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    一種廣角三維反掃制冷型中波紅外光學系統(tǒng)技術方案
    
                            
    技術編號：44513208 閱讀：2 留言：0更新日期：2025-03-07 13:09
    
                        
    
                        
    
                            
                            本發(fā)明專利技術公開了一種廣角三維反掃制冷型中波紅外光學系統(tǒng)，從物方到像方依次包括：方位俯仰掃描組、主物鏡組、橫滾掃描組和中繼組；其中：主物鏡組包括四片透鏡，即有負光焦度的單晶鍺透鏡、具有負光焦度的單晶硅透鏡、具有正光焦度的單晶硅透鏡、具有正光焦度的單晶鍺透鏡；橫滾掃描組包括半五棱鏡和施密特棱鏡；橫滾掃描組用于消除方位俯仰掃描組方位掃描時引入的像旋以及完成橫滾掃描；按順時針方向，半五棱鏡第一個工作面與施密特棱鏡第二個工作面垂直于光路；中繼組包括三片透鏡，即具有負光焦度的單晶鍺透鏡、具有正光焦度的單晶硅透鏡、具有負光焦度的單晶硅透鏡。本發(fā)明專利技術實現(xiàn)了100％冷光闌效率，體積和重量小，結構簡單穩(wěn)定，且熱不敏性能優(yōu)異。
    
                            
                            
    


    
                            

                            
    【技術實現(xiàn)步驟摘要】
    
                                
    本專利技術涉及光學，尤其涉及一種廣角三維反掃制冷型中波紅外光學系統(tǒng)。

    技術介紹
    1、紅外光學系統(tǒng)作為現(xiàn)代探測技術中的關鍵組成部分，具有非接觸、全天時、全天候工作的優(yōu)勢，已在軍事、航空航天、環(huán)境監(jiān)測等領域廣泛應用。傳統(tǒng)的紅外探測器技術雖然能夠實現(xiàn)對目標的紅外成像，但由于受制于視場范圍的限制，往往無法滿足對寬視角、大范圍、多維度目標的快速掃描需求。為實現(xiàn)對大范圍空間的三維信息采集，廣角三維掃描制冷紅外光學系統(tǒng)的研發(fā)顯得尤為重要。
    2、廣角三維掃描制冷紅外光學系統(tǒng)是一種結合了廣角光學設計、三維掃描技術與制冷紅外探測器的系統(tǒng)。廣角光學系統(tǒng)的核心設計在于通過特殊的光學結構實現(xiàn)大范圍視角的覆蓋，實現(xiàn)快速、無縫地捕捉廣域場景中的紅外輻射信息。相比于傳統(tǒng)窄視角的光學系統(tǒng)，廣角系統(tǒng)通過在單次成像中覆蓋更大的視場范圍，減少了多次掃描的需求，提高了成像效率。在廣角紅外系統(tǒng)的基礎上，三維掃描技術進一步提升了系統(tǒng)的探測效率和空間覆蓋能力。
    3、廣角三維掃描制冷紅外光學系統(tǒng)通過方位、俯仰及橫滾三個方向的角度調整來實現(xiàn)對空間的全面覆蓋。方位角掃描用于水平方向的視角調整，適合對左右側的目標進行大范圍覆蓋；俯仰角掃描則主要用于垂直方向上的調節(jié)，適用于高低目標的連續(xù)成像；橫滾角掃描則可以在動態(tài)環(huán)境下確保視角的穩(wěn)定性，避免成像失真。三種掃描方式的綜合運用可以在一個空間坐標系內實現(xiàn)多方位、多維度的紅外探測，確保目標的全面覆蓋。這種三維掃描方式在現(xiàn)代光電探測中尤為重要，尤其適用于需要高精度定位與目標識別的場景。在軍事領域中，可用于實現(xiàn)目標的全景監(jiān)視和快速鎖定，為決策提供精確的信息支持。在環(huán)境監(jiān)測中，廣角掃描技術可以對大范圍區(qū)域進行熱分布檢測，應用于森林防火、海洋監(jiān)測等。在航空航天領域，該系統(tǒng)可以安裝在衛(wèi)星或無人機平臺上，進行空中偵查和監(jiān)測任務。此外，隨著人工智能與圖像處理技術的發(fā)展，紅外成像系統(tǒng)的圖像分析能力也不斷提升，可以實時識別和分類多種類型的目標，極大提高了紅外系統(tǒng)的智能化水平。隨著光學設計、制冷技術和掃描控制技術的不斷發(fā)展，廣角三維掃描制冷紅外光學系統(tǒng)在未來將具有更加廣泛的應用前景和發(fā)展?jié)摿Α?/p>
    技術實現(xiàn)思路
    1、本專利技術要解決的技術問題在于針對現(xiàn)有技術中的缺陷，提供一種廣角三維反掃制冷型中波紅外光學系統(tǒng)。
    2、本專利技術解決其技術問題所采用的技術方案是：
    3、本專利技術提供一種廣角三維反掃制冷型中波紅外光學系統(tǒng)，從物方到像方依次包括：方位俯仰掃描組、主物鏡組、橫滾掃描組和中繼組；其中：
    4、方位俯仰掃描組光學元件為一個平面反射鏡；
    5、主物鏡組包括四片透鏡，光焦度組合為“--﹢﹢”，即第一片是具有負光焦度的單晶鍺透鏡，第二片是具有負光焦度的單晶硅透鏡，第三片是具有正光焦度的單晶硅透鏡，第四片是具有正光焦度的單晶鍺透鏡；
    6、橫滾掃描組包括半五棱鏡和施密特棱鏡；橫滾掃描組用于消除方位俯仰掃描組方位掃描時引入的像旋以及完成橫滾掃描；按順時針方向，半五棱鏡第一個工作面與施密特棱鏡第二個工作面垂直于光路；
    7、中繼組包括三片透鏡，第一片是具有負光焦度的單晶鍺透鏡，第二片是具有正光焦度的單晶硅透鏡，第三片是具有負光焦度的單晶硅透鏡；光焦度組合為“-﹢-”形式。
    8、進一步地，本專利技術的方位俯仰掃描組的材料為單晶硅，表面鍍金反射膜，反射3μm～5μm中波紅外光譜。
    9、進一步地，本專利技術的方位俯仰掃描組在俯仰掃描零位時，其法線與光軸夾角為45°；俯仰掃描極限位置時，法線與光軸夾角分別為42.5°和55°。
    10、進一步地，本專利技術的光學系統(tǒng)的中波工作波段為3.7～4.8μm，f#為2；凝視視場56.1°×46.2°。
    11、進一步地，本專利技術的方位俯仰掃描組繞x軸擺動實現(xiàn)俯仰掃描，掃描角度-5°～20°，方位俯仰掃描組繞z軸旋轉進行方位掃描，掃描角度范圍±30°，實現(xiàn)光學系統(tǒng)視軸60°范圍扇形區(qū)域扇掃成像。
    12、進一步地，本專利技術的光學系統(tǒng)入瞳位于方位俯仰掃描組處；出瞳位于制冷探測器的冷光闌上，使系統(tǒng)滿足100％冷光闌效率。
    13、進一步地，本專利技術的光學系統(tǒng)采用二次成像設計，其中一次成像面位于主物鏡組和橫滾掃描組之間，二次成像面位于系統(tǒng)像面。
    14、進一步地，本專利技術的主物鏡組中透鏡第一個面和透鏡第一個面采用高次非球面設計，用于校正球差和畸變；中繼組中透鏡第二個面采用高次非球面設計，用于校正中繼組球差。
    15、進一步地，本專利技術的半五棱鏡和施密特棱鏡的材料為單晶硅；橫滾掃描組采用組合棱鏡的方式進行橫滾掃描，用于折疊光路，壓縮光學系統(tǒng)尺寸。
    16、進一步地，本專利技術的中繼組放大倍率為0.35×。
    17、本專利技術產生的有益效果是：
    18、1.廣角三維反掃制冷型中波紅外光學系統(tǒng)采用二次成像結構型式，不僅實現(xiàn)了100％冷光闌效率，還將入瞳設置在方位俯仰掃描組處，利于方位俯仰掃描組小型化設計，減小體積和重量，結構簡單穩(wěn)定。廣角三維反掃制冷型中波紅外光學系統(tǒng)只使用常規(guī)鍺單晶和硅單晶紅外材料，光學系統(tǒng)在-30℃～+60℃溫度范圍內熱離焦小，熱不敏性能優(yōu)異。
    19、2.廣角三維掃描制冷紅外光學系統(tǒng)將廣角光學設計、三維掃描技術與制冷紅外探測器有機結合，具有大視場、高靈敏度和全方位覆蓋的特點，滿足了現(xiàn)代探測技術對大范圍、全天候、全天時高精度探測的需求。
    20、3.該光學系統(tǒng)結構緊湊、成像質量良好。光學系統(tǒng)在廣角紅外系統(tǒng)的基礎上，增加三維掃描技術進一步提升了系統(tǒng)的探測效率和空間覆蓋能力。
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    【技術保護點】
    
                                
    1.一種廣角三維反掃制冷型中波紅外光學系統(tǒng)，其特征在于，從物方到像方依次包括：方位俯仰掃描組(1)、主物鏡組(2)、橫滾掃描組(3)和中繼組(4)；其中：
    2.根據(jù)權利要求1所述的廣角三維反掃制冷型中波紅外光學系統(tǒng)，其特征在于，方位俯仰掃描組(1)的材料為單晶硅，表面鍍金反射膜，反射3μm～5μm中波紅外光譜。
    3.根據(jù)權利要求1所述的廣角三維反掃制冷型中波紅外光學系統(tǒng)，其特征在于，方位俯仰掃描組(1)在俯仰掃描零位時，其法線與光軸夾角為45°；俯仰掃描極限位置時，法線與光軸夾角分別為42.5°和55°。
    4.根據(jù)權利要求1所述的廣角三維反掃制冷型中波紅外光學系統(tǒng)，其特征在于，光學系統(tǒng)的中波工作波段為3.7～4.8μm，F(xiàn)#為2；凝視視場56.1°×46.2°。
    5.根據(jù)權利要求1所述的廣角三維反掃制冷型中波紅外光學系統(tǒng)，其特征在于，方位俯仰掃描組(1)繞X軸擺動實現(xiàn)俯仰掃描，掃描角度-5°～20°，方位俯仰掃描組(1)繞Z軸旋轉進行方位掃描，掃描角度范圍±30°，實現(xiàn)光學系統(tǒng)視軸60°范圍扇形區(qū)域扇掃成像。
    6.根據(jù)權利要求1所述的廣角三維反掃制冷型中波紅外光學系統(tǒng)，其特征在于，光學系統(tǒng)入瞳位于方位俯仰掃描組(1)處；出瞳位于制冷探測器的冷光闌上，使系統(tǒng)滿足100％冷光闌效率。
    7.根據(jù)權利要求1所述的廣角三維反掃制冷型中波紅外光學系統(tǒng)，其特征在于，光學系統(tǒng)采用二次成像設計，其中一次成像面位于主物鏡組和橫滾掃描組之間，二次成像面位于系統(tǒng)像面。
    8.根據(jù)權利要求1所述的廣角三維反掃制冷型中波紅外光學系統(tǒng)，其特征在于，主物鏡組(2)中透鏡(21)第一個面和透鏡(22)第一個面采用高次非球面設計，用于校正球差和畸變；中繼組(4)中透鏡(41)第二個面采用高次非球面設計，用于校正中繼組球差。
    9.根據(jù)權利要求1所述的廣角三維反掃制冷型中波紅外光學系統(tǒng)，其特征在于，半五棱鏡(31)和施密特棱鏡(32)的材料為單晶硅；橫滾掃描組(3)采用組合棱鏡的方式進行橫滾掃描，用于折疊光路，壓縮光學系統(tǒng)尺寸。
    10.根據(jù)權利要求1所述的廣角三維反掃制冷型中波紅外光學系統(tǒng)，其特征在于，中繼組(4)放大倍率為0.35×。
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    【技術特征摘要】
    
                                
    1.一種廣角三維反掃制冷型中波紅外光學系統(tǒng)，其特征在于，從物方到像方依次包括：方位俯仰掃描組(1)、主物鏡組(2)、橫滾掃描組(3)和中繼組(4)；其中：
    2.根據(jù)權利要求1所述的廣角三維反掃制冷型中波紅外光學系統(tǒng)，其特征在于，方位俯仰掃描組(1)的材料為單晶硅，表面鍍金反射膜，反射3μm～5μm中波紅外光譜。
    3.根據(jù)權利要求1所述的廣角三維反掃制冷型中波紅外光學系統(tǒng)，其特征在于，方位俯仰掃描組(1)在俯仰掃描零位時，其法線與光軸夾角為45°；俯仰掃描極限位置時，法線與光軸夾角分別為42.5°和55°。
    4.根據(jù)權利要求1所述的廣角三維反掃制冷型中波紅外光學系統(tǒng)，其特征在于，光學系統(tǒng)的中波工作波段為3.7～4.8μm，f#為2；凝視視場56.1°×46.2°。
    5.根據(jù)權利要求1所述的廣角三維反掃制冷型中波紅外光學系統(tǒng)，其特征在于，方位俯仰掃描組(1)繞x軸擺動實現(xiàn)俯仰掃描，掃描角度-5°～20°，方位俯仰掃描組(1)繞z軸旋轉進行方位掃描，掃描角度范圍±30°，實現(xiàn)光學系統(tǒng)視軸60°范圍扇形區(qū)域扇掃成像...
                            
    
                            
    【專利技術屬性】
    
                                技術研發(fā)人員：彭章賢，鮑曉靜，吳耀，柴炎，張偉，
    
        申請(專利權)人：湖北久之洋紅外系統(tǒng)股份有限公司，
    
        類型：發(fā)明
    
        國別省市：
    
                            
    
                            
                        
    
                    
    
                    
                    
                     
                
    
                
                
    
                    
    
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