透过头罩达到主镜后经由所述反射面反射至分光镜，第一波段辐射光在分光镜反射后传播经过二次校正成像透镜组后到达第一探测器，第二波段辐射光经分光镜透射后到达第二探测器。
进一步的，所述第一波段辐射光为红外光，第二波段辐射光为激光，所述第一探测器用于接收红外光，所述第二探测器用于接收激光。
进一步的，所述分光镜是双曲面半透半反透镜，所述分光镜表面镀有二向色系的分光膜，所述分光膜用于实现第一波长反射光路与第二波长透射光路的组合。
进一步的，所述主镜为卡塞格林式反射镜，所述卡塞格林式反射镜斜断面作为所述反射面面对分光镜的出射光方向。
进一步的，所述头罩为同心球罩，所述头罩材料采用蓝宝石。
进一步的，所述二次校正成像透镜组包括第一非球面镜和第二非球面镜、衍射面镜、球面镜，按光线入射到出射方向以第一非球面镜、衍射面镜、球面镜、第二非球面镜的顺序依次光心同轴排列。
进一步的，主镜、分光镜的遮拦比为α，
分光镜的横向放大倍率为β2，
主镜半径为r1，
分光镜半径为r2，
光轴出射方向主镜与光轴交点与分光镜与光轴交点之间的距离为d，
其中，f1'为主镜焦距、f2'为分光镜透射焦距，f'为物方到光学***像方焦点F的距离，l2为主镜焦点F1’到分光镜与光轴交点的距离，l'2为分光镜与光轴交点到光学***出瞳焦点的距离。
进一步的，所述主镜材料采用K9玻璃，分光镜的基底材料采用成都光明H-K9L材料。
进一步的，所述第一非球面镜和/或第二非球面镜材料采用IRG204和/或IRG209硫系玻璃；衍射面镜和/或球面镜的材料采用ZNSE和/或Germanium材料。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明权衡透镜口径与光学结构集光能力，实现***小F数大孔径；
(2)本发明采用红外二次校正成像透镜组，降低边缘视场光线高度，利于增大视场角并减小杂散光；
(3)本发明利用高透高反分光镜设计，实现光学较大入瞳孔径，减小汇聚镜组数量，减小体积，增强光路能量接收效率，提高制导距离。
附图说明
图1为本发明光学结构示意图；
图2为本发明R-C光路追迹示意图；
图3为本发明不同遮拦比下的调制传递函数衍射极限示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种双模共轴一体化光学***，如图1所示，本发明红外与激光双模共轴光学一体化光学***包括头罩1、主镜2、分光镜3、红外二次校正成像透镜组、第一探测器(红外探测器)9、第二探测器(激光探测器)8。
头罩1的截面为圆弧形，光线由头罩1凸面一侧入射凹面一侧出射，分光镜3位于头罩1出射光方向侧，在分光镜3的出射方向侧设置主镜2，在主镜2的出射光方向侧设置红外二次成像透镜组。
分光镜3是双曲面半透半反透镜。主镜2为卡塞格林式反射镜，其斜断面面对分光镜3的反射光方向。
所述头罩1、主镜2、分光镜3、红外二次校正成像透镜组的光轴重合。
激光探测器8设置于分光镜3透射光方向侧的焦平面，该焦平面位于头罩1和分光镜3之间。红外探测器9设置于红外二次校正成像透镜组出射光方向的焦平面。
红外和激光两个波段的辐射光透过头罩1达到主镜2后反射至分光镜3，在分光镜3右侧反射面处，激光辐射直接透射后向左传播到达激光探测器滤光片及接收镜头，红外波段在分光镜3右侧表面直接反射，向右传播经过红外二次校正成像透镜组后到达红外探测器。
其中共孔径***的分光镜3元件基底材料采用成都光明H-K9L，其外形为球面和非球面组合设计，表面镀有二向色系的分光膜，实现长波红外(8～12um)反射光路与激光(1.064um)透射光路的组合，分光面膜层一共26层，总厚度16.8um，红外平均反射率90％以上，激光平均透过率98％以上；主镜镀金膜来实现更高的全波段反射率，长波红外为高反射，充分利用了主次镜空间来实现光学大入瞳设计(红外入瞳66mm，激光入瞳52mm)。
其中，头罩1材料采用蓝宝石，厚度为5mm，耐腐蚀、耐冲击、耐气动热，为了保证光学***能够适应各种工作环境，在结构中引入同心光学头罩，头罩球心位于主镜63.4mm位置，具有足够的回转空间。
主反射镜2材料采用K9玻璃，镀金膜实现激光和红外高反射率，达99.5％以上，尺寸80mm，其前表面有斜断面，弱化边缘视场光线。
优选的，分光镜3的基底材料采用成都光明H-K9L，用于1.064um波段接收***，前表面镀有二向色系的分光膜，前表面面型为非球面。后面采用1.064um窄带滤光片，配合接收镜组，镜片口径52mm，提高激光入瞳接收能量，减小汇聚镜片。分光面膜层一共26层，总厚度16.8um，红外平均反射率90％以上，后面采用二次成像降低入瞳提高以及减少透镜数量带来的杂散光和鬼像抑制。
为二次校正成像透射式镜组包括透镜4、5、6、7，其中透镜4和透镜7是两个非球面，采用IRG204、IRG209硫系玻璃，透镜5是衍射面，透镜6为球面，这两片透镜材料采用ZNSE、Germanium材料，利于增大视场角并减小杂散光，避免形成聚焦点或聚焦斑；采用非球面及衍射面，降低发生鬼像二次反射出现的概率；镀膜工艺上，采用离子束辅助工艺提高膜层折射率均匀性，辅以厚度误差补偿技术。机械隔圈及镜筒材料为殷钢，热膨胀系数较小，仅为1.3×10-6K-1。实现在-40-60℃的无热化设计。
本发明依据R-C模型建立小型化、集成化和稳定性光学结构，对红外光学***进行近轴光线追迹，光学遮拦比、分光镜的横向放大倍率、主镜曲率半径、分光镜的曲率半径以及两反射镜与光轴交点距离计算如下：
主镜2、分光镜3的遮拦比为α，
分光镜3的横向放大倍率为β2，
主镜2半径为r1，
分光镜3半径为r2，
光轴出射方向主镜2与光轴交点与分光镜3与光轴交点之间的距离为d，
如图2所示，其中，f1'为主镜2焦距、F1’为主镜2焦点、f2'为分光镜3透射焦距，F2’为分光镜3透射焦点，f'为物方到光学***像方(出瞳)焦点F的距离，l2为主镜2焦点F1’到分光镜与光轴交点的距离，l'2为分光镜3与光轴交点到光学***像方焦点F的距离。图2中，h1为物方高度，h2为分光镜透射像方高度，Δ为F1’与F2’之间的距离，b为主镜2与光轴交点到光学***像方(出瞳)焦点F的距离，d为主镜2与光轴交点到分光镜3与光轴交点的距离，d＝l2’-b，x2’为F2’到F的距离，D2为物方到主镜2的距离。
长波红外光学***选用的探测器像素数为384×288，像元尺寸12μm，像面对角线直径为2y'＝5.76mm。视场角取为4.16°×3.12°，按照对角线计算其视场角为2ω＝±2.6°。根据半视场角和半像高计算可得，长波红外光学***的焦距为：
保留红外光学***的共光路部分，即头罩、主镜和分光镜面型参数，将分光镜左侧设置为透射式材料，激光部分与长波红外部分的主镜采用相同大小的孔径，激光接收镜头优化将各个视场的光线集中在APD的光敏面中，侧重对边缘视场的优化。
光学结构的设计需综合考虑光学性能以及空间排布。影响折反式结构光学性能的一个重要因素为遮拦比，遮拦比也可以定义为次镜口径与进入主镜光束口径的比值。对于具有反射镜的红外***而言，小F数和大视场也会对***的遮拦比造成影响。次镜的口径越大，遮拦比越大，会造成***能量减少，同时造成光学衍射极限在中低频下降。通过取不同的遮拦比系数，观察衍射极限在不同频率下的变化趋势，F数取定值0.96，中心波长取10um，遮拦比分别取0、0.15、0.333、0.4和0.6，分析不同遮拦比下MTF(Modulation TransferFunction)衍射极限对空间频率的变化。在没有遮拦的情况下，在50lp/mm处的MTF衍射极限能够达到0.47，随着遮拦比的增加，衍射极限在中频和低频会呈现显著降低。遮拦比降低为0.6时，在50lp/mm处的MTF衍射极限仅能达到0.22。如图3所示。在没有遮拦的情况下，在50lp/mm处的MTF衍射极限能够达到0.47，随着遮拦比的增加，衍射极限在中频和低频会呈现显著降低。
二次校正成像透射式镜组使用多片透射镜片实现对主、次镜残余像差的补偿。传统结构仅仅消除了球差和彗差，由于红外制导成像结构属于大视场角、小F数***，为校正像散、场曲等像差需要引入透射式补偿透镜，透射式透镜可在硫系玻璃、Germanium、ZnSe以及AMTIR-I等材料中进行选择。在折射***和反射***共同优化过程中，需要保证***遮拦比足够小以满足足够的光瞳面积，并且透镜的口径应小于反射镜的直径，避免因透镜机械口径对光线造成遮拦，也便于透射式镜筒与整体反射镜的安装。此外，为避免小F数***边缘视场光线角度过大影响透镜边缘厚度，引入二次成像结构，有利于保持透射镜组中光线的平缓并减小加工透镜加工难度。一次像面处可通过设置消光光阑减小杂散光的影响。
需要说明的是，上文只是对本发明进行示意性说明和阐述，本领域的技术人员应当明白，对本发明的任意修改和替换都属于本发明的保护范围。本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (10)
1.一种双模共轴一体化光学***，其特征在于，包括头罩(1)、主镜(2)、分光镜(3)、二次校正成像透镜组、第一探测器(9)、第二探测器(8)；所述头罩(1)、主镜(2)、分光镜(3)、二次校正成像透镜组的光轴重合；
头罩(1)用于透射光线，分光镜(3)位于头罩(1)出射光方向侧，主镜(2)位于分光镜(3)出射光方向侧，在主镜(2)的出射光方向侧设置二次校正成像透镜组；
分光镜(3)为半透半反透镜；主镜(2)为反射镜，反射镜的反射面面对分光镜(3)的反射光方向；
第一探测器(9)用于接收第一波段的辐射光，其设置于二次校正成像透镜组出射光方向侧的第一焦平面；第二探测器(8)用于接收第二波段的辐射光，其设置于分光镜(3)透射光方向侧的第二焦平面，所述第二焦平面位于头罩(1)与分光镜(3)之间。
2.根据权利要求1所述的双模共轴一体化光学***，其特征在于，第一波段和第二波段的辐射光透过头罩(1)达到主镜(2)后经由所述反射面反射至分光镜(3)，第一波段辐射光在分光镜(3)反射后传播经过二次校正成像透镜组后到达第一探测器(9)，第二波段辐射光经分光镜(3)透射后到达第二探测器(8)。
3.根据权利要求1所述的双模共轴一体化光学***，其特征在于，所述第一波段辐射光为红外光，第二波段辐射光为激光，所述第一探测器(9)用于接收红外光，所述第二探测器(8)用于接收激光。
4.根据权利要3所述的双模共轴一体化光学***，其特征在于，所述分光镜(3)是双曲面半透半反透镜，所述分光镜(3)表面镀有二向色系的分光膜，所述分光膜用于实现第一波长反射光路与第二波长透射光路的组合。
5.根据权利要求1所述的双模共轴一体化光学***，其特征在于，所述主镜(2)为卡塞格林式反射镜，所述卡塞格林式反射镜斜断面作为所述反射面面对分光镜(3)的出射光方向。
6.根据权利要求1所述的双模共轴一体化光学***，其特征在于，所述头罩(1)为同心球罩，所述头罩材料采用蓝宝石。
7.根据权利要求1所述的双模共轴一体化光学***，其特征在于，所述二次校正成像透镜组包括第一非球面镜(4)和第二非球面镜(7)、衍射面镜(5)、球面镜(6)，按光线入射到出射方向以第一非球面镜(4)、衍射面镜(5)、球面镜(6)、第二非球面镜(7)的顺序依次光心同轴排列。
8.根据权利要求1所述的双模共轴一体化光学***，其特征在于，
主镜(2)、分光镜(3)的遮拦比为α，
分光镜(3)的横向放大倍率为β2，
主镜(2)半径为r1，
分光镜(3)半径为r2，
光轴出射方向主镜(2)与光轴交点与分光镜(3)与光轴交点之间的距离为d，
其中，f1'为主镜(2)焦距、f2'为分光镜(3)透射焦距，f'为物方到光学***像方焦点F的距离，l2为主镜(2)焦点F1’到分光镜与光轴交点的距离，l′2为分光镜(3)与光轴交点到光学***出瞳焦点的距离。
9.根据权利要求1所述的双模共轴一体化光学***，其特征在于，所述主镜(2)材料采用K9玻璃，分光镜(3)的基底材料采用成都光明H-K9L材料。
10.根据权利要求1所述的双模共轴一体化光学***，其特征在于，所述第一非球面镜(4)和/或第二非球面镜(7)材料采用IRG204和/或IRG209硫系玻璃；衍射面镜(5)和/或球面镜(6)的材料采用ZNSE和/或Germanium材料。
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2023
- 2023-03-17 CN CN202310260528.1A patent/CN116300070A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116858504A (zh) * | 2023-09-04 | 2023-10-10 | 武汉振光科技有限公司 | 光轴监测*** |
| CN116858504B (zh) * | 2023-09-04 | 2023-12-08 | 武汉振光科技有限公司 | 光轴监测*** |
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