[實用新型]基于紅外面陣探測器掃描成像的光機結構

有效

• 申請號: 201520185695.5
• 申請日: 2015-03-31
• 公開（公告）號: CN204964030U
• 公開（公告）日: 2016-01-13
• 發明（設計）人: 蹇毅;朱承希;高思莉
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海技術物理研究所
• 主分類號: G01J5/08
• 分類號: G01J5/08;H04N5/225;H04N5/33
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 郭英

技術領域：

本專利涉及紅外探測系統，特別的，是涉及到一種基于面陣探測器的掃描探測系統。

背景技術：

第二代紅外告警系統自上世紀70年代末國外開始研究，至今已有30多年。第二代紅外告警系統是利用紅外線列探測器，以1Hz左右的轉速掃描成像。由于線列掃描成像的機制的制約，第二代紅外告警系統性能被短積分時間和低幀頻所限制。

第三代紅外告警系統一般采用面陣紅外探測器凝視成像，其積分時間由第二代的幾十微秒級提升到毫秒級，凝視幀頻可高達100Hz。因此第三代紅外告警系統的告警精度和距離等指標將大幅超越基于線列掃描的第二代告警系統。

為了追求更遠的探測距離，一般將凝視型紅外成像系統的焦距設計較長，導致凝視視場較小，不能覆蓋所需的告警范圍。根據其應用場合，基于紅外面陣探測器的告警系統一般可以設計成視場分布式系統，360度方位的全景告警系統由多個視場凝視告警系統拼接組合而成。然而采用多個探測器同時凝視成像，會使制造成本激增。采用單個探測器來覆蓋360度方位的告警，則必須要引入掃描機制。采用面陣探測器連續回轉成像將難以避免的會產生像的模糊和拖影，這是面陣探測器連續掃描技術的一個主要缺陷。

發明內容：

本專利提出了一種基于紅外面陣探測器掃描成像的光機結構，可以實現360度全方位成像，并且圖像穩定，沒有拖影。本專利是通過以下技術方案實現的：

整體光機結構由俯仰指向鏡1，紅外望遠鏡頭2，方位補償擺鏡3，紅外成像鏡頭4，紅外面陣焦平面探測器5，方位掃描轉臺6組成，其中俯仰指向鏡1、紅外望遠鏡頭2、方位補償擺鏡3、紅外成像鏡頭4和紅外面陣焦平面探測器5固定于方位掃描轉臺6上。來自無窮遠的平行光束依次通過俯仰指向鏡1，紅外望遠鏡頭2，方位補償擺鏡3，紅外成像鏡頭4，最后成像到紅外面陣焦平面探測器5。

所述的紅外望遠鏡頭2是一套無光焦度光學系統，其光學放大率的絕對值大于1。

系統在工作狀態時，方位掃描轉臺(6)以穩定的角速度連續轉動，探測器在轉動過程中進行積分讀出，探測器一次積分形成一幀圖像，多次積分形成多幀圖像后拼接組成360°全景圖像。如圖2所示。每次積分圖像的視場有少量的重疊區域，保證探測視場無死角，最后在后期圖像信號處理時去除重疊區域。

面陣探測器在一個積分時間內，進入探測器的光線視場必須保持穩定，否則會產生模糊拖影，然而方位掃描轉臺6以角速度ω1連續轉動，導致進入探測器的方位視場也以ω1的速度連續變化。本專利通過以下方法解決這個問題：方位補償擺鏡3在紅外望遠鏡頭2后反射光路，并以角速度ω2反方向擺動，使方位視場反方向變化，最終補償方位掃描轉臺6引起的方位視場變化。由望遠光學系統特性，各個視場角的平行光入射會平行光出射，所以方位補償擺鏡3在平行光路中擺動不會改變成像質量。望遠系統的放大倍率γ即為角放大率，控制方位補償擺鏡3的擺動角速度ω2為ω1的γ倍，則可以保證積分時間內圖像穩定，沒有拖影。

本專利結構的優點在于：全方位掃描，圖像無像模糊拖影，望遠鏡結構和二次成像物鏡結構相結合。

附圖說明：

圖1為本專利光機結構具體結構示意圖。

圖2為面陣掃描成像原理示意圖。

圖3為本專利的光機結構中紅外望遠鏡頭和方位補償擺鏡位置的示意圖。

具體實施方式：

按照附圖1的示意圖所標示：

俯仰指向鏡1是一個俯仰角可調節的平面反射鏡，其作用是調節成像視場的俯仰角度值。俯仰角度值一般在系統工作之前調節好，俯仰指向鏡1在探測器積分開始后，保持不動。

紅外望遠鏡頭2是一個無光焦度的紅外光學系統，其作用是將其入瞳處的無限遠的平行光束壓縮到出瞳處，并以平行光出射。其角放大率為γ。由望遠光學系統的特性可得，其入瞳尺寸和出瞳尺寸之比也為γ。γ越大，后續光路中的方位補償擺鏡3尺寸越小，有利于電機高精度控制方位補償擺鏡3的擺動。

方位補償擺鏡3是一個平面反射鏡，其旋轉軸與平面反射鏡法線垂直，轉動回擺運動由一臺電機控制。方位補償擺鏡3在光路上的作用是將從紅外望遠鏡頭2出射的平行光束反射到紅外成像鏡頭4的入瞳中去。系統在工作狀態時，方位掃描轉臺6以穩定的角速度ω1連續轉動，在探測器的一個積分時間內，方位補償擺鏡3以ω2的角速度從零位反方向擺動。ω2與ω1之比嚴格控制為γ。當一幀積分時間結束后，方位補償擺鏡3迅速回到零位，在下一幀積分時間開始后，重復以上過程。方位補償擺鏡3的位置在紅外望遠鏡頭2的出瞳位置附近，可以使其反射鏡尺寸最小。

紅外成像鏡頭4的作用是將方位補償擺鏡3反射出的平行光成像到紅外面陣焦平面探測器5上。其結構為兩次成像結構，其出瞳為紅外面陣焦平面探測器5杜瓦的冷光闌，其入瞳位置在鏡頭第一片鏡處。整體光學系統的成像質量，是綜合了紅外望遠鏡頭2和紅外成像鏡頭4的共同作用。在方位補償擺鏡3不同位置時，只要MTF(光學調制傳遞函數)不明顯下降，并且光學系統的畸變變化量在1％以內，就可以保證像面穩定。