本發(fā)明屬于紅外光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種寬波段制冷紅外折反射全景鏡頭。

背景技術(shù)：

由曲面反射鏡和折射光學(xué)透鏡組成的折反射全景成像系統(tǒng)是一種僅使用單個面陣探測器即可實(shí)現(xiàn)大視場成像系統(tǒng)。與此類似的有采用魚眼鏡頭的魚眼相機(jī)，然而魚眼鏡頭的視場一般很難超過180°，而且魚眼鏡頭對大視場光線的彎折主要發(fā)生在第一面透鏡處，會帶來嚴(yán)重的色散。相比之下，折反射全景成像系統(tǒng)的光線彎折主要發(fā)生在第一個曲面反射鏡上，這樣能有效減少色散的發(fā)生，使系統(tǒng)能以簡單結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)更大視場，在最近十幾年已廣泛應(yīng)用于機(jī)器人導(dǎo)航、街景拍攝、視頻監(jiān)控、計(jì)算機(jī)視覺等領(lǐng)域。

相比可見光波段，紅外波段的折反射全景成像系統(tǒng)的研究起步較晚，從2005年appliedscienceinnovations公司的viperview折反射全景紅外成像儀才開始有報道。目前折反射全景紅外成像系統(tǒng)主要應(yīng)用于全景成像探測與跟蹤、周邊態(tài)勢感知等。當(dāng)前局部戰(zhàn)爭中的威脅源種類多樣化，而且來自不同的方向和位置，如地面槍械/火箭彈、防空導(dǎo)彈、空中有人或無人飛行平臺的導(dǎo)彈等。折反射全景紅外成像系統(tǒng)不需要運(yùn)動掃描機(jī)構(gòu)、僅使用單個面陣焦平面探測器即可實(shí)現(xiàn)360°水平視場、大垂直視場的成像，在時間上實(shí)時地、在空間上無縫地探測、搜索和分析全景視場內(nèi)的目標(biāo)，對于信息化程度越來越高的現(xiàn)代戰(zhàn)爭尤為重要。信息化戰(zhàn)爭要求作戰(zhàn)平臺具備廣域態(tài)勢信息獲取能力，而且每個作戰(zhàn)平臺作為信息節(jié)點(diǎn)，與其它作戰(zhàn)平臺一起形成綜合評價威脅源信息和戰(zhàn)場態(tài)勢的信息網(wǎng)絡(luò)。結(jié)構(gòu)簡單、成本低、小型化的優(yōu)勢使折反射全景紅外成像系統(tǒng)適合于不同的作戰(zhàn)平臺，因此，無論從廣域?qū)崟r探測的角度，還是從信息化戰(zhàn)爭的角度，折反射全景紅外成像系統(tǒng)均具有很大的應(yīng)用價值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供一種寬波段制冷紅外折反射全景鏡頭，該鏡頭在保證大視場的前提下，可以滿足在光闌后置情況下的像差消減。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種寬波段制冷紅外折反射全景鏡頭，包含二次曲面反射鏡和透鏡組，所述二次曲面反射鏡和透鏡組共用同一光軸，且透鏡組處于二次曲面反射鏡的下方或上方；所述透鏡組由第一折射鏡、第二折射鏡、第三折射鏡、第四折射鏡和第五折射鏡構(gòu)成，其中第一折射鏡為等厚透鏡，第二折射鏡和第三折射鏡為厚透鏡，第四折射鏡和第五折射鏡為包含非球面的透鏡；

在二次曲面反射鏡、第一折射鏡、第二折射鏡、第三折射鏡、第四折射鏡和第五折射鏡之間形成光線傳輸通路。

進(jìn)一步地，本發(fā)明所述第一折射鏡、第二折射鏡和第三折射鏡的材質(zhì)為硒化鋅(znse)或氟化鎂(mgf2)。

進(jìn)一步地，本發(fā)明所述第四折射鏡的入射面為非球面、出射面為球面，所述第五折射鏡的入射面為球面，出射面為非球面。

一種寬波段制冷紅外折反射全景鏡頭的成像方法，為強(qiáng)輻射源方向測量模式，即工作波段為1μm～3μm時，采用透鏡組整體朝探測器方向移動來優(yōu)化對焦面。

有益效果：

第一，本發(fā)明設(shè)計(jì)了紅外制冷型折反射全景鏡頭，制冷型系統(tǒng)的優(yōu)勢是能獲得更好的成像質(zhì)量，不過需要將整個系統(tǒng)的孔徑光闌置于冷屏處，也就是孔徑光闌位于整個系統(tǒng)的后方，但是這很大程度將增加折反射全景鏡頭的像差優(yōu)化難度，本發(fā)明提供了一種合適的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)這種光闌后置情況下的紅外折反射全景鏡頭的像差消減。

第二，本發(fā)明的折反射全景鏡頭與已有的折反射系統(tǒng)(基本用于望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì))的差異體現(xiàn)在：后者的投影特點(diǎn)與常規(guī)光學(xué)系統(tǒng)一樣，滿足透視投影模型，并且視場小，場景都被系統(tǒng)投影在探測器中央；而本發(fā)明的折反射全景鏡頭是一種環(huán)形投影成像，通過將系統(tǒng)豎直放置，將周圍環(huán)形場景的景物投影在探測器的一個圓環(huán)帶上，具有大視場的特點(diǎn)優(yōu)勢。

第三，本發(fā)明的折反射全景鏡頭與已有的全景系統(tǒng)的差異體現(xiàn)在：后者通常由多個常規(guī)相機(jī)環(huán)繞組成，或者由一個反射腔收集并會聚大視場下不同景物發(fā)出的光線，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜；而本發(fā)明中的折反射全景鏡頭通過單個曲面反射鏡和折射透鏡組的組合實(shí)現(xiàn)周視大視場下的凝視成像，具有以簡單結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)更大視場的優(yōu)勢。

第四，本發(fā)明設(shè)計(jì)的紅外全景鏡頭f數(shù)小，便于構(gòu)建高靈敏度的紅外全景成像系統(tǒng)。

附圖說明

圖1本發(fā)明的寬波段制冷紅外折反射全景鏡頭；

圖2本發(fā)明獲得的全景圖像；

圖3強(qiáng)輻射源方向測量時透鏡組微移方法；

圖4中波紅外成像的光路圖；

圖5中波紅外成像時的mtf；

圖6中波紅外成像時的畸變及場曲；

圖7中波紅外成像時的彌散斑；

圖8強(qiáng)輻射源方向測量模式的光路圖；

圖9強(qiáng)輻射源方向測量的mtf；

圖10強(qiáng)輻射源方向測量的畸變及場曲；

圖11強(qiáng)輻射源方向測量的彌散斑。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖并舉實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。

目前寬波段(工作波段在1μm～5μm)制冷紅外折反射全景鏡頭的設(shè)計(jì)存在三大難點(diǎn)，首先制冷紅外探測器具有冷光闌結(jié)構(gòu)，為了充分發(fā)揮冷光闌的效益，必須以該冷光闌為全景鏡頭的孔徑光闌，這樣孔徑光闌就必需設(shè)置在整個鏡頭的后部，這與一般光學(xué)設(shè)計(jì)時追求的鏡頭前后元件相對稱相悖，所以會增大像差優(yōu)化的難度。其次大視場軸外光束在透鏡組上的投射高和入射角較大，導(dǎo)致慧差、場曲、畸變、垂軸色差等像差都很大，為校正這些像差，需要設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)。再者，設(shè)計(jì)需要滿足1μm～5μm超寬工作波段范圍的要求，一般的可見光材料在中波紅外波段的透過率會快速下降，而鍺單晶、硅單晶等常用的高折射紅外材料則在短波紅外波段的透過率快速下降，所以都不滿足本設(shè)計(jì)1μm～5μm寬波段的需要。

如圖1所示，本發(fā)明一種寬波段制冷紅外折反射全景鏡頭，包含二次曲面反射鏡和透鏡組，所述二次曲面反射鏡和透鏡組共用同一光軸，且透鏡組處于二次曲面反射鏡的下方或上方；所述透鏡組由第一折射鏡、第二折射鏡、第三折射鏡、第四折射鏡和第五折射鏡構(gòu)成，其中第一折射鏡為等厚透鏡，第二折射鏡和第三折射鏡為厚透鏡，第四折射鏡和第五折射鏡為包含非球面的透鏡；在二次曲面反射鏡、第一折射鏡、第二折射鏡、第三折射鏡、第四折射鏡和第五折射鏡之間形成光線傳輸通路。

本發(fā)明獲得紅外全景圖像的過程為：360°水平視場、大垂直視場的寬波段紅外輻射經(jīng)二次曲面反射鏡反射后，依次進(jìn)入圖1中的折射鏡2至6，最終聚焦在制冷紅外焦平面探測器上，在探測器內(nèi)切圓上形成圓形的圖像，如圖2所示。

本發(fā)明采用二次曲面反射鏡將360°水平視場、大垂直視場的紅外輻射反射至第二折射鏡中，其優(yōu)點(diǎn)是在改變光束傳播方向的同時不產(chǎn)生色差，包括軸向色差和放大率色差，但帶來的問題是正畸變非常大。本發(fā)明第二折射鏡采用為一個等厚透鏡，部分補(bǔ)償二次曲面反射鏡引起的正畸變。同時，為發(fā)揮制冷紅外焦平面探測器組件冷光闌的效益，將冷光闌作為紅外全景鏡頭的孔徑光闌，這樣孔徑光闌就固定在整個鏡頭的后部，因此，設(shè)計(jì)了一片厚透鏡(第二折射鏡)將鏡頭的主平面后移。本發(fā)明第三折射鏡也是一片厚透鏡，其作用是產(chǎn)生正場曲，補(bǔ)償?shù)诙凵溏R(即第1片厚透鏡)產(chǎn)生的負(fù)場曲。第四折射鏡和第五折射鏡為分別包含一個非球面表面的透鏡，用于補(bǔ)償殘余的弧矢場曲、子午場曲、畸變和慧差。

本發(fā)明提供的寬波段制冷紅外折反射全景鏡頭的性能和功能為：工作波段1μm～5μm，水平視場360°，具備中波紅外成像(3μm～5μm)和強(qiáng)輻射源方向測量(1μm～3μm)兩種工作模式，中波紅外成像時的垂直視場為-3°～+40°、像質(zhì)評價以mtf為標(biāo)準(zhǔn)，在20lp/mm時mtf不小于60％。強(qiáng)輻射源方向測量時的垂直視場為-11.5°～+40°，最高水平角分辨力和最高垂直角分辨力均不大于7mrad/pixel。強(qiáng)輻射源方向測量精度由縮小可變光闌和透鏡組整體向探測器方向微移來實(shí)現(xiàn)?？勺児怅@安裝在透鏡組與制冷紅外焦平面探測器藍(lán)寶石窗口之間，有全開和縮小兩態(tài)，在中波紅外成像模式下為全開態(tài)，不發(fā)揮作用。在強(qiáng)輻射源方向測量模式下為縮小態(tài)，該狀態(tài)時通光口徑尺寸為2mm，此時等價于提高系統(tǒng)f/#，有效減小不同視場入射光束的會聚彌散斑大小。為進(jìn)一步減小彌散斑大小，在強(qiáng)輻射源方向測量模式下同時采用透鏡組整體朝探測器方向移動來優(yōu)化對焦面，如圖3所示，而且這種移動可以保證光學(xué)系統(tǒng)的整體長度不變，對二次曲面反射鏡和紅外探測器組件也不產(chǎn)生影響，便于技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

本發(fā)明的寬波段制冷紅外折反射全景鏡頭可建立360°水平視場、大垂直視場的寬波段(1μm～5μm)凝視紅外全景成像和強(qiáng)輻射源方向測量系統(tǒng)，具有視場大、色差小、響應(yīng)波段寬、透過率高、體積緊湊、成本低等的優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明所述第一折射鏡、第二折射鏡和第三折射鏡的材質(zhì),如圖1所示，透鏡材料選擇加工工藝性好，在1μm～5μm透過率較高的硒化鋅(znse)和氟化鎂(mgf2)。

實(shí)施例1

針對像元規(guī)模512×512、像元中心距30μm、工作波段1μm～5μm、制冷溫度77k的鉑硅紅外焦平面探測器，設(shè)計(jì)f#為1.4、等效焦距6mm、工作波段1μm～5μm的折反射紅外全景鏡頭，并具備中波紅外成像(3μm～5μm)和強(qiáng)輻射源方向測量(1μm～3μm)兩種工作模式，具體性能參數(shù)為：

(1)等效焦距：6mm

(2)強(qiáng)輻射源方向測量波段范圍：1μm～3μm

(3)中波紅外成像波段范圍：3μm～5μm

(4)水平視場：360°

(5)強(qiáng)輻射源方向測量時的垂直視場：-11.5°～+40°

(6)強(qiáng)輻射源方向測量的最高水平角分辨力：<6mrad/pixel

(7)強(qiáng)輻射源方向測量的最高垂直角分辨力：<7mrad/pixel

(8)中波紅外成像時的垂直視場：-3°～+40°

(9)中波紅外成像mtf:>60％@20lp/mm

(10)光學(xué)系統(tǒng)平均透過率：75％

所設(shè)計(jì)的光學(xué)元件表面參數(shù)如表1所示。

表1本發(fā)明寬波段制冷紅外折反射全景鏡頭的光學(xué)元件表面參數(shù)

表1中所設(shè)計(jì)光學(xué)元件各表面的三級像差見表2。

表2實(shí)施例1中光學(xué)元件各表面的三級像差

中波紅外成像模式時的光路圖、mtf、畸變及場曲、彌散斑分別如圖4、圖5、圖6和圖7所示。

強(qiáng)輻射源方向測量模式時的光路圖、mtf、畸變及場曲、彌散斑分別如圖8、圖9、圖10和圖11所示。

強(qiáng)輻射源方向測量模式進(jìn)垂直角分辨力與水平角分辨力的計(jì)算方法為：

強(qiáng)輻射源方向測量模式下本實(shí)施例在不同垂直視場下的垂直角分辨力與水平角分辨力如表3所示。

表3不同垂直視場下的垂直角分辨力與水平角分辨力

本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)紅外成像和強(qiáng)輻射源方向測量兩種應(yīng)用。

綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。