用于导弹探测识别的大视场光学成像方法及其系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于导弹探测识别的大视场光学成像方法及其系统。该光学系统搭载于导弹，用于对目标的探测与识别。它包括光学玻璃球罩、两块折叠平面反射镜、带通滤光片、电控光阑和改进型的匹兹万结构物镜；改进型的匹兹万结构物镜由两组双胶合透镜组和一片弯月透镜构成。该系统采用两块折叠平面镜，减小了系统长度，安装与装调容易，稳定性好；在满足导弹预留空间要求的同时，能有效降低杂光系数。系统工作于宽波段和宽温度范围，通过选择合理的玻璃材料，减小色差和与视场相关的像差。本发明采用折反射式的光学结构，简单紧凑，适用于较宽的近红外波段，适应温度范围广，具有色差小、消热差能力强、畸变小、成像性能优等特点。
【专利说明】用于导弹探测识别的大视场光学成像方法及其系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种搭载于导弹的光学系统，特别涉及一种采用折反射结构的、工作于近红外波段的、大视场、大口径、非成像光线抑制性能好的、目标跟踪识别用的光学成像方法及其系统。
【背景技术】
[0002]大视场低杂光目标捕获和跟踪识别的高性能光学系统，是保证飞行器、航天器等的目标捕获精度和提高其探测识别效率的重要部件。随着探测领域的扩展，受工作波段的限制和强的非成像光线干扰，普通光学系统很难同时实现对近红外波段弱目标捕获、精确跟踪与快速识别。
[0003]参见附图1，它是导弹跟踪识别工作模式时的工作原理示意图；大视场光学系统安装于导弹上，地物太阳光反射光经过导弹上的大视场光学系统后，在探测器的光敏面上形成光学像，由电子电路采集，经图像处理后输出捕获的目标图像，通过与图库数据的对t匕，实现对地物目标的精确捕获、跟踪、识别和探测。
[0004]光学系统成像性能和非成像光线抑制性能，即光学系统成像质量与杂光抑制性能密切相关。非成像光线即杂光，是制约光学系统成像质量的主要因素之一，根据在不同能见度条件下，对光学系统地面反射辐亮度和大气背景辐亮度进行计算，发现在可见光波段，大气背景辐亮度大于地面反射辐射亮度，信号被淹没，而在近红外波段(700nm?IOOOnm)地面反射辐亮度大于大气背景辐亮度，目标信号能够被探测。因此，光学系统工作于近红外波段有利于降低非成像光线的干扰。另外，为提高目标捕获效率，要求系统视场大，即要求系统同时具有宽工作波段、大视场和强的非成像光线抑制性能。宽波段和大视场会分别导致色差和畸变，大视场还会产生严重的非成像光线，影响成像性能。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的问题是针对现有技术存在的不足，提供一种结构简单紧凑、适用波段宽、杂光抑制性能强、成像性能优的用于导弹探测识别的大视场光学成像方法及其系统。
[0006]实现本发明目的的技术方案是提供一种用于导弹探测识别的大视场光学成像方法，它采用折反射式光学成像方法，包括如下步骤:将视场内光线成像于折叠平面反射镜，得到的成像光束反射后再进行滤光，经像差校正和聚焦成像，在CCD探测器的焦平面上得到光学像。
[0007]本发明技术方案还包括提供一种用于导弹探测识别的大视场光学成像系统，它为折反射光学系统，采用同轴折射结构，沿光线入射方向的光学元件依次为:弯月形球面负透镜、折叠平面反射镜、折叠平面反射镜、光学滤光片、改进型的匹兹万结构物镜、CCD保护玻璃和像面，所有光学元件安装于同一个镜筒内；所述的改进型的匹兹万结构物镜用于对反射后再经滤光的成像光束进行像差校正和聚焦成像，改进型的匹兹万结构物镜包括第一双胶合透镜组、第二双胶合透镜组和一块弯月形球面透镜，所述的第一双胶合透镜组由正透镜和负透镜构成，第二双胶合透镜组由正透镜和负透镜构成，弯月形球面透镜的弯曲方向为背向像面；所述弯月形球面负透镜、第一双胶合透镜组的正透镜和负透镜、第二双胶合透镜组的正透镜和负透镜、弯月形球面透镜的焦距，它们相对于大视场光学系统焦距的归一化值分别依次对应为F'1 F'511、f;512、f'521 , f'522 ,f'53，满足条件-348≤-343、0.89 ≤f511 ≤0.92,-1.13 ≤ f'5l2 ( -L 08,0.62 ≤ f'2l ≤0.65,-2.51 ^ f\22 ( -2.48、-
1.14≤/?-1.09 ;它们所用材料的折射率分别依次对应为/^fl511J512、/?521、/?522、和/?53，满足条件 1.45 ^≤1.56,1.45 ≤n511 ≤1.56,1.73 ≤n512 ( 1.78,1.60 ^n521 ( 1.65、1.72 ^n522 ( 1.77,1.71 ^/?53 ( 1.76。
[0008]本发明所述大视场光学系统的镜筒长度L为127mm≤L≤131mm ;焦距/为18mm≤f ≤ 21mm ;视场ω为0°≤ω≤25° ;杂光系数Π为0.35% ^ n ^ 0.75%。
[0009]本发明提供的用于导弹探测识别的大视场光学成像系统，由于采用了折反射式光学成像方法，在很宽的工作温度范围内实现好的成像性能。大视场系统的光焦度主要由改进型的匹兹万系统和弯月形球面负透镜提供，两块折叠平面反射镜主要作用是改变光线传播方向，并有效减小系统的尺寸。弯月形球面负透镜首先将视场内光线成像至折叠平面反射镜，由平面反射镜反射后，成像光束孔径已大大减小，有利于减小后续光路中光学元件的口径尺寸，减小球差；成像光束再经平板光学滤光片后，进入改进型匹兹万系统，在原两组双胶合透镜基础上，引入一块弯月形透镜，且弯月形小透镜靠近像面，有利于减小与视场有关的像差。两组双胶合透镜相邻的面弯曲方向相反，有利于减小像散。通过合理选择双胶合透镜组玻璃材料组合，实现宽波段消色差。本发明提供的大视场成像系统，通过采用光路转折，可减小共光轴光路前后表面的反射引起的杂光；采用平板光学滤光片，通过镀制截止效果好的带通滤光片，抑制非工作波长光线进入像面的作用，对杂光抑制起到很关键的作用；另外，像面附近引入的弯月形透镜，弯曲方向背向像面，可起到降低杂散光在像面上的会聚效果。
[0010]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
1、本发明采用同轴折射结构，通过引入两块平面反射镜，有效减小了光学系统的长度，系统结构简单，安装与装调容易，稳定性好。
[0011]2、本发明提供的光学系统的视场为0° ≤ ω ≤25°，可探测范围广，探测识别成功率高；光学系统的杂光系数0.35% ≤ n ≤0.75%，杂光抑制性能好，可提高识别精度，降低误识别率。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是导弹跟踪识别工作模式时的工作原理示意图；
图2是本发明实施例提供的用于导弹探测识别的大视场光学成像系统的光路图；
图3是本发明实施例提供的改进型的匹兹万结构物镜的结构示意图；
图4~5本发明实施例提供的用于导弹探测识别的大视场光学成像系统的调制传递函数曲线；
图6是本发明实施例提供的用于导弹探测识别的大视场光学成像系统的畸变曲线；
图7是本发明实施例提供的用于导弹探测识别的大视场光学成像系统像面的光线追迹点列图；
图8是本发明实施例提供的用于导弹探测识别的大视场光学成像系统的能量集中度曲线；
图9是本发明实施例提供的用于导弹探测识别的大视场光学成像系统的相对照度曲
线.图10是本发明实施例提供的用于导弹探测识别的大视场光学成像系统的鬼像分析图像。
[0013]图中:1、弯月形球面负透镜；2、第一转折平面反射镜；3、第二转折平面反射镜；4、平行平板滤光片；5、改进型的匹兹万结构物镜；511、第一双胶合组正透镜；512、第一双胶合组负透镜；521、第二双胶合组正透镜；522、第二双胶合组负透镜；53、弯月形球面透镜；
6、CXD保护玻璃；7、光学成像系统的像平面。
【具体实施方式】
[0014]下面结合附图和实施例对发明的实施方案作进一步的具体阐述。
[0015]实施例1
本实施例的技术方案是提供一种用于导弹探测识别用大视场光学成像系统，它的工作波段为0.72 μ m~1.(^111，系统？数为？/#=3.0，全视场角17.5度。
[0016]参见附图2和3，它们是本实施例提供的用于导弹探测识别的大视场光学成像系统的光路图和改进后的匹兹万物镜的结构示意图；由图2可以看出，该成像光学系统由两块平面反射镜和七块透镜构成，沿光线入射方向，依次为弯月形球面负透镜1、折叠平面反射镜2、折叠平面反射镜3、光学滤光片4、改进型的匹兹万结构物镜5的第一双胶合透镜组51、第二双胶合透镜组52和一块弯月形球面透镜53构成，双胶合透镜组51由正透镜511和负透镜512构成，第二双胶合透镜组52由正透镜521和负透镜522构成，光学成像系统的像平面7位于焦平面探测器的光敏面上，6是焦平面探测器的CCD保护玻璃面。大视场系统光栏位于改进型匹兹万结构物镜与光学滤光片之间，大视场系统光焦度基本由弯月形球面负透镜I和改进型匹兹万结构物镜5承担，弯月形球面负透镜主要对光学系统起保护作用。
[0017]由图3的改进后的匹兹万物镜的结构示意图中可以看出；在匹兹万结构的两组双胶合透镜基础上，在两双胶合镜组与像面之间，引入一块弯月形球面透镜53，它的弯曲方向为背向像面，且该弯月形球面透镜靠近像平面，可用作场校正，减小与视场相关的像差。
[0018]本实施例提供的大视场光学系统中，对应各光学兀件的相关参数如下:系统的焦距为20mm，弯月形球面负透镜1、第一双胶合组正透镜511、第一双胶合组负透镜512、第二双胶合组正透镜521、第二双胶合组负透镜522和弯月形球面透镜53的曲率半径依次分别为 140.0mm> 131.5m、_10.0mm> -5.5mm> -10.lmm> 11.5mm> -22.lmm> -58.9mm> -6.4mm.-11.3mm ;沿光线入射方向，各透镜的厚度依次为8.5mm、2.0mm、3.0mm、2.7mm、2.8mm、2.6mm ;各透镜的折射率依次为 1.52、1.55、1.75、1.61、1.76、1.75。
[0019]为克服导弹舱实际使用条件限制，本发明一方面在透镜I与匹兹万物镜5之间引入两块折叠反射镜，整个系统长度仅100mm，为无折叠镜系统的三分之二，大大减小整个光学系统的尺寸；并且通过光路转折，可有效降低光学系统的杂散光影响；另一方面，将匹兹万物镜设计在靠近像面的位置，物镜口径小、球差校正难度小；弯月形负透镜I与匹兹万物镜靠近光栏的镜片都弯向光栏设计，整个系统结构上具有一定的对称性、有利于垂轴像差的校正；采用胶合透镜，通过选择合理匹配的光学材料，可减小色差，最后一片弯月形透镜53用于校正场曲。
[0020]参见附图4和图5，它们分别是本实施例所描述的光学成像系统在物距为无穷远和2km处不同视场的调制传递函数(MTF)曲线。
[0021]本实施例提供的用于导弹探测识别的大视场光学成像系统各个视场在不同温度
【权利要求】
1.一种用于导弹探测识别的大视场光学成像方法，其特征在于采用折反射式光学成像方法，包括如下步骤:将视场内光线成像于折叠平面反射镜，得到的成像光束反射后再进行滤光，经像差校正和聚焦成像，在CXD探测器的焦平面上得到光学像。
2.一种用于导弹探测识别的大视场光学成像系统，其特征在于它为折反射光学系统，采用同轴折射结构，沿光线入射方向的光学元件依次为:弯月形球面负透镜(I)、折叠平面反射镜(2)、折叠平面反射镜(3)、光学滤光片(4)、改进型的匹兹万结构物镜(5)、C⑶保护玻璃(6)和像面(7)，所有光学元件安装于同一个镜筒内；所述的改进型的匹兹万结构物镜用于对反射后再经滤光的成像光束进行像差校正和聚焦成像，改进型的匹兹万结构物镜包括第一双胶合透镜组(51)、第二双胶合透镜组(52)和一块弯月形球面透镜(53)，所述的第一双胶合透镜组由正透镜(511)和负透镜(512 )构成，第二双胶合透镜组由正透镜(521)和负透镜(522)构成，弯月形球面透镜(53)的弯曲方向为背向像面；所述弯月形球面负透镜、第一双胶合透镜组的正透镜和负透镜、第二双胶合透镜组的正透镜和负透镜、弯月形球面透镜的焦距，它们相对于大视场光学系统焦距的归一化值分别依次对应为f，'、f，511、f512、f 521、f 522、f 53，满足条件-348 ( f1≤ -343,0.89 ≤ f\n ( 0.92,-1.13 ≤ f\l2 ≤-1.08、0.62 ≤r521 ≤0.65,-2.51 ≤尸522 ≤-2.48,-1.09 ;它们所用材料的折射率分别依次对应为n?1、/?511、/?512、《521、《522、和/753，满足条件 1.45 ≤Iil ≤ 1.56、1.45 ≤fl511 ( 1.56、1.73≤n?512 ≤1.78,1.60 ≤n521 ≤ 1.65,1.72 ≤n522 ≤1.77,1.71 ≤n?53 ≤ 1.76。
3.根据权利要求2所述的一种用于导弹探测识别的大视场光学成像系统，其特征在于:它的焦距/为18臟≤f ≤21臟。
4.根据权利要求2所述的一种用于导弹探测识别的大视场光学成像系统，其特征在于:它的视场ω为0°≤ ω ≤25°。
5.根据权利要求1所述的一种用于导弹探测识别的大视场光学成像系统，其特征在于:它的镜筒长度L为127mm≤ L ≤ 131_。
6.根据权利要求1所述的一种弹载探测识别用的大视场光学系统，其特征在于:它的杂光系数η为0.35%≤ n ≤ 0.75%。
【文档编号】G02B27/00GK103513409SQ201310522502
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年10月29日 优先权日:2013年10月29日
【发明者】季轶群, 石荣宝, 周建康, 王岩 申请人:苏州大学