雙波段紅外光學系統的制作方法

專利名稱：雙波段紅外光學系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于紅外遙感光學系統，具體涉及一種雙波段同軸紅外光學系統，可作為
目標識別與跟蹤裝置的前端光學組件。
背景技術：
近年來光學遙感技術取得迅猛的發展，各種光學遙感設備應運而生，它們的技術 性能也得到飛快提高和完善，成像光譜設備就是其中之一。所有溫度高于絕對零度的物體 都能產生紅外輻射，溫度越高，輻射出的能量就越大，而且任何兩種不同的物質決不會有完 全相同的光譜特性曲線，也就是說物質的光譜特性曲線是唯一的。把物質紅外光譜分辨率 和物體紅外成像空間分辨率結合起來進行物質辨識，便具有了更高的探測和識別能力。
圖譜合一的最常用設備為多光譜掃描儀，比如西安光機所研制的星上多光譜掃描 儀以及上海技物所研制的機載多光譜掃描儀，多光譜掃描儀安裝在飛行器上，其掃描鏡旋 轉，使接收的瞬時視場作垂直于飛行方向的運動，從而實現行掃描。由于飛行器的向前運 動，多光譜掃描儀即完成二維掃描，地物景像被逐點掃過，并逐點分波段測量，從而獲得多 光譜的遙感圖像信息。該設備處理速度慢，只適用于靜止目標的非實時探測，對于運動目標 難以適用。 現有圖譜合一的另一種設備是傅立葉變換紅外成像光譜輻射儀，比如Telops公 司的FIRST-麗型成像光譜輻射儀，包括傳感器、邁克爾遜成像干涉儀和高速信號處理芯 片，它能夠提供豐富的二維空間信息及第三維的光譜數據，即二維空間成像的每一點都可 以提取光譜信息。儀器的核心部分使用了邁克爾遜成像干涉儀，從二維陣列探測器上獲取 調制的光譜干涉原始信號所產生的成像信息避免了光柵或線掃描儀的缺陷，光譜分辨率因 不同測量應用可自行設定。這種設備圖、譜探測共一個傳感器，信號處理信息量非常大，無 法同時實現高空間分辨率和高時間分辨率，必須使用成像干涉儀和高速信號處理芯片，因 此價格十分昂貴，用戶難以承受。 目前被用戶接受的成像與非成像探測器分離的圖譜合一設備，實質上是兩個分離 設備的簡單組合，比如Bruker公司的遙感式光譜設備EM27 :光譜儀接反射式鏡頭和成像探 測器接透射式鏡頭，將兩者光路調平行；鏡頭和光譜儀之間要么直線聯結，要么通過反射鏡 折疊光路，使得系統內部各部件的布局受到很大的限制，靈活性較差，不利于空間的充分利 用。這樣的架構雖然達到了探測器分離和提高兩部分各自靈敏度的目的，但是同時也分離 了光路，不具備共光軸的幾何關系，對不同距離的目標必然會產生視差。現有的圖譜合一裝 置通常被安放在一個大的二維轉臺上，實現掃描和跟蹤，使得整個設備十分笨重。

發明內容
本發明提供一種雙波段紅外光學系統，解決現有圖譜合一裝置光路布局受到限 制，整個設備體積大的問題。 本發明的一種雙波段紅外光學系統，包括掃描轉鏡、雙波段紅外光學鏡頭、光譜儀、紅外焦平面探測器和信號處理器，其特征在于 所述雙波段紅外光學鏡頭由紅外窗口、分光鏡、中波鏡頭、長波鏡頭組成，紅外窗 口水平設置，紅外窗口下方為與水平成45。的分光鏡，分光鏡下方垂直光路上設置有長波 鏡頭，分光鏡一側水平光路上設置有中波鏡頭； 所述掃描轉鏡位于所述雙波段紅外光學鏡頭的紅外窗口上方，與垂直光路成 45° ，偏轉范圍±5° ; 紅外光纖位于所述中波鏡頭的輸出光軸上，將中波鏡頭輸出的紅外光傳輸到光譜 儀，光譜儀對紅外光進行干涉采樣，得到干涉信號，通過傳輸電纜送至信號處理器；
紅外焦平面探測器位于所述長波鏡頭的輸出光軸上，獲取長波鏡頭輸出的圖像信 號，通過傳輸電纜送至信號處理器； 信號處理器對獲取的圖像信號進行濾波和分割處理，并利用辨識算法判斷整個長 波鏡頭視場范圍內哪些像素屬于感興趣區域；再控制掃描轉鏡轉動，將感興趣區域移動到 中波鏡頭輸出光軸上，對光譜儀采集的干涉信號做傅立葉變換，得到感興趣區域的譜特征 信號；再將譜特征信號和數據庫中各種物質的譜特征進行比對，通過互相關算法判斷感興 趣區域的組成成分。 所述的一種雙波段紅外光學系統，其特征在于 所述中波鏡頭由光路上同軸的第一凸透鏡、第二凸透鏡和凹透鏡組成，三個透鏡 均鍍有2 5ym的增透膜；第一凸透鏡是以單晶硅為基底材料的凸透鏡，第二凸透鏡是 以單晶鍺為基底材料的凸透鏡，利用兩種不同材料的紅外折射率的區別能有效校正色散相 差，提高系統的成像質量；凹透鏡是以單晶硅為基底材料的凹透鏡，能夠在中波鏡筒內移 動，實現調焦功能，使得不同距離的被測樣本能在中波鏡頭焦平面上得到清晰的像；
所述長波鏡頭由光路上同軸的第三凸透鏡和第四凸透鏡組成，二個透鏡均鍍有 8 14ym的增透膜；第三凸透鏡是以單晶鍺為基底材料的八階偶次非球面凸透鏡，采用八 階偶次非球面設計能夠減少鏡片數量，同時保證成像質量；第四凸透鏡是以單晶鍺為基底 材料的凸透鏡，能夠在長波鏡筒內移動，實現調焦功能，使得不同距離的被測樣本能在長波 鏡頭焦平面上得到清晰的像。 所述的一種雙波段紅外光學系統，其特征在于 所述掃描轉鏡由電控鏡架和反射鏡構成，電控鏡架由底座，旋轉臺，角位移臺和反 射鏡固定邊框組成，底座用于固定整個電控鏡架；旋轉臺與底座轉動連接，能夠在水平面內 旋轉，實現反射鏡的水平偏擺掃瞄；角位移臺通過弧形導軌與旋轉臺連接，能夠沿弧形導軌 在豎直面內轉動，實現反射鏡的豎直俯仰掃瞄；反射鏡固定邊框與角位移臺固連，用于固定 反射鏡；反射鏡為平面鏡，由電控鏡架帶動進行豎直俯仰及水平偏擺二維旋轉運動。
本發明最前端是掃描轉鏡，它的運動可以調整雙波段紅外光學鏡頭視場的軸線方 向，實現對目標的掃描和跟蹤。雙波段紅外光學鏡頭前端紅外窗口可以透過中波和長波兩 個波段的紅外光，紅外窗口后面固定的分光鏡把2 5iim波段的紅外光反射90。到中波鏡 頭，中波鏡頭焦距可調，通過紅外光纖把其成像信息傳輸到后端的光譜儀。光纖輸入端固定 在光纖固定接口的中心，光纖固定接口可以在豎直方向和垂直于紙面方向二維平移，能在 中波鏡頭焦平面內調整坐標位置，以便獲取感興趣區域的譜線特征。而8 14 ii m的長波 紅外光直接透過分光鏡入射到長波鏡頭，長波鏡頭焦距可調，配合非制冷紅外焦平面探測有效地實現對目標的 探測、跟蹤與識別。 本發明體積小、集成度高、使用方便、靈活，二維旋轉的掃描轉鏡，實現對目標的掃 描和跟蹤，分光鏡分離圖、譜輸入信號，既實現了中波、長波兩個鏡頭的光學同軸，又充分利 用了中波和長波兩個波段的紅外能量；長波鏡頭可以實現電動調焦，寬視場成像，中波鏡頭 焦距可調，局部讀譜，輸出耦合到光譜儀，中波光譜探測中心和長波成像焦平面中心始終重 合；光纖的使用能夠讓鏡頭和光譜儀任意方位擺放，利于優化各部件的空間布局，減小系統 的體積。掃描轉鏡則可以取代相對笨重的二維轉臺，起到掃描和跟蹤的作用，從而有效地減 小系統的體積、重量和功耗。 本發明對外部景物實現雙波段觀測，能夠實現對目標的自動掃描、辨識和跟蹤，可 以有效地應用于導彈紅外制導、大氣污染及有毒氣體遙測等軍事或民用領域。


圖1為本發明結構示意圖； 圖2為雙波段紅外光學鏡頭系統結構圖； 圖3為2 14iim波段紅外大氣窗口 ； 圖4為中波鏡頭光學結構示意圖； 圖5為長波鏡頭光學結構示意圖； 圖6A為掃描轉鏡的主視圖； 圖6B為掃描轉鏡的左視圖； 圖6C為掃描轉鏡的俯視圖； 圖7為信號處理器的處理流程圖； 圖8為光譜儀工作原理圖。
具體實施例方式
以下結合附圖和實施例對本發明進一步說明。 如圖1所示，本發明包括掃描轉鏡1、雙波段紅外光學鏡頭、光譜儀8、紅外焦平面 探測器9和信號處理器10 ; 雙波段紅外光學鏡頭由紅外窗口 2、分光鏡3、中波鏡頭4、長波鏡頭5組成，紅外窗 口 2水平設置，紅外窗口下方為與水平成45。的分光鏡3，分光鏡下方垂直光路上設置有長 波鏡頭5，分光鏡一側水平光路上設置有中波鏡頭4 ; 掃描轉鏡1位于所述雙波段紅外光學鏡頭的紅外窗口2上方，與垂直光路成45。， 偏轉范圍±5° ; 紅外光纖7位于所述中波鏡頭4的輸出光軸上，將中波鏡頭輸出的紅外光傳輸到 光譜儀8，光譜儀8對紅外光進行干涉采樣，得到干涉信號，通過傳輸電纜送至信號處理器 10 ; 紅外焦平面探測器9位于所述長波鏡頭5的輸出光軸上，獲取長波鏡頭輸出的圖 像信號，通過傳輸電纜送至信號處理器10。 如圖2所示，雙波段紅外光學鏡頭包括窗口 2、分光鏡3 、中波鏡頭4和長波鏡頭5 。
窗口 2為寬波段透過，選擇ZnSe材料，直徑144mm，厚度5. 5咖，透過率>90% ; 其透過波段與大氣窗口相符，如圖3所示，涵蓋了 2 5iim的中波和8 14iim的長波兩 個紅外波段。 分光鏡3選擇Ge材料，為橢圓形，長軸180mm，短軸130mm，厚度7mm，將寬帶紅外分 為2 5 ii m中波和8 14 ii m長波兩個波段，中波段被90°反射進入中波鏡頭4，長波段
透射進入長波鏡頭5 ;中波波段反射率> 95%，長波波段透過率> 85%。 如圖4所示，中波鏡頭4焦距可調，有距離刻度指示，鏡頭三個鏡片采用一體式設
計，利用一個主鏡筒分別固定三個鏡片，充分提高了鏡片的同軸精度。 中波鏡頭4由光路上同軸的第一凸透鏡11、第二凸透鏡12和凹透鏡13組成，三個 透鏡均鍍有2 5 ii m的增透膜；第一凸透鏡11是以單晶硅為基底材料的凸透鏡，第二凸透 鏡12是以單晶鍺為基底材料的凸透鏡，利用兩種不同材料的紅外折射率的區別能有效校 正色散相差，提高系統的成像質量；凹透鏡13是以單晶硅為基底材料的凹透鏡，它在中波 鏡筒內可以移動，實現調焦功能，使得不同距離的被測樣本能在中波鏡頭焦平面14上得到 清晰的像。 中波鏡頭4的參數為工作波段2 5 ii m，焦距f = 220mm，數值孔徑F# = 2. 2， 調制傳遞函數MTF > 60% t20Lp/mm，鏡頭透過率〉85%，像面尺寸直徑4mm，調焦距離 200m ①，工作溫度-40°C +60°C。 分析-40"和+60"兩個極限溫度下的仿真點列圖，雖然在_40"和+60"時像點 彌散斑直徑變大，但最大直徑小于70 ii m。因此，中波鏡頭在常溫調整好焦距后，無需考慮高 低溫環境下的離焦問題。 如圖5所示，長波鏡頭焦距可調，有距離刻度指示，兩個鏡片采用一體式設計，利 用一個主鏡筒分別固定兩個鏡片，充分提高了鏡片的同軸精度。 長波鏡頭5由光路上同軸的第三凸透鏡15和第四凸透鏡16組成，二個透鏡均鍍 有8 14 ii m的增透膜；第三凸透鏡15是以單晶鍺為基底材料的八階偶次非球面凸透鏡， 采用八階偶次非球面設計能夠減少鏡片數量，同時保證成像質量；第四凸透鏡16是以單晶 鍺為基底材料的凸透鏡，它在長波鏡筒內可以移動，實現調焦功能，使得不同距離的被測樣 本能在長波鏡頭焦平面17上得到清晰的像。 長波鏡頭5的設計參數要求為工作波段8 14 ii m，焦距f = 100mm，數值孔徑F# =1. 0，調制傳遞函數MTF〉40^(i14. 3Lp/mm，鏡頭透過率> 90%，像面尺寸直徑16. 8mm， 調焦距離200m ①，工作溫度-40°C +60°C。 該鏡頭采用兩片透鏡設計，鏡頭透過率比三個鏡片鏡頭提高3%，配合非制冷探測 器使用，視角5.2。 X6.9° ，溫度在-4(TC +6(TC攝氏度范圍內，通過調焦能夠保證像質清 晰。 紅外光纖7兩頭都用SMA接口 ，最小彎曲半徑小于50mm， 2 5 y m波段紅外傳輸 衰減小于5dB/m，芯徑為500 ii m，有外保護包層。光纖輸入端可以由一個光纖固定接口 6帶 動，可在中波鏡頭焦平面內二維平移。紅外光纖7纖芯材料As^3，纖芯折射率2. 4，有效 數值孔徑O. 28。 如圖6A、圖6B、圖6C所示，掃描轉鏡1由電控鏡架和反射鏡構成，電控鏡架由底座 24，旋轉臺25，角位移臺26和反射鏡固定邊框27組成，底座24用于固定整個電控鏡架；旋轉臺25與底座24轉動連接，能夠在水平面內旋轉，實現反射鏡的水平偏擺掃瞄；角位移臺26通過弧形導軌與旋轉臺25連接，能夠沿弧形導軌在豎直面內轉動，實現反射鏡的豎直俯仰掃瞄；反射鏡固定邊框27與角位移臺26固連，用于固定反射鏡28 ;反射鏡28為平面鏡，由電控鏡架帶動進行豎直俯仰及水平偏擺二維旋轉運動。 反射鏡28基底材料K9玻璃，厚度10mm，其上鍍金反射層，其表面再鍍保護膜抗風沙和雨水的侵蝕，有效反射面積220mmX 150mm，反射2 5iim禾P8 14iim兩個波段的紅外光，全波段反射率高于95%，基底用強度高、重量輕的材料。反射鏡圍繞其反射面中心二維轉動，形成水平面和豎直面二維跟蹤掃描，水平掃描±5° ，豎直掃描士5。，掃描最高速度達到12° /s，兩個方向能夠同時運動，旋轉角度精度0.013° ，電機驅動，最大輸出扭矩4N m。 信號處理器的核心硬件是一臺工控機，能夠通過PCI接口獲取紅外焦平面探測器9的圖像信號，通過LAN接口獲取光譜儀8的干涉信號，圖7為信號處理器的處理流程圖對獲取的圖像信號進行濾波和分割處理，并利用辨識算法判斷整個長波鏡頭5視場范圍內哪些像素屬于感興趣區域；再控制掃描轉鏡1轉動，將感興趣區域移動到中波鏡頭4輸出光軸上，對光譜儀8采集的干涉信號做傅立葉變換，得到感興趣區域的譜特征信號；再將譜特征信號和數據庫中各種物質的譜特征進行比對，通過互相關算法判斷感興趣區域的組成成分。 濾波處理可以用3X3的中值濾波算法，分割處理可以用灰度直方圖自動選擇閾值的分割算法，辨識算法先對分割的圖像提取輪廓特征，再將提取的輪廓特征和形態特征庫中的不同對象進行互相關比對，判斷是否為感興趣的對象，如果是感興趣對象，則該區域為感興趣區域。 在將提取的輪廓特征和形態特征庫中的不同對象進行互相關比對、以及將譜特征
信號和數據庫中各種物質的譜特征進行比對時，采用的互相關算法可以是最大似然法。
光譜儀8可以選用PerkinElmer公司的Spectrum IOON，包括拋物面鏡18、半反半透鏡19、定平面鏡20、動平面鏡21、聚焦鏡22和點探測器23 ;其工作原理如圖8所示光纖7的輸出是點光源錐形光束，通過離軸的拋物面鏡18反射后成為平行光進入干涉儀，干涉儀由半反半透鏡19、定平面鏡20和動平面鏡21組成；半反半透鏡19將入射光分為兩束反射光經定平面鏡20反射后原路返回，并透過半反半透鏡19，形成一路干涉光；入射光的另一部分透過半反半透鏡19，經動平面鏡21反射后原路返回，再被半反半透鏡19反射，形成第二路干涉光。定平面鏡20不動，動平面鏡21移動，就產生兩束光不同的光程差，兩束相干光通過聚焦鏡22匯聚到點探測器23上，得到的干涉信號被輸出到信號處理器10進行后處理。 紅外焦平面探測器9可以選用法國ULIS公司的UL03041非制冷長波紅外探測器，具體參數如下 探測器類型熱敏電阻焦平面；
探測器材料多晶硅；
熱響應時間7ms ;
分辨率384X288;
像元間距35iim;
響應波段8 14pm; 充填系數>80%; 像素采樣頻率7. 375MHz ; 失效像素數目<1%; 工作電壓7 15V DC ; 功耗〈4W; 數字接口 50芯接插件LVDS數字視頻接口 。
權利要求
一種雙波段紅外光學系統，包括掃描轉鏡、雙波段紅外光學鏡頭、光譜儀、紅外焦平面探測器和信號處理器，其特征在于所述雙波段紅外光學鏡頭由紅外窗口、分光鏡、中波鏡頭、長波鏡頭組成，紅外窗口水平設置，紅外窗口下方為與水平成45°的分光鏡，分光鏡下方垂直光路上設置有長波鏡頭，分光鏡一側水平光路上設置有中波鏡頭；所述掃描轉鏡位于所述雙波段紅外光學鏡頭的紅外窗口上方，與垂直光路成45°，偏轉范圍±5°；紅外光纖位于所述中波鏡頭的輸出光軸上，將中波鏡頭輸出的紅外光傳輸到光譜儀，光譜儀對紅外光進行干涉采樣，得到干涉信號，通過傳輸電纜送至信號處理器；紅外焦平面探測器位于所述長波鏡頭的輸出光軸上，獲取長波鏡頭輸出的圖像信號，通過傳輸電纜送至信號處理器；信號處理器對獲取的圖像信號進行濾波和分割處理，并利用辨識算法判斷整個長波鏡頭視場范圍內哪些像素屬于感興趣區域；再控制掃描轉鏡轉動，將感興趣區域移動到中波鏡頭輸出光軸上，對光譜儀采集的干涉信號做傅立葉變換，得到感興趣區域的譜特征信號；再將譜特征信號和數據庫中各種物質的譜特征進行比對，通過互相關算法判斷感興趣區域的組成成分。
2. 如權利要求1所述的一種雙波段紅外光學系統，其特征在于所述中波鏡頭由光路上同軸的第一凸透鏡、第二凸透鏡和凹透鏡組成，三個透鏡均鍍 有2 5ym的增透膜；第一凸透鏡是以單晶硅為基底材料的凸透鏡，第二凸透鏡是以單 晶鍺為基底材料的凸透鏡；凹透鏡是以單晶硅為基底材料的凹透鏡，能夠在中波鏡筒內移 動；所述長波鏡頭由光路上同軸的第三凸透鏡和第四凸透鏡組成，二個透鏡均鍍有8 14ym的增透膜；第三凸透鏡是以單晶鍺為基底材料的八階偶次非球面凸透鏡；第四凸透 鏡是以單晶鍺為基底材料的凸透鏡，能夠在長波鏡筒內移動。
3. 如權利要求1或2所述的一種雙波段紅外光學系統，其特征在于 所述掃描轉鏡由電控鏡架和反射鏡構成，電控鏡架由底座，旋轉臺，角位移臺和反射鏡固定邊框組成，底座用于固定整個電控鏡架；旋轉臺與底座轉動連接，實現反射鏡的水平偏 擺掃瞄；角位移臺通過弧形導軌與旋轉臺連接，能夠沿弧形導軌在豎直面內轉動，實現反射 鏡的豎直俯仰掃瞄；反射鏡固定邊框與角位移臺固連，用于固定反射鏡；反射鏡為平面鏡， 由電控鏡架帶動進行豎直俯仰及水平偏擺二維旋轉運動。
全文摘要
雙波段紅外光學系統，屬于紅外遙感光學系統，解決現有圖譜合一裝置光路布局受到限制，整個設備體積大的問題。本發明包括掃描轉鏡、雙波段紅外光學鏡頭、光譜儀、紅外焦平面探測器和信號處理器，雙波段紅外光學鏡頭由紅外窗口、分光鏡、中波鏡頭、長波鏡頭組成；掃描轉鏡位于紅外窗口上方，紅外光纖將中波鏡頭輸出的紅外光傳輸到光譜儀，紅外焦平面探測器位于長波鏡頭輸出光軸上，光譜儀和紅外焦平面探測器輸出信號通過傳輸電纜送至信號處理器。本發明體積小、集成度高、使用方便、靈活，對外部景物雙波段觀測，能夠實現對目標的自動掃描、辨識和跟蹤，可以有效地應用于導彈紅外制導、大氣污染及有毒氣體遙測等軍事或民用領域。
文檔編號G01S17/00GK101738619SQ20091027292
公開日2010年6月16日 申請日期2009年11月27日 優先權日2009年11月27日
發明者孫協昌, 張天序, 張新宇, 方正, 易新建, 李成, 桑農, 汪小平, 王澤 , 陳彥山 申請人:華中科技大學