专利名称：一种用于微光探测的光学耦合系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及了微光成像探测技术，尤其涉及一种实现像增强器与成像探测器之间非接触式传像的近距离光学耦合系统。
背景技术：
微光探测是一种利用图像增强器件对暗弱目标光辐射信号进行强化后成像的技术。其中的关键器件-像增强器(image intensifier,简称I, 1.)最早出现在20世纪60年代的美国。其研制初衷是为了取代二战时期使用的主动红外夜视系统实现被动式探测(利用目标自身微光特性)。像增强器件发展至今经历了多次技术变革，从早期的一代产品(光纤板三级联)，经历二代产品(多重碱阴极)到三代(镓砷光阴极)和超二代产品，其光灵敏度不断得到提升，响应谱段也得到了扩展，其衍生出的微光成像产品被广泛地应用在国防领域。在利用像增强器的微光探测系统中，经过增强的目标图像和接收器之间的传输机制被称为成像耦合系统。在直视微光成像系统中，由于接收器是人眼，所以耦合系统即为目镜。而随着微光探测技术的发展，除了在军事方面的应用外，其在高能物理、生物和天文等科学领域也开始受到重视，人眼往往不能满足这些领域科学目标的观测要求，需要采用高灵敏度光电成像探测器作为系统的成像器件。目前这种光电成像耦合系统分为两种实现方式:中继镜(relaylens)耦合和锥形光纤(tapered optical fiber)稱合。其中中继镜稱合即用光学镜头来实现传像，属于较为传统的耦合方式。而锥形光纤(亦称为光锥耦合)是随着近年来纤维光学发展起来较新型的传光器件，其理论耦合效率要高于中继镜数倍，而且体积较小，适合用于便携、头戴式微光成像系统。而在对体积、重量没有特殊要求的科学成像探测应用中，中继镜耦合又以灵活的缩比、较低的装调工艺要求等优势受到重视。正是因为这两种耦合器件各有优势和劣势，因而根据不同的科学目标选择适合的耦合方式对保证仪器的整体性能具有重要的意义。光锥耦合和光学中继镜耦合是目前微光探测中仅有的两种耦合方式，下面分别介绍这两种耦合方式:一、光锥耦合:将许多单根光导纤维细丝整齐排列后形成预制棒，其入射端和出射端一一对应，每个光纤端面为一个取样点，对应每个纤维细丝的入射光在该光纤中利用全反射到达出射端的对应面，实现像的传送。预制棒经过热处理后，在其中一端产生一定量的锥度，即形成了可以实现图像缩放的光锥。其主要缺陷可以分为以下七点:I)探测器开窗问题使用光锥进行耦合的一大难点在于光电探测器开窗问题。光锥端面的光线出射角很大(接近半球出射)，因此出射端面需要直接附着于探测器感光元才能实现清晰成像。目前市面上各类探测器(民用、军用和航天级别产品等)均有窗口保护玻璃，其固定方式各异，开启窗口的工艺复杂且危险系数极高。2)筛孔效应构成光锥的光纤细丝由通光的高折射率纤芯、低折射率包层和光吸收玻璃三层材料构成，因此每根细丝周围都存在一定面积的非通光区域，形成筛孔效应，降低了系统的有效通光面积。3)串扰当目标图像从光锥的大端面到小端面传输时，入射光在纤芯中多次反射后入射角成缩小趋势，在到达小端面时会出现入射角小于临界角的情况，成像光束穿过包层到达相邻纤芯中，造成串扰。4)硬性连接带来的环境适应性问题使用光锥耦合需要将光锥前后端面分别与像增强器和探测器进行接触式连接，这就对结构支撑环节提出极高的要求，尤其在航天应用领域。目前国际只有极少数国家具备成功发射经验，且对具体实施工艺进行保密控制。我国在这一领域目前尚处于进行工程化探索阶段。5)锥度比(缩比)较高时带来的串扰、分辨率、传函降低当像增强器尺寸和探测器尺寸之比较高时，需要光锥具有相应的放大率来实现耦合，如3)中提到的串扰效应加速恶化，此时单路光纤中的信号将会干扰相邻的多路信号，造成整个成像系统传函和分辨率降低，严重影响耦合成像质量。6)崎变光锥在热成型过程中受到横向挤压和纵向拉伸，且加热过程中存在温度梯度等。这些力学热学因素将造成每个芯径尺寸之间的差异，即产生成像畸变。7)像面照度均匀性差光锥的端面中心区域，光纤束的几何形态较为理想，而离中心越远，单丝的弯曲程度增加，在光束传输过程中发生光溢出的概率增高，因此在成像上表现为边缘像面照度明显低于中心区域。二、传统中继镜耦合:中继镜是由传统的光学镜片构成的近距离成像物镜，如果不考虑系统的体积和重量限制(地面应用系统)，那么主要制约中继镜应用的因素是耦合效率和像面均匀性。I)耦合效率:中继镜的物方孔径角(由物方数值孔径决定)代表了镜组对任意物点光辐射的收集能力，当发射窗口为光学玻璃时，光辐射近似为朗伯体发射，当窗口为光纤面板时，光辐射强度近似为高斯分布。无论采用何种窗口，中继镜只能收集孔径角对应立体角内的光辐射。根据业内的经验公式，一般认为中继镜耦合效率最高可达到15%左右。2 )像面均匀性:传统的中继镜无法保证物方各个视场的物点所发射的光辐射被均匀传输，尤其对于光纤面板窗口的像增强器来说，由于能量高斯分布的原因，从中心到边缘能量接收效率明显降低，不利于用于定量分析的微光系统。
发明内容
为了解决传统的中继镜耦合系统效率低、不利用定量分析的技术问题，本发明提供一种用于微光探测的光学耦合系统，它是一种用于地面微光探测成像系统的中继镜耦合系统，主要为了实现像增强器和成像探测器之间的非接触式图像传输的功能。本发明的技术解决方案是:一种高性能光学中继镜耦合系统，其特殊之处在于:包括沿光路依次设置的像增强器2、大孔径成像镜3以及探测器6，所述大孔成像镜3包括接收组4、成像组5以及光阑，所述光阑连接接收组4和成像组5,所述接收组4包括依次设置的前组单透镜一 42、前组胶合一 43、前组胶合二 44、前组单透镜二 45，所述成像组5包括依次设置的后组单透镜一 56、后组胶合一 57、后组胶合二58以及后组单透镜二 59。上述像增强器I的直径与探测器6的直径缩比为1:1 - 5:1。上述探测器6上的像方孔径角大于0.8，像方F数:大于0.8。入射像增强器I上的物方成像光束为远心光路。入射探测器上的像方成像光束为远心光路。本发明的优点:1、本发明将大孔成像镜3进行分组设计，分为接收组4和成像组5，再通过光阑将接收组与成像组组装。这样方便于确定缩比倍率，并且容易进行全局优化，达到较高的成像质量。2、本发明将物方成像光束设计为远心光路，适合与各类像增强器出射窗口匹配，且物方各个视场的光辐射接收能力均等，均匀性很高。3、本发明将像方成像光束设计为远心光路，保证各个物点到达探测器的能量无畸变，结合为远心光路的物方成像光束，可以达到很高的像面照度均匀性。4、本发明的中继镜耦合系统可以将像面几何畸变控制在万分之五的量级内，还可以根据像增强器自身实测畸变来自由调整畸变量进行补偿，从而达到彻底消除畸变影响。5、本发明的中继镜耦合系统利用普通光学玻璃即实现了在可见光谱段较高的传像质量，可以应用于大多数类型的像增强器耦合。本发明中继镜耦合系统应用范围广并且成本低。6、本发明的中继镜耦合系统可直接通过焦距缩放改变物方视场，从而适应目前标准尺寸(直径25mm)到大尺寸(直径75mm)像增强器的使用要求，且成像质量基本保持不变。7、在1:1缩比条件下，物方F数可以达到0.8，集光能力较高，此时系统耦合效率可达15%左右；在4:1缩比条件下，物方F数可以达到2.2，耦合效率大于5%。
图1为本发明光学耦合系统的原理示意图；图2为本发明光学耦合系统的结构示意图；图3为本发明光学稱合系统的一种实施例不意图；其中附图标记为:1-被探测目标，2-像增强器，3-大孔径成像镜，4-接收组，5-成像组，42-前组单透镜一，43-前组胶合一，44-前组胶合二，45前组单透镜二，56-后组单透镜一，57-后组胶合一，58-后组胶合二，59-后组单透镜二，6-探测器。
具体实施例方式如图1、图2所示，一种高性能光学中继镜耦合系统，包括沿光路依次设置的被探测目标1、像增强器2、大孔径成像镜3以及探测器6，大孔成像镜3包括接收组4、成像组5以及光阑，光阑用于连接接收组4和成像组5。接收组4包括依次设置的前组单透镜一 42、前组胶合一 43、前组胶合二 44、前组单透镜二 45，所述成像组5包括依次设置的后组单透镜一 56、后组胶合一 57、后组胶合二 58以及后组单透镜二 59。大孔径成像镜以光阑为界分为前组和后组两大部分。其中前组称为接收组，主要功能是将目标辐射均匀接收；后组称为成像组，主要功能是对目标辐射进行汇聚成像，并实现图像的缩放功能。接收组4与像增强器2的工作距离D1、成像组5与探测器6之间的工作距离D2可以在一定范围内调整，调整后的工作距离以满足探测器安装要求为标准。中继镜光轴与像增强器中心及探测器中心保证同轴，中继镜放大倍率由像增强器直径和探测器尺寸决定。像增强器I的直径与探测器6的直径比为1:1 - 5:1。在缩比为1:1时，物方F数可以达到0.8，集光能力较高，此时系统耦合效率可达15%左右；在缩比为4:1时，物方F数可以达到2.2，耦合效率大于5%。物方成像光束设计为远心光路，适合与各类像增强器出射窗口匹配，且物方各个视场的光辐射接收能力均等，均匀性很高。将像方成像光束设计为远心光路，保证各个物点到达探测器的能量无畸变，结合为远心光路的物方成像光束，可以达到很高的像面照度均匀性。实施例:根据本发明的指导思想，给出了一个具体的耦合系统设计实例，其设计结构图如图3所示，具体参数如表1:被探测目标(object)，探测器上所成像(image)，其中被探测目标的半径为无穷大(infinity)即为平面。表I为一种光学耦合系统的各种参数列表
权利要求
1.一种用于微光探测的光学耦合系统，其特征在于:包括沿光路依次设置的像增强器(2)、大孔径成像镜(3)以及探测器(6)，所述大孔成像镜(3)包括接收组(4)、成像组(5)以及光阑，所述光阑连接接收组(4 )和成像组(5 )， 所述接收组(4)包括依次设置的前组单透镜一(42)、前组胶合一(43)、前组胶合二(44)、前组单透镜二(45)，所述成像组(5)包括依次设置的后组单透镜一(56)、后组胶合一(57)、后组胶合二(58)以及后组单透镜二(59)。
2.根据权利要求1所述的用于微光探测的光学耦合系统，其特征在于:所述像增强器(2)的直径与探测器(6)的直径缩比为1:1 - 5:1。
3.根据权利要求1或2所述的用于微光探测的光学耦合系统，其特征在于:所述探测器(6)上的像方孔径角大于0.8,像方F数:大于0.8。
4.根据权利要求3所述的用于微光探测的光学耦合系统，其特征在于:入射像增强器(2)上的物方成像光束为远心光路。
5.根据权利要求4所述的用于微光探测的光学耦合系统，其特征在于:入射探测器上的像方成像光束为远心光路。
全文摘要
本发明涉及一种用于微光探测的光学耦合系统，包括沿光路依次设置的像增强器、大孔径成像镜以及探测器，大孔成像镜包括接收组、成像组以及光阑，光阑连接接收组和成像组，接收组包括依次设置的前组单透镜一、前组胶合一、前组胶合二、前组单透镜二，所述成像组包括依次设置的后组单透镜一、后组胶合一、后组胶合二以及后组单透镜二。本发明为了解决传统的中继镜耦合系统效率低、不利用定量分析的技术问题，本发明主要为了实现像增强器和成像探测器之间的非接触式图像传输的功能。
文档编号G02B27/00GK103207446SQ20131014333
公开日2013年7月17日 申请日期2013年4月23日 优先权日2013年4月23日
发明者孙鑫, 胡炳樑, 邹纯博, 李勇, 王乐, 白清兰 申请人:中国科学院西安光学精密机械研究所