一種基于像方間接穩(wěn)像的長(zhǎng)波紅外光學(xué)成像系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光學(xué)制導(dǎo)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種長(zhǎng)波紅外光學(xué)成像系統(tǒng)，具體涉及一種基于像方間接穩(wěn)像的長(zhǎng)波紅外光學(xué)成像系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)是超音速導(dǎo)引頭的重要組成部分，具有制導(dǎo)精度高、抗干擾能力強(qiáng)、全天候工作等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)今世界各國(guó)軍事發(fā)展的重點(diǎn)研宄對(duì)象。小型化的超音速導(dǎo)引頭有利于提高制導(dǎo)武器的機(jī)動(dòng)能力，增大彈頭的有效載荷，增強(qiáng)武器的殺傷力，對(duì)未來(lái)軍事戰(zhàn)爭(zhēng)的發(fā)展具有重要作用。因此，在保證紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)小型化的同時(shí)如何實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)大視場(chǎng)搜索與小視場(chǎng)跟蹤的功能成為當(dāng)今制導(dǎo)武器發(fā)展的重點(diǎn)之一。
[0003]如圖1所示，傳統(tǒng)的三軸伺服穩(wěn)定系統(tǒng)包括橫滾框架1、俯仰框架2、方位框架3和紅外熱像儀4，其中橫滾框架I沿Z軸方向安裝在基座上，繞Z軸旋轉(zhuǎn)；俯仰框架2沿X軸安裝在橫滾框架I上，繞X軸旋轉(zhuǎn)；方位框架3沿Y軸安裝在俯仰框架2上，繞Y軸旋轉(zhuǎn)，它們分別由一部直流無(wú)刷力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)。但是三個(gè)框架為外延疊加結(jié)構(gòu)，且均為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)裝置，這使得三軸穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)體積較大，在要求窗口小型化的超音速導(dǎo)引頭系統(tǒng)中難以安裝使用。CN103760670A公開了一種含反射式空間光調(diào)制器的大視場(chǎng)掃描紅外光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由雙二次曲面校正板、消色差旋轉(zhuǎn)雷斯萊棱鏡對(duì)、分光棱鏡、反射式空間光調(diào)制器等沿光軸依次排列組成，其中消色差旋轉(zhuǎn)雷斯萊棱鏡對(duì)可以進(jìn)行大范圍視場(chǎng)掃描，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的大視場(chǎng)搜索；分光棱鏡可以對(duì)光路進(jìn)行折轉(zhuǎn)，從而可以減小光學(xué)系統(tǒng)體積。但是消色差旋轉(zhuǎn)雷斯萊棱鏡對(duì)是利用旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)掃描搜索的，它無(wú)法根據(jù)已發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的位置調(diào)整其航向與俯仰角度，以使目標(biāo)始終位于成像視場(chǎng)中心，故無(wú)法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行小視場(chǎng)范圍跟蹤。所以，在滿足系統(tǒng)小型化的同時(shí)如何實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)大視場(chǎng)搜索和小視場(chǎng)跟蹤成為紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)研宄的難點(diǎn)之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)現(xiàn)有用于跟蹤及穩(wěn)像的三軸穩(wěn)定平臺(tái)體積較大，無(wú)法滿足超音速導(dǎo)引頭系統(tǒng)對(duì)窗口小型化的要求，本發(fā)明提供了一種基于像方間接穩(wěn)像的長(zhǎng)波紅外光學(xué)成像系統(tǒng)，可以在滿足系統(tǒng)小型化的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的大視場(chǎng)搜索與小視場(chǎng)跟蹤的功能。
[0005]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0006]一種基于像方間接穩(wěn)像的長(zhǎng)波紅外光學(xué)成像系統(tǒng)，沿光路傳播方向依次設(shè)置有望遠(yuǎn)光學(xué)鏡組、擺鏡、成像光學(xué)鏡組和探測(cè)器；所述望遠(yuǎn)光學(xué)鏡組與成像光學(xué)鏡組的光軸相交，中間通過擺鏡進(jìn)行光路對(duì)接，擺鏡在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下在航向、俯仰兩個(gè)方向進(jìn)行擺動(dòng)，將望遠(yuǎn)光學(xué)鏡組視場(chǎng)范圍內(nèi)的光束反射至成像光學(xué)鏡組，經(jīng)成像光學(xué)鏡組匯聚至探測(cè)器上生成紅外圖像。
[0007]現(xiàn)有用于跟蹤及穩(wěn)像的三軸穩(wěn)定平臺(tái)體積較大，無(wú)法滿足導(dǎo)引頭系統(tǒng)對(duì)窗口小型化的要求。相比于現(xiàn)有的用于跟蹤及穩(wěn)像的三軸穩(wěn)定平臺(tái)，本發(fā)明具有如下有益效果:
[0008](I)遠(yuǎn)光學(xué)鏡組與成像光學(xué)鏡組的光軸相交并有一定夾角，中間通過擺鏡進(jìn)行光路對(duì)接，這樣能夠滿足系統(tǒng)小型化的要求；
[0009](2)擺鏡在航向與俯仰方向進(jìn)行擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的大視場(chǎng)掃描搜索；發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后則在伺服控制系統(tǒng)的控制下根據(jù)彈體姿態(tài)不斷調(diào)整其航向與俯仰角度，以使目標(biāo)始終位于成像光學(xué)鏡組的視場(chǎng)中心，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的小視場(chǎng)跟蹤功能。
[0010](3)成像光學(xué)鏡組采用二次成像光路結(jié)構(gòu)，并在光路中加入反射鏡折疊光路，以使系統(tǒng)外形尺寸滿足小型化。
【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1是傳統(tǒng)的伺服穩(wěn)定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0012]圖2是長(zhǎng)波紅外光學(xué)成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；
[0013]圖3是長(zhǎng)波紅外光學(xué)成像系統(tǒng)的光路原理圖；
[0014]圖4是望遠(yuǎn)光學(xué)鏡組與成像光學(xué)鏡組的視場(chǎng)比較圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說(shuō)明，但并不局限于此，凡是對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍中。
[0016]長(zhǎng)波紅外光學(xué)成像系統(tǒng)是超音速導(dǎo)引頭的重要組成部分，它的結(jié)構(gòu)如圖2所示，由窗口 5、望遠(yuǎn)光學(xué)鏡組6、擺鏡7、成像光學(xué)鏡組8和探測(cè)器9組成。望遠(yuǎn)光學(xué)鏡組6與成像光學(xué)鏡組8相對(duì)窗口 5位置保持不變，它們的光軸相交且夾角為104°，中間通過擺鏡7進(jìn)行光路對(duì)接，從而可以滿足系統(tǒng)小型化的要求。
[0017]望遠(yuǎn)光學(xué)鏡組6包括第一曲面反射鏡15、第二曲面反射鏡16和望遠(yuǎn)鏡組14，其中望遠(yuǎn)鏡組14由第一透鏡14-1、第二透鏡14-2、第三透鏡14-3和第四透鏡14_4組成。望遠(yuǎn)光學(xué)鏡組6是一個(gè)大視場(chǎng)光學(xué)系統(tǒng)，其視場(chǎng)為26.25° X28° (航向X俯仰)，覆蓋了跟蹤視場(chǎng)范圍。望遠(yuǎn)光學(xué)鏡組6為一個(gè)望遠(yuǎn)系統(tǒng)，它能將跟蹤視場(chǎng)范圍內(nèi)接收到的光束以平行光形式投射到擺鏡7位置。望遠(yuǎn)光學(xué)鏡組6的入瞳靠近窗口 5，這樣不僅可以減小窗口 5的尺寸，還不會(huì)產(chǎn)生光線遮擋。
[0018]成像光學(xué)鏡組8包括第一成像鏡組10、反射鏡11和第二成像鏡組12，其中第一成像鏡組10由第五透鏡10-1和第六透鏡10-2組成，第二成像鏡組12由第七透鏡12-1、第八透鏡12-2和第九透鏡12-3組成；成像光學(xué)鏡組8采用二次成像的光路結(jié)構(gòu)，并在光路中加入反射鏡以使光路發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而使系統(tǒng)外形尺寸滿足小型化的要求。成像光學(xué)鏡組8為小視場(chǎng)光學(xué)系統(tǒng)，其視場(chǎng)為6.25° X 5° (航向X俯仰)。它通過擺鏡7的二維擺動(dòng)完成對(duì)望遠(yuǎn)光學(xué)鏡組6大視場(chǎng)的掃描搜索，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后則對(duì)目標(biāo)進(jìn)行小視場(chǎng)跟蹤成像。
[0019]擺鏡7位于望遠(yuǎn)光學(xué)鏡組6與成像光學(xué)鏡組8之間，其在方位方向和俯仰方向的旋轉(zhuǎn)角度分別為±5°和±12°。擺鏡7的安裝方式為擺鏡反射面法線與望遠(yuǎn)光學(xué)鏡組6光軸在航向方向上夾角為52°，俯仰方向夾角為0°，這樣能夠滿足系統(tǒng)小型化的要求。望遠(yuǎn)光學(xué)鏡組6的出瞳與成像光學(xué)鏡組8的入瞳應(yīng)耦合在擺鏡7位置，這樣不僅可以滿足擺鏡外形尺寸小型化的要求，還可以避免擺鏡7擺動(dòng)帶來(lái)的成像質(zhì)量影響。擺鏡7在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下可在航向、俯仰兩個(gè)方向進(jìn)行擺動(dòng)，從而將望遠(yuǎn)光學(xué)鏡組6視場(chǎng)范圍內(nèi)的光束反射至成像光學(xué)鏡組8，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的大視場(chǎng)搜索與小視場(chǎng)跟蹤。
[0020]如圖3所示，長(zhǎng)波紅外光學(xué)成像系統(tǒng)的工作過程為:
[0021]望遠(yuǎn)光學(xué)鏡組6接收物方視場(chǎng)范圍內(nèi)景物發(fā)出的光束。在望遠(yuǎn)光學(xué)鏡組6內(nèi)光束先后通過第一曲面反射鏡15和第二曲面反射鏡16的連續(xù)反射后進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡組14，經(jīng)望遠(yuǎn)鏡組14準(zhǔn)直后以平行光形式投射到擺鏡7位置。擺鏡7將望遠(yuǎn)光學(xué)鏡組6視場(chǎng)內(nèi)的光束反射至成像光學(xué)鏡組8。在成像光學(xué)鏡組8內(nèi)光束通過第一成像鏡組10的透射后入射至反射鏡11上，該反射鏡11能夠使進(jìn)入成像光學(xué)鏡組8中的光束發(fā)生光路偏轉(zhuǎn)，以此滿足系統(tǒng)小型化的要求。偏轉(zhuǎn)后的光束再通過第二成像鏡組12后最終匯聚至探測(cè)器光敏面13上生成紅外圖像，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的大視場(chǎng)搜索和小視場(chǎng)跟蹤功能。
[0022]在上述工作過程中，由于望遠(yuǎn)光學(xué)鏡組視場(chǎng)17屬于大視場(chǎng)(26.25° X28° )光學(xué)系統(tǒng)，成像光學(xué)鏡組視場(chǎng)18屬于小視場(chǎng)(6.25° X5° )光學(xué)系統(tǒng)，這導(dǎo)致成像光學(xué)鏡組的視場(chǎng)無(wú)法充滿望遠(yuǎn)光學(xué)鏡組的整個(gè)視場(chǎng)，如圖4所示。因此，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的大視場(chǎng)搜索，擺鏡7應(yīng)在航向、俯仰兩個(gè)方向進(jìn)行擺動(dòng)，從而將望遠(yuǎn)光學(xué)鏡組6不同視場(chǎng)內(nèi)的光束反射至成像光學(xué)鏡組8。發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后擺鏡7則在伺服控制系統(tǒng)的控制下根據(jù)彈體姿態(tài)不斷調(diào)整其在航向和俯仰方向上的傾斜角度，以使目標(biāo)始終位于成像光學(xué)鏡組的視場(chǎng)中心，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的小視場(chǎng)跟蹤。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于像方間接穩(wěn)像的長(zhǎng)波紅外光學(xué)成像系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)沿光路傳播方向依次設(shè)置有望遠(yuǎn)光學(xué)鏡組、擺鏡、成像光學(xué)鏡組和探測(cè)器；所述望遠(yuǎn)光學(xué)鏡組與成像光學(xué)鏡組的光軸相交，中間通過擺鏡進(jìn)行光路對(duì)接，擺鏡在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下在航向、俯仰兩個(gè)方向進(jìn)行擺動(dòng)，將望遠(yuǎn)光學(xué)鏡組視場(chǎng)范圍內(nèi)的光束反射至成像光學(xué)鏡組，經(jīng)成像光學(xué)鏡組匯聚至探測(cè)器上生成紅外圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于像方間接穩(wěn)像的長(zhǎng)波紅外光學(xué)成像系統(tǒng)，其特征在于所述望遠(yuǎn)光學(xué)鏡組與成像光學(xué)鏡組的光軸夾角為104°。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于像方間接穩(wěn)像的長(zhǎng)波紅外光學(xué)成像系統(tǒng)，其特征在于所述望遠(yuǎn)光學(xué)鏡組的出瞳與成像光學(xué)鏡組的入瞳應(yīng)耦合在擺鏡位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的基于像方間接穩(wěn)像的長(zhǎng)波紅外光學(xué)成像系統(tǒng)，其特征在于所述望遠(yuǎn)光學(xué)鏡組的視場(chǎng)為26.25° X28°。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的基于像方間接穩(wěn)像的長(zhǎng)波紅外光學(xué)成像系統(tǒng)，其特征在于所述成像光學(xué)鏡組的視場(chǎng)為6.25° X5。。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的基于像方間接穩(wěn)像的長(zhǎng)波紅外光學(xué)成像系統(tǒng)，其特征在于所述擺鏡在航向和俯仰方向的旋轉(zhuǎn)角度分別為±5°和±12°。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的基于像方間接穩(wěn)像的長(zhǎng)波紅外光學(xué)成像系統(tǒng)，其特征在于所述擺鏡的安裝方式為擺鏡反射面法線與望遠(yuǎn)光學(xué)鏡組光軸在航向方向上夾角為52°，俯仰方向夾角為0°。
【專利摘要】一種基于像方間接穩(wěn)像的長(zhǎng)波紅外光學(xué)成像系統(tǒng)，屬于光學(xué)制導(dǎo)領(lǐng)域。針對(duì)現(xiàn)有用于跟蹤及穩(wěn)像的三軸穩(wěn)定平臺(tái)體積較大，無(wú)法滿足超音速導(dǎo)引頭系統(tǒng)對(duì)窗口小型化的要求，所述系統(tǒng)沿光路傳播方向依次設(shè)置有望遠(yuǎn)光學(xué)鏡組、擺鏡、成像光學(xué)鏡組和探測(cè)器；所述望遠(yuǎn)光學(xué)鏡組與成像光學(xué)鏡組的光軸相交，中間通過擺鏡進(jìn)行光路對(duì)接，擺鏡在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下在航向、俯仰兩個(gè)方向進(jìn)行擺動(dòng)，將望遠(yuǎn)光學(xué)鏡組視場(chǎng)范圍內(nèi)的光束反射至成像光學(xué)鏡組，經(jīng)成像光學(xué)鏡組匯聚至探測(cè)器上生成紅外圖像。本發(fā)明提供的長(zhǎng)波紅外光學(xué)成像系統(tǒng)可以在滿足系統(tǒng)小型化的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的大視場(chǎng)搜索與小視場(chǎng)跟蹤的功能。
【IPC分類】G02B27-00
【公開號(hào)】CN104570346
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510069394
【發(fā)明人】康為民, 郭鑫民
【申請(qǐng)人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年4月29日
【申請(qǐng)日】2015年2月10日