CN101180564B - 二色性分束器及相关设备和方法 - Google Patents

Abstract

二色性分束器(11)，其具有非平行入射(25)和出射(27)表面，并减小了这些表面之间的距离，并且具有非球面出射表面，所述二色性分束器(11)能够有利地用于双通道光学系统，特别是当一个通道用于红外光，而另一个通道用于可见或近红外光时。

Description

二色性分束器及相关设备和方法

技术领域

本发明大体涉及二色性分束器，尤其是涉及用于双通道光学系统的二色性分束器，并且特别涉及用于其中一个通道是红外通道，而另一个通道是可见或近红外通道的双通道光学系统的二色性分束器。

背景技术

大量光学系统用于观察包含在光学系统的视场内的一个或多个目标物体发射和/或反射的光的景象。这些光学系统典型地将进入到该系统的光重新导引为在一个或多个点处形成图像，在该点处该图像能够被眼睛观察，或者被诸如电荷耦合器件(CCD)的光学传感器所检测。

美国专利No.4240707描述了一种基于经典Cooke triplet.的三镜全反射光学系统。该′707设备能够具有适度的视场(大约8至9度)，同时仍然保持良好的性能。′707设备非模糊(un-obscured)全反射光学系统在单谱带的高透射率和滤除离轴杂散光方面是优良的。

在某些情况下，希望利用两个谱带观察目标物体。已知各种方法用于实现两个谱带的使用。这种双通道方法包括(1)利用两个同样的光学系统，(2)在像平面之后使用两个中继器，以及(3)在像平面之前设置二色性分束器。

通常利用二色性分束器以将入射光分为两个分离的谱带，即透过该分束器的“通带”和被该分束器反射的“阻带”。通过将二色性分束器设置在光学系统的像平面之前，将要到达或穿过该平面的光首先进入到分束器。分束器通过/透射该光的一部分，并反射该光的另一部分。反射部分被沿第一路径，即反射通道，导引，而透射部分被沿第二路径，即透射通道，导引。穿过反射通道行进的光包含第一谱带(对应于分束器的阻带)的光，并且穿过透射通道行进的光包含不与第一谱带重叠的第二谱带(对应于分束器的通带)的光。

可以在J.Michael Rodgers的标题为“Unobscured Mirror Designs”的论文[p.33，SPIE vo1.4832(2002)]中找到有关反射镜设计方面的信息。

发明内容

本发明涉及二色性分束器，其具有非平行的入射和出射表面，减小了这些表面之间的距离，并且具有非球面出射表面，并且涉及相关的方法，以及利用这种分束器的光学系统。

在本发明的示范性实施例中，光学系统包括二色性分束器，该二色性分束器使第一表面与第二表面相对，并且该第一表面的光轴与该第二表面的光轴为非共线。

在本发明的另一示范性实施例中，一种二色性分束器包含非球面入射表面，以及与该入射表面相对的平面出射表面。该非球面入射表面相对于该相对的平面出射表面倾斜。

在本发明的又一示范性实施例中，形成二色性分束器的方法包括：(a)首先确定使穿过二色性分束器的光的像散效应最小化的倾斜角；然后(b)如果分束器具有该确定的倾斜角的入射表面和出射表面，则确定使穿过二色性分束器的光的像散效应最小化的非球面系数；然后(c)形成具有基本上等于该确定的倾斜角和非球面系数的倾斜角和非球面系数的二色性分束器。

附图说明

通过结合附图所进行的下面说明的考虑，本发明的确切原理及其目的和优点将变得更清楚，在这些附图中其全部图的类似的参考数字表示类似的部件，并且其中：

图1是基于本发明一个示范性实施例的光学系统的示意图；

图2是基于本发明的一个示范性实施例的二色性分束器的示意图；

图3是基于本发明的一个示范性实施例的三镜反射光学系统的示意图；

图4是基于本发明的一个示范性实施例的三镜反射光学系统的示意图；

图5是基于本发明的一个示范性实施例的三镜反射光学系统的示意图。

具体实施方式

现在参考本发明的优选实施例，其实例描绘于附图中。尽管结合优选实施例描述了本发明，但是应当理解，这些实施例并非意于限定本发明。相反，本发明意于覆盖可能包含在如附加的权利要求所限定的本发明的精神和范围内的替换、改进和等效物。

在下面的详细描述中，为了提供对本发明的透彻理解而阐述了大量特定细节。然而，本领域普通技术人员应当理解，本发明可以在没有这些特定细节的情况下实施。在另一些实例中，详细描述了公知的方法、步骤、元件和电路以便不会对本发明的重要方面产生不必要的含糊。

在图1中，光束13通过窗口3进入光学系统1，被初级反射镜5反射为光束15，然后被起系统的光学阻挡功能的次级反射镜7反射为光束17，并且然后被第三反射镜9反射为光束19。然后光束19在其通向像平面23的道路上被二色性分束器11分为分别导向像平面23A和23B的分量光束21A和21B。在所示的实施例中，光束21A包含可见和近红外光，并且有时在此处称作VNIR通道，而光束21B包含红外光，并且有时在此处被称作红外通道。VNIR图像形成在像平面23A处，而红外图像形成在像平面23B处。

在图2中，更详细地示出了二色性分束器11，并且其包含入射/反射表面25和出射表面27。表面27以点26为其顶点/中心点而关于轴N1径向对称，并且表面25以点24为其中心点而关于轴N2径向对称。出射表面27是非球面，并且形成为使得其实质上与由下面的方程E1、E2、E3、E4和E5所限定的表面共形：

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+Z_s{\mathrm{\ρ}}^4+Z_a{\mathrm{\ρ}}_y^{\′2}+Z_c{\mathrm{\ρ}}^2{\mathrm{\ρ}}_y^{\′}...\left(E1\right)$

${\mathrm{\ρ}}_x=\frac{x}{r_{\max }}...\left(E2\right)$

${\mathrm{\ρ}}_y=\frac{y}{r_{\max }}...\left(E3\right)$

$\mathrm{\ρ}=\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_x^2+{\mathrm{\ρ}}_y^2}...\left(E4\right)$

ρ′_y＝ρ_ycosθ-ρ_xsinθ………………………………(E5)。

在方程E1、E2和E3中，z是表面垂度(在表面的顶点位置处垂直于光轴N1定位的平面的偏移)，r_max是透镜的最大径向孔径，其由该表面的半径值定义。在方程E1中，非球面系数Z_s、Z_a和Z_c分别表示在最大径向孔径r_max处透镜单元内球面像差、像散和慧差的量。像散和慧差沿相对于y轴成θ角度的直线取向。方程E1-E5的x和y坐标位于偏离中心的并且倾斜的坐标系统内，该坐标系统通过偏离中心x、偏离中心y，关于x的倾斜和关于y的倾斜而定义。二色性分束器11的一个实施例的非球面系数Z_s、Z_a和Z_c通常利用现有技术已知的光学设计软件结合此处所描述的二色性分束器的标准来获得。

已经发现，如果入射和出射表面25和27是平面并且平行，那么反射/红外通道具有良好的性能，但是穿过分束器11的光束遭受严重的成像质量劣化，该劣化至少部分由穿过具有有限厚度的平行平面板的会聚光束造成的象差引起。这种象差可能主要由于像散加上较小量的慧差和球面象差引起。

为了提高VNIR图像质量，表面27相对于表面25倾斜，表面27构成为非球面，并且通过减小分束器厚度并使用具有减小的色散率的材料作为分束器基底来减小色差。

如果将方程E1的特定更高阶非球面系数Z_s、Z_a和Z_c设置为0，那么表面27将基本上为平面。可以预期，如果使表面27相对于表面25倾斜，使得如果表面27是平面并且位于平面P1上，并且表面25位于平面P2上时使得在平面P1和P2相交的直线处两平面形成面倾斜角A1，那么这是有利的。可替换的，如果表面27关于光学轴N1径向对称，并且表面25关于光学轴N2光学对称，那么角度A1是N1被旋转为与N2共线所必须经过的最小角度。

使分束器为楔形形状(使表面27相对于表面25倾斜)可以补偿所产生的大部分任意像散，同时会聚光束19的VNIR部分穿过分束器11。使分束器为楔形形状也可以减小在表面25和27彼此平行时可能产生的任何虚反射以及标准具效应。

除了提高成像质量，使表面27相对于表面25倾斜还影响像平面的位置和/或取向。参考图1，像平面23显示为如果分束器11不存在时可能存在的像平面的取向，同时像平面23A示出了VNIR像平面。如所看到的，平面23A相对于像平面23倾斜。这提供了用于对三镜倾斜和离心光学系统的性能进行“细微调节”的机构。

除了使表面27相对于表面25倾斜，同样有利的是使表面27为非球面。使表面27大致与方程E1所限定的表面共形，则将进一步使像散和慧差效应失效。可以预期，在某些情况下，根据从前面的光学元件(诸如窗口3和/或反射镜5、7和9)所级联的象差，非球面系数Z_s、Z_a和Z_c可以具有不同的值。

通过对使角度A1和针对象差、像散、慧差的非球面系数的作用相结合的效益函数进行优化，可以获得角度A1和非球面系数Z_s、Z_a和Z_c。通过在光学设计软件中结合该效益函数，以便使确定怎样将不同角度A1和非球面系数Z_s、Z_a和Z_c的组合对象差、像散和慧差产生影响的过程实现自动化来进行优化。角度A1优选通过在光学设计软件中使该效益函数优化到使像散最小来优选确定。非球面系数Z_s、Z_a和Z_c可以通过在光学设计软件中使该效益函数优化到主要在角度A1确定之后使残留的像散最小并减小慧差和球面象差来确定。

除了使表面27倾斜并使其为非球面之外，可以预期，减小分束器11的厚度(即，减小T1和T2)，并且使分束器具有更低的色散率(可能通过选择合适的材料或材料的组合用于形成分束器11)，将降低色差的作用。

厚度T1由机械强度的需要而得以确定。通常，分束器的长度和宽度与厚度的比例应当大于6或10。T1和T2之间的差形成前面讨论过的楔形角A1。

为了给定所关心的宽的谱线带宽，选择低色散玻璃作为分束器材料以使色差最小。在某些可见光的应用中，材料为Schott玻璃BK7。通过固定楔形棱镜并观察太阳，可以发现色散的实例。通过这样做，可以形成彩虹。如果将较低色散的材料用作棱镜，在通过该楔形棱镜衍射之后，每种颜色的衍射角具有比用较高色散材料用作棱镜时更小的差。

所有的反射成像光学(包括IR)双通道系统都从此处所描述的与分束器11相关的二色性分束器的使用中获得益处。使用这种分束器通常有利的是能够具有较小的复杂度和/或使分束器的尺寸减小，并使性能得以改进。这些系统的实例示于图3-5中。

在图3中，示出了适用于远程传感和监视的三镜反射(TMR)光学系统101。在图3中，光束113穿过窗口103进入光学系统101，并被初级反射镜105反射为光束115，然后被次级反射镜106反射为光束116，被第三反射镜107反射为光束117，然后被反射镜109反射为光束119。光束119在其到达滤光器123的道路上被二色性分束器111分为分别导向滤光器123A和123B的分量光束121A和121B。在所示的实施例中，光束121A包含可见和近红外光，并且有时此处被称作VNIR(可见和近红外)通道，并且光束121B包含红外光，并且有时在此处被称作SWIR(短波红外)通道。VNIR图像形成在VNIR滤光器123A处，并且红外图像形成在滤光器123B处。系统101可以有利地使用此处所描述的与图1和2的分束器11有关的二色性分束器作为分束器111。如果没有这种分束器，系统101将很可能需要包括SWIR补偿器125以补偿分束器引入的部分像散。

系统101在次级反射镜106处具有阻挡，并且在每个反射镜105、106和107内具有倾斜的并且偏心的并且更高阶的非球面系数以平衡象差，并使象差最小，以在单个通道内实现良好的成像性能。这种非模糊光学系统比模糊光学系统(诸如在空间望远镜中使用的(RC)Ritchey-Chretien光学系统)提供了更多光子，并具有更宽的视场。

在图4中，另一光学系统201是三镜消像散(TMA)系统，其具有比图3的TMR系统101更小的视场。在图4中，光束213经过窗口203进入光学系统201，被初级反射镜205反射为光束215，然后被次级反射镜206反射为光束216，被第三反射镜207反射为光束217。随后光束217被二色性分束器211分开。

TMA系统201在三反射镜205、206和207内形成中间焦平面208，并具有比TMR系统更小的有效视场。由此，诸如系统201的TMA系统提供了比TMR系统更好的杂散光控制。相反，诸如系统101的TMR系统不具有中间焦点，但是具有更大的视场。系统201可以有利的将此处所述的与图1和2的分束器11有关的二色性分束器用作分束器211。

在图5中，另一光学系统301是折射望远镜。折射望远镜301类似于TMR系统，但是，其利用折射/透射而不是反射。所有的反射望远镜都对色象差(色差)不敏感，并且在较高/较低热环境下具有比折射望远镜更好的成像质量。但是，折射望远镜更紧凑，并且其为旋转对称系统，从而具有较小的离轴象差(诸如慧差和像散)。系统301可以有利地使用此处所描述的与图1和2的分束器11有关的二色性分束器作为分束器311。在图5中，光束313经过窗口303进入光学系统301，被透镜305透射/折射为光束315，然后被透镜306透射/折射为光束316，被透镜307透射/折射为光束317，然后被透镜309透射/折射为光束319。然后光束319被二色性分束器311分为分量光束。

根据前述内容，应当清楚，形成二色性分束器的方法可以包括如下步骤：(a)首先确定使穿过二色性分束器的光的像散效应最小化的倾斜角；然后(b)如果分束器具有该确定的倾斜角的入射表面和出射表面，则确定使穿过二色性分束器的光的像散效应最小化的非球面系数；然后(c)形成具有基本上等于该确定的倾斜角和非球面系数的倾斜角和非球面系数的二色性分束器。

这种方法可以为自动化过程的一部分，其中获得用于形成分束器的材料的特性并用于获得所述确定结果。在另一项实例中，除了倾斜角和非球面系数之外，可以将所需要的图像特性用于选择二色性分束器的材料和/或尺寸。

Claims (9)

1.一种光学系统(1)，其具有第一光轴，所述光学系统包括：

二色性分束器(11)，其具有光入射表面(25)，该光入射表面(25)关于入射光轴(N2)光学对称；和出射表面(27)，其关于不同于入射光轴的出射光轴(N1)径向对称，所述出射表面(27)为非球面且相对于所述光入射表面(25)倾斜一角度(A1)，该角度被这样选择，即：使穿过所述二色性分束器的光(21A)的像散效应最小化，非球面的所述出射表面由非球面系数确定，所述非球面系数使穿过具有倾斜所述角度(A1)的出射表面的所述二色性分束器的光(21A)的像散最小化，

由此沿着所述光学系统的第一光轴行进在光入射表面(25)处被接收的入射光(19)被分为反射的光(21B)和所穿过的光(21A)，所穿过的光(21A)离开出射表面(27)，从而在所述光学系统中为可见和近红外光提供了宽的视场。

2.如权利要求1所述的光学系统，其中所述入射表面(25)基本上为平面。

3.如权利要求1所述的光学系统，其中该二色性分束器(111)从三镜(105，106，107)反射光学系统(101)接收光。

4.如权利要求3所述的光学系统，其中该二色性分束器(111)沿入射窗口(103)和滤光器之间的光路设置在第一反射镜(105)、第二反射镜(106)和第三反射镜(107)之后。

5.如权利要求4所述的光学系统，其中所穿过的光(121A)基本上由可见和近红外光构成，反射的光(121B)基本上由短波红外光构成。

6.一种光学系统，该光学系统具有第一光轴并包括：

三反射镜(205，206，207)消像散系统(201)；和

二色性分束器(211)，该二色性分束器(211)具有光入射表面(25)，所述光入射表面(25)关于入射光轴(N2)光学对称；和出射表面(27)，所述出射表面关于不同于入射光轴的出射光轴(N1)径向对称，且所述出射表面为非球面并相对于所述光入射表面(25)倾斜一角度(A1)，该角度被这样选择，即：使穿过所述二色性分束器的光(21A)的像散效应最小化，非球面的所述出射表面由非球面系数确定，所述非球面系数使穿过具有倾斜所述角度(A1)的出射表面的所述二色性分束器的光(21A)的像散最小化，

由此沿着所述光学系统的第一光轴行进在光入射表面(25)处被接收的入射光(19)被分为反射的光(21B)和所穿过的光(21A)，所穿过的光(21A)离开出射表面(27)，从而在所述光学系统中为可见和近红外光提供了宽的视场。

7.如权利要求6所述的光学系统，其中所穿过的光基本上由可见和近红外光构成，反射的光基本上由短波红外光构成。

8.一种光学系统，该光学系统具有第一光轴并包括：

四透镜(305，306，307，309)折射系统(301)；和

二色性分束器(311)，该二色性分束器(311)沿着从入射窗口(303)起的光路设置在第一透镜(305)、第二透镜(306)、第三透镜(307)和第四透镜(309)之后，并具有光入射表面(25)，所述光入射表面(25)关于入射光轴(N2)光学对称；和出射表面(27)，所述出射表面关于不同于入射光轴的出射光轴(N1)径向对称，且所述出射表面为非球面并相对于所述光入射表面(25)倾斜一角度(A1)，该角度被这样选择，即：使穿过所述二色性分束器的光(21A)的像散效应最小化，非球面的所述出射表面由非球面系数确定，所述非球面系数使穿过具有倾斜所述角度(A1)的出射表面的所述二色性分束器的光(21A)的像散最小化，

由此沿着所述光学系统的第一光轴行进在光入射表面(25)处被接收的入射光(19)被分为反射的光(21B)和所穿过的光(21A)，所穿过的光(21A)离开出射表面(27)，从而在所述光学系统中为可见和近红外光提供了宽的视场。

9.如权利要求8所述的光学系统，其中所穿过的光基本上由可见和近红外光构成，反射的光基本上由短波红外光构成。

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