一种红外、激光、毫米波共口径三模导引头光学系统的制作方法

本发明属于光学系统
技术领域：
，涉及一种红外、激光、毫米波共口径三模导引头光学系统。
背景技术：
：越来越多的导引头采用多模复合的制导方式，如红外激光，可见光激光、红外可见光、红外激光毫米波等等。多模复合导引头能够综合利用不同波段探测的优势，提高精确制导武器的打击精度和战场生存能力。毫米波能够穿透烟雾、沙尘等，但易受电磁干扰；而红外成像制导不易干扰，但云雾、烟尘对红外有较强的吸收与衰减，使红外作用距离减小；激光制导是目前制导武器中精度较高的方式，但半主动工作方式需要主动照射配合，且抗干扰及云雾烟尘能力不强。因此，将以上三种制导方式相结合，能够相互弥补各自的不足，适应复杂战场的电磁环境和作战方式，提高武器系统的制导精度。多模导引头的结构形式可以分为分口径模式和共口径模式，传统雷达光学复合头多采用分口径设计。随着复合制导数量的增加，以及头罩技术的发展，为了节省空间多模导引头普遍为共口径设计，并且为了适应毫米波特点，均采用折反式结构，即采用抛物面主镜，使毫米波汇聚到主镜焦点处。同时，激光、红外也能够通过主镜反射，避免了透射式宽光谱色差。毫米波透射光学材料时存在损耗，所以设计时尽量使毫米波较少的透射光学元件，通常位于主镜焦面的处。而红外通道对成像质量有一定的要求，需要多个透镜对像差进行校正，通常位于次镜之后。而激光只接受能量，保证光斑均匀即可，因此，激光接收的位置决定了三模导引头整体的布局方案。美国专利us6606666将主反射镜分区域，设置不同的曲率，用于分离不同波段。主镜内环为抛物面，毫米波和红外经过主反射镜反射后，在次镜处分光，毫米波直接透过次镜在主镜焦点处汇聚，而红外则经过次镜反射后，通过红外中继透镜组后成像。激光则通过主镜外环不同曲率区域反射后，到达头罩与毫米波模块之间的激光透镜组，最后汇聚成光斑。这种光路形式可有效的压缩系统的总体长度，但是，主镜分区域对加工、检测带来难题。同时，次镜处包含毫米波馈源、激光透镜组和四象限探测器模块，使得负载较重，给伺服控制系统带来难题；长期存储、使用过程中极易使得次镜发生位移，影响成像质量。美国专利us6924772主反射镜没有划分不同区域，其激光和毫米波位于次镜与头罩之间，激光通道选用特殊的棱镜和光波导器件将光斑划分为四个区域导出到径向，毫米波则穿过激光组件在主镜焦面处汇聚。该方案需要特殊的激光传输器件，存在很大的遮拦，影响系统的能量利用效率。美国专利us8829404光路相对简单，红外和毫米波共口径设计，采用卡式结构，激光接收设置单独的通道，位于次镜和头罩之间。该方案限制了激光通道的口径，难以保证激光接收的能量，影响激光导引能力。可以看出现有的红外/激光/毫米波三模导引头，都是将激光接收、毫米波收发位于次镜与头罩之间，红外接收位于次镜之后。如果将红外、激光均置于次镜后端，仅毫米波位于次镜之前可以，有效减轻次镜处的负载，提升系统的稳定性、可靠性。红外和激光的分光方式则更加高效，而该方案的难点在于在有限的空间内，光学设计需要兼顾红外和激光的不同要求；在次反射镜处实现毫米波的透射，红外激光的反射，需要镀制宽光谱介质膜。技术实现要素：(一)发明目的本发明的目的是：提供一种红外、激光、毫米波共口径三模导引头光学系统，在有限的空间内，减轻次镜处的负载，提升系统成像质量的稳定性。(二)技术方案为了解决上述技术问题，本发明提供一种红外、激光、毫米波共口径三模导引头光学系统，其包括头罩1、主镜2、次镜3、毫米波馈源4、波导5、毫米波收发模块6、目镜组7、平板分光镜8、激光通道9、红外通道10；从左至右，头罩1、毫米波馈源4、次镜3、主镜2依次同轴布置，目镜组7同轴布置在主镜2的中心开孔内，平板分光镜8布置在目镜组7的右侧，毫米波馈源4通过波导5连接毫米波收发模块6；红外、激光和毫米波三个波段的辐射透过头罩1到达主镜2后反射至次镜3，在次镜3右侧反射面处，毫米波直接透射后向左传播到达毫米波馈源4，再经过波导5传送至毫米波收发模块6；红外与激光在次镜3右侧表面反射，向右传播透射目镜组7后，在平板分光镜8处，激光反射到激光通道9，红外直接透射到达红外通道10。其中，所述头罩1材料选择多光谱硫化锌，其外形设计为等厚。其中，所述主镜2材料采用铝合金，其前表面为抛物反射面，镀全波段反射膜。其中，所述次镜3材料为石英，其外形为等厚设计，其右侧反射面镀制宽光谱介质反射膜，该膜层对长波红外、激光反射，毫米波直接透射。其中，所述毫米波馈源4用于接收、发射毫米波信号，其位于头罩1和次镜3之间，由四根波导5同时固定毫米波馈源4和次镜3。其中，所述目镜组7包括由左至右依次同轴布置的目镜i、目镜ii、目镜iii，目镜i采用多光谱材料硫化锌，目镜ii和目镜iii采用硒化锌。其中，所述目镜i的前表面和目镜ii的后表面为高次非球面。其中，所述平板分光镜8材料为硫化锌。其中，所述激光通道9包括沿激光通道光轴依次布置的窄带滤光片和激光物镜i、激光物镜ii，窄带滤光片材质为hwb850，激光物镜i和激光物镜ii材质为h-zf7la。其中，所述红外通道10包括沿红外通道光轴依次布置的红外物镜i、红外物镜ii，红外物镜i的前表面为高次非球面，红外物镜i材质为ge，红外物镜ii材质为zns。(三)有益效果上述技术方案所提供的红外、激光、毫米波共口径三模导引头光学系统，可用于各种类型的精确制导武器。减小了次镜处的负载，能够有效提升系统成像质量的稳定性；优化头罩和次镜的厚度和形状，降低毫米波天线的增益损耗。通过宽光谱介质反射膜合理有效的分光，使得整体布局更加紧凑。附图说明图1是本发明红外激光毫米波共口径三模导引头光学系统组成示意图。图2是本发明红外通道光路示意图。图3是本发明激光通道光路示意图。具体实施方式为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。参阅图1至图3所示，本发明红外、激光、毫米波共口径三模导引头光学系统包括头罩1、主镜2、次镜3、毫米波馈源4、波导5、毫米波收发模块6、目镜组7、平板分光镜8、激光通道9、红外通道10；从左至右，头罩1、毫米波馈源4、次镜3、主镜2依次同轴布置，目镜组7同轴布置在主镜2的中心开孔内，平板分光镜8布置在目镜组7的右侧，毫米波馈源4通过波导5连接毫米波收发模块6；红外、激光和毫米波三个波段的辐射透过头罩1到达主镜2后反射至次镜3，在次镜3右侧反射面处，毫米波直接透射后向左传播到达毫米波馈源4，再经过波导5传送至毫米波收发模块6；红外与激光在次镜3右侧表面反射，向右传播透射目镜组7后，在平板分光镜8处，激光反射到激光通道9，红外直接透射到达红外通道10。其中，头罩1材料选择在长波红外(8μm～12μm)、激光(1.064μm)均有较高透射率的多光谱硫化锌。硫化锌的损耗角正切和介质常数相对较小，对毫米波的吸收和反射小。由于毫米波的波长(8.57mm)与光学元件的厚度在同一量级，所以在设计时要考虑光学元件厚度对其透过率的影响。参考平行平板的多光束干涉频率选择特性，可以得到对毫米透过率最大的元件厚度d＝mλm/2ncosθ，m为正整数，λm为毫米波波长，n为材料在毫米波波段的等效折射率，θ为入射角。为了保证头罩毫米波透过率的均匀，将其外形设计为等厚，且曲率尽可能大，使入射角θ变化较小。当毫米波正入射头罩时θ＝0，其厚度d＝1.5*m。结合头罩的口径160mm，可确定m的取值。本实施例取m＝4，则硫化锌头罩厚度d＝6mm，其前后表面的曲率半径见表1。主镜2采用铝合金，其前表面为抛物反射面，镀高效全波段反射膜，具体参数见表1。次镜3材料为石英，为保证毫米波高效透射，其外形也为等厚设计，厚度计算与头罩类似。在其右侧反射面镀制宽光谱介质反射膜，该膜层对长波红外、激光反射，毫米波直接透射。反射面面型参数见表1。毫米波馈源4用于接收、发射毫米波信号，其位于头罩和次镜之间，由四根波导5固定。波导5将接收到的毫米波信号传输至主镜后端的收发模块6。波导5同时用于固定馈源和次镜。目镜组7采用多光谱材料硫化锌和硒化锌。本实施例中目镜组由目镜i、目镜ii、目镜iii组成，为了校正像差，目镜i的前表面和目镜ii的后表面为高次非球面，具体系数见表2。平板分光镜8位于平行光路，材料为硫化锌。激光通道9，由窄带滤光片和激光物镜i、激光物镜ii组成。红外通道10由红外物镜i、红外物镜ii组成，红外物镜i的前表面为高次非球面，具体参数见表1、表2。本实施例主、次镜之间无金属结构件，可进一步减少毫米波天线的增益损耗。表1表2abcd目镜1-4.2810e-6-2.3941e-72.6329e-9-1.5993e-11目镜27.0414e-54.0927e-76.4671e-9-2.5329e-11红外物镜1-3.5259e-62.3390e-9-1.2201e-110以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本
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的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。当前第1页12