本發明屬于光學探測。

背景技術：

1、目標的遠距離紅外光學探測利用被探測目標的自身輻射來實現，相比可見光光學探測，紅外光學探測具有全天候、不受環境影響、穿透力強等優點。隨著紅外焦平面陣列器件的發展，紅外光學探測技術已由原來的熱點探測發展為成像探測，隨之出現的紅外探測系統能夠實現對目標更精確的識別，已成為獲取目標信息的主要手段。

2、在現有技術中，應用于遠距離目標探測的紅外探測系統有以下兩種：

3、一是申請號為201820201750.9、名稱為“超遠距離被動式紅外探測系統及艦船航行規避預警系統”的一件中國實用新型專利所公開的方案，構成該方案的各組成部分包括光學元件，如窄帶干涉濾光鏡片、半球型菲涅爾透鏡等；光電元件，如紅外探測器；電學元件，如后置放大器；以及精密機械部分，如云臺。在該方案中，使用多個紅外接收單元組合成陣列，在每個紅外接收單元中，都用到一個菲涅爾透鏡，每個透鏡端面又鑲嵌多個紅外探測器；窄帶干涉濾光鏡片與總安裝板平行設置，二者之間相距20～25cm。該方案的探測距離對于空中目標達到150～200km，對于海面目標達到40～50km；探測方位達到360°。該方案應用于軍事探測領域，能夠接收到超遠距離紅外目標的波束，實現超遠距離隱形目標的探測，成為一種隱蔽性高的軍事探測系統。然而，也可以看出該方案有其不足，如結構復雜，制造成本高，結構松散，體積較大，能夠接收到的光能不足。

4、二是申請號為202022905288.0、名稱為“雙視場掃描紅外光學系統”的一件中國實用新型專利所公開的方案，該方案由望遠組件、掃描鏡組件、成像透鏡組件和紅外探測器組件構成，在兩種模式下分別對大視場(搜索)和小視場(識別)進行掃描，在小視場模式工作過程中，望遠組件中的視場鏡組移出光路，來自目標的紅外光入射物鏡后直接照射到調焦鏡，此環節光能無損。但是，該方案結構較為復雜，因其望遠組件結構特點；大量光能無法進入光學系統，因此，光能利用率較低，導致探測距離短；在大小視場的切換過程中，需要驅動組件大動作移動視場鏡組，在掃瞄工作方式中，需要掃描鏡組件高頻擺動，這些使得該方案機械動作多，且動作大，限制了該方案的應用。

技術實現思路

1、為了在實現遠距離紅外探測的前提下，簡化探測系統的結構，并提高其緊湊程度，減小體積，最大程度地簡化操作動作，最大程度地接收成像光，以及降低探測系統的制造成本，本專利申請提出一項稱為“具有全入瞳填充率和層疊陣列結構的遠距離紅外探測系統”的發明。

2、本發明之具有全入瞳填充率和層疊陣列結構的遠距離紅外探測系統其特征在于，如圖1所示，自成像紅外光入射方向至出射方向，前層疊透鏡陣列1、后層疊透鏡陣列2、陣后光闌3、后繼鏡組4依次同光軸排列；前層疊透鏡陣列1、后層疊透鏡陣列2各由n×n個子透鏡a、子透鏡b層疊構成，如圖2、圖3以及圖1所示；子透鏡a、子透鏡b的橫截面均為正方形，如圖4所示，子透鏡a、子透鏡b均為正光焦度彎月形厚透鏡，子透鏡a的入射鏡面、出射鏡面的曲率半徑均為正值，子透鏡b的入射鏡面、出射鏡面的曲率半徑均為負值；陣后光闌3由n×n個子光闌c構成，如圖2、圖3以及圖1所示；前層疊透鏡陣列1、后層疊透鏡陣列2構成透鏡陣列組，如圖1所示，透鏡陣列組的入瞳5位于前層疊透鏡陣列1的入射鏡面處，透鏡陣列組的出瞳6與陣后光闌3的位置重疊；如圖3、圖4所示，前層疊透鏡陣列1能夠在徑向上相對于光軸錯移±δ1，陣后光闌3同時沿與前層疊透鏡陣列1錯移方向相反的方向錯移±δ2。

3、本發明之具有全入瞳填充率和層疊陣列結構的遠距離紅外探測系統的成像過程如下所述。

4、來自被探測目標的成像紅外光平行于遠距離紅外探測系統光軸充滿入瞳5，如圖1、圖2所示，通過前層疊透鏡陣列1在中間像面7成像，再依次通過后層疊透鏡陣列2、陣后光闌3后，由后繼鏡組4最終會聚于像面8成像，完成目標圖像探測。

5、來自被探測目標的成像紅外光與遠距離紅外探測系統光軸以某一視場角(fov)充滿入瞳5，如圖3、圖4所示，此時前層疊透鏡陣列1在徑向上相對于光軸錯移±δ1，陣后光闌3同時沿與前層疊透鏡陣列1錯移方向相反的方向錯移±δ2，成像紅外光依次通過前層疊透鏡陣列1、后層疊透鏡陣列2、陣后光闌3后，由后繼鏡組4最終會聚于像面8成像，完成目標圖像探測。

6、當成像紅外光以某一視場角，如3.5°，入射前層疊透鏡陣列1時，前層疊透鏡陣列1在徑向上相對于光軸錯移δ1，如1.39mm，陣后光闌3同時沿與前層疊透鏡陣列1錯移方向相反的方向錯移δ2，如0.753mm，如圖3、圖4所示，此時，成像紅外光能夠以全入瞳填充率充滿入瞳5，如圖5所示，從而，大幅度提高成像紅外光的光能接收率，盡管來自被探測目標的成像紅外光在經過遠距離(如達8km～10km)大氣傳播發生較大損耗后，本發明之遠距離紅外探測系統接收到的成像紅外光依舊具有能夠高亮、清晰成像的光強，實現遠距離目標紅外圖像探測。假如當成像紅外光以某一視場角入射前層疊透鏡陣列1時，前層疊透鏡陣列1、陣后光闌3保留在原位置，則在入瞳5會發生切光，在每個子透鏡a的邊緣沒有成像紅外光入射，如圖6所示，成像紅外光的接收率大幅降低，能夠接收到的成像紅外光光強難以滿足遠距離紅外目標圖像探測需求。

7、在實現遠距離紅外探測的前提下，由于本發明的組成部分只有前層疊透鏡陣列1、后層疊透鏡陣列2、陣后光闌3、后繼鏡組4這四個，因此，相比于現有技術，本發明簡化了探測系統的結構，并提高其緊湊程度，減小體積，如遠距離紅外探測系統的光學總長只有120mm。

8、本發明在成像過程中，只有前層疊透鏡陣列1、陣后光闌3有毫米級小幅的錯移動作，因此，相比于現有技術，本發明最大程度地簡化了操作動作，最大程度地接收成像紅外光。

9、綜上，本發明的制造成本也因此會大幅降低。

技術特征：

1.具有全入瞳填充率和層疊陣列結構的遠距離紅外探測系統，其特征在于，自成像紅外光入射方向至出射方向，前層疊透鏡陣列(1)、后層疊透鏡陣列(2)、陣后光闌(3)、后繼鏡組(4)依次同光軸排列；前層疊透鏡陣列(1)、后層疊透鏡陣列(2)各由n×n個子透鏡a、子透鏡b層疊構成；子透鏡a、子透鏡b的橫截面均為正方形，子透鏡a、子透鏡b均為正光焦度彎月形厚透鏡，子透鏡a的入射鏡面、出射鏡面的曲率半徑均為正值，子透鏡b的入射鏡面、出射鏡面的曲率半徑均為負值；陣后光闌(3)由n×n個子光闌c構成；前層疊透鏡陣列(1)、后層疊透鏡陣列(2)構成透鏡陣列組，透鏡陣列組的入瞳(5)位于前層疊透鏡陣列(1)的入射鏡面處，透鏡陣列組的出瞳(6)與陣后光闌(3)的位置重疊；前層疊透鏡陣列(1)能夠在徑向上相對于光軸錯移±δ1，陣后光闌(3)同時沿與前層疊透鏡陣列(1)錯移方向相反的方向錯移±δ2。

2.根據權利要求1所述的具有全入瞳填充率和層疊陣列結構的遠距離紅外探測系統，其特征在于，其中n×n的取值為3×3～7×7。

3.根據權利要求1所述的具有全入瞳填充率和層疊陣列結構的遠距離紅外探測系統，其特征在于，子透鏡a、子透鏡b的材質均為鍺。

4.根據權利要求1所述的具有全入瞳填充率和層疊陣列結構的遠距離紅外探測系統，其特征在于，前層疊透鏡陣列(1)在徑向上相對于光軸錯移±δ1、陣后光闌4沿與前層疊透鏡陣列(1)錯移方向相反的方向錯移±δ2滿足下式要求：

5.根據權利要求1所述的具有全入瞳填充率和層疊陣列結構的遠距離紅外探測系統，其特征在于，所述后繼鏡組(4)由前透鏡(9)、后透鏡(10)組成，前透鏡(9)的材質為硅，后透鏡(10)的材質為鍺。

6.根據權利要求1所述的具有全入瞳填充率和層疊陣列結構的遠距離紅外探測系統，其特征在于，后層疊透鏡陣列(2)的半高度h2由下式確定：

技術總結
具有全入瞳填充率和層疊陣列結構的遠距離紅外探測系統屬于光學探測技術領域?，F有技術結構復雜，接收光強弱。本發明自成像紅外光入射方向至出射方向，前層疊透鏡陣列、后層疊透鏡陣列、陣后光闌、后繼鏡組依次同光軸排列；前層疊透鏡陣列、后層疊透鏡陣列各由n×n個子透鏡a、子透鏡b層疊構成；子透鏡a、子透鏡b的橫截面均為正方形；前層疊透鏡陣列、后層疊透鏡陣列構成透鏡陣列組，透鏡陣列組的入瞳位于前層疊透鏡陣列的入射鏡面處，透鏡陣列組的出瞳與陣后光闌的位置重疊；前層疊透鏡陣列能夠在徑向上相對于光軸錯移±Δ1，陣后光闌同時沿與前層疊透鏡陣列錯移方向相反的方向錯移±Δ2。本發明能夠用于民用領域紅外目標的搜索與識別。

技術研發人員：黃蘊涵,鞠琪,李澤政,張禛,梁行
受保護的技術使用者：長春理工大學
技術研發日：
技術公布日：2025/4/24