CN101694539B - 超大视场、大孔径双色光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学仪器技术领域，涉及一种超大视场、大孔径双色光学系统。本发明是由单负反射镜，单正反射镜，单正反射镜，孔径光栏以及含非球面的负透镜，单正透镜，保护窗玻璃和分光镜，探测器像面组成。本发明的视场最大可达130°，且系统的相对孔径大，系统光圈数F最小为1.5，且系统采用离轴结构形式，避免了能量遮拦损失，有利于系统能量探测。系统前三块反射镜是非球面，可以使用金刚石车床直接加工。为了校正像差，非球面都加在容易加工的光学玻璃材料。系统成像质量好，结构简单，而且可以很好的抑制杂光，通过分光镜分光后，系统可应用于在航空和地面的红外和紫外双谱段、大视场的侦察、观测等领域，此外，还可应用在光学检测设备上。

Description

超大视场、大孔径双色光学系统

技术领域

本发明属于光学仪器技术领域，涉及一种大视场、大孔径红外和紫外双谱段混和的光学系统，特别适用于特殊双谱段的焦平面成像或能量探测。

背景技术

目前，以紫外和红外焦平面光电阵列探测器作为成像接收器的大视场、大孔径高传递函数值(MTF)的混光光学系统，无论是在航天、航空和地面的侦察，目标跟踪探测中，都能获得常规镜头无法比拟的宽谱段高清晰度照片和更多目标谱段信息，可广泛应用于国防、军工领域，因此备受国防、军事部门的青睐。

目前采用的相机光学系统，无论是单一的红外相机，还是单一的紫外相机，普通的小视场光学系统中，为了校正光学像差的需要，多采用多片不同玻璃材料组合，因此系统体积和重量都较大，对系统灵活使用有着较大的影响，而且很难获得比较高的传递函数值(MTF)；若系统中采用衍射光学元件，其衍射光学元件难以加工、检测，而且衍射元件加工精度对衍射效率有较大影响，从而也影响结构形式，相机不好布局，增加相机重量，何况对于紫外和红外两种波长混光光学系统，传统系统将更复杂，而且材料也难选择。

与本发明最为接近的已有技术是中国的一个专利(CN.patent 1327164A)，如图1所示，是由正光焦度第一透镜，负光焦度第二透镜，正光焦度第三透镜，杜瓦窗口，孔径光阑和成像接收器组成的。该光学系统的视场不够大，只能达到28°，且第二透镜使用色散较大的红外玻璃，材料的选择和加工困难。

为了克服上述缺点，特设计一种可适合于较大范围的视场角(0°～130°)，系统光圈数F的值为1～2，系统的结构简单，并能获得比较高的传递函数值(MTF)的光学系统。

发明内容

本发明的目的是为了解决在获得大视场的条件下，减小系统的体积，减轻系统的重量，降低光学元件的获取和加工难度的问题，提出一种超大视场、大孔径双色光学系统。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的超大视场、大孔径双色光学系统，包括单负非球面光学反射镜、第一单正非球面光学反射镜、第二单正非球面光学反射镜、分光镜、非球面透镜、单正透镜、红外探测器像面、紫外探测器像面；按x、y、z右手空间坐标系有序排列，z轴方向定为光轴方向，y轴垂直于z轴，x轴垂直于yz平面，yz坐标平面为光学系统的子午面；各块透镜的光轴和系统的光轴重合，在光的传播方向上，依次排列单负非球面光学反射镜，第一单正非球面光学反射镜，第二单正非球面光学反射镜，分光镜，非球面透镜，单正透镜和红外探测器像面，紫外探测器像面；无穷远的目标经过单负非球面光学反射镜后照射到第一单正非球面光学反射镜，经过第一单正非球面光学反射镜后照射到第二单正非球面光学反射镜，然后由第二单正非球面光学反射镜照射到分光镜，光线将分成红外和紫外两部分，其中红外光线再经非球面透镜，然后由单正透镜照射到红外探测器像面，紫外光线则直接投射到紫外探测器像面上，分别得到两种波长的最后的像。

所述的单负非球面光学反射镜是一个光焦度为负的非球面反射镜，第一单正非球面光学反射镜是一个光焦度为正的光学反射镜，第二单正非球面光学反射镜是一个光焦度为正的光学反射镜，非球面透镜是一个光焦度为负的非球面透镜，单正透镜是一个光焦度为正的球面透镜。

本发明的一种超大视场、大孔径双色光学系统的设计方法如下：

1、采用含非球面的反远结构

为了使大视场的目标(及远方物体)能分别成像在红外探测器像面和紫外探测器像面上，采用了含光学非球面的反远结构。为了实现大视场，本发明采用了由前组负透镜和后组正透镜组合的反远结构形式，基于这个几何特性，本发明的光学系统采用了非球面反射镜，前三块反射镜是非球面，单负非球面光学反射镜是一个光焦度为负的非球面反射镜，第一单正非球面光学反射镜是一个光焦度为正的非球面光学反射镜，第二单正非球面光学反射镜是一个光焦度为正的非球面光学反射镜。这样本系统的视场最大可达130°。为了校正大孔径系统产生的其它像差，系统主要通过使用后续校正镜进行综合补偿，最后的设计结果是相对孔径的倒数光圈数F的数值最小为1.5。为了校正像差，非球面都采用易加工的常规光学玻璃材料，可以使用金刚石车床直接加工。系统成像质量好，而且可以很好的抑制杂光，并能获得比较高的MTF。

2、采用分光镜

为了使大视场的目标(及远方物体)能分别成像在红外探测器像面和紫外探测器像面上，本发明采用分光镜将光线分为红外和紫外两个部分。无穷远目标经过单负非球面光学反射镜后照射到第一单正非球面光学反射镜，再照射到第二单正非球面光学反射镜，然后通过分光镜分光，光线将分为红外和紫外两部分，其中红外光线再经过非球面透镜，然后由单正透镜照射到红外探测器像面；而紫外光线则直接投射到紫外探测器像面上，分别得到两种波长的最后的像。

这样系统可应用于在航空和地面的红外和紫外双谱段、大视场的侦察、观测等领域，此外，还可应用在光学检测设备上。

3、采用离轴结构形式

本发明采用了离轴结构形式，离轴结构即中心视场主光线与镜面的对称轴有一个夹角，本发明的单负非球面光学反射镜，第一单正非球面光学反射镜及第二单正非球面光学反射镜的对称轴与中心视场主光线都有一定的夹角，构成了离轴结构。目标光线以和光轴夹角40°入射到单负非球面光学反射镜，第一单正非球面光学反射镜和第二单正非球面光学反射镜的几何轴和单负非球面光学反射镜的几何轴同轴且平行于光轴，分光镜和光轴夹角45度，非球面透镜、单正透镜和红外探测器像面垂直于光轴，紫外探测器像面和光轴平行。

这种离轴结构形式避免了能量遮拦损失，有利于系统能量的探测。且使系统的体积小，重量轻。

通过以上设计方法，本发明的一种超大视场、大孔径双色光学系统的视场最大可达130°，且系统的相对孔径大，相对孔径的倒数光圈数F的数值最小为1.5，且系统的成像质量好，可以很好的抑制杂光，结构简单。

本发明的工作原理：在本发明的一种超大视场、大孔径双色光学系统中，无穷远的目标经过单负非球面光学反射镜后照射到第一单正非球面光学反射镜，经过第一单正非球面光学反射镜后照射到第二单正非球面光学反射镜，然后由第二单正非球面光学反射镜照射到分光镜，光线将分成红外和紫外两部分，其中红外光线再经非球面透镜，然后由单正透镜照射到红外探测器像面，紫外光线直接投射到紫外探测器像面上，分别得到两种波长的最后的像。

有益效果

本发明对比已有技术具有以下显著优点：本系统的视场最大可达130°，且系统的相对孔径大，相对孔径的倒数光圈数F的数值最小为1.5，且系统采用离轴结构形式，避免了能量遮拦损失，有利于系统能量探测。为了校正像差，非球面都采用易加工的光学玻璃材料。系统成像质量好，结构简单，而且可以很好的抑制杂光，特别适合作为红外和紫外双谱段、大视场的光学系统，应用在航空和地面侦察、观测等领域，还可应用在光学检测设备上。

附图说明

图1是已有技术的结构示意图；

图2是本发明实施例的结构示意图；

图3是本发明实施例采用的坐标系示意图；

图中，1-第一单负球面透镜、2-第二单负球面透镜、3-第三单正球面透镜、4-单正球面透镜、5-光阑、6-探测器像面、7-单负非球面光学反射镜、8-第一单正非球面光学反射镜、9-第二单正非球面光学反射镜、10-分光镜、11-非球面透镜、12-单正透镜、13-红外探测器像面、14-紫外探测器像面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例如图2所示，本发明将主要应用于含紫外和红外焦平面光电阵列探测器作为成像接收器的混光光学系统，无论是在航天、航空和地面的侦察，目标跟踪探测中，都能获得常规镜头无法比拟的宽谱段高清晰度照片和更多目标谱段信息，可广泛应用于国防、军工领域、民用电缆测试等，因此备受多部门的关注。本发明在研发过程中得到了空军预研和航空基金的支持。

如图2所示，本发明是一种超大视场、大孔径双色光学系统，包括单负非球面光学反射镜7，第一单正非球面光学反射镜8，第二单正非球面光学反射镜9，分光镜10，非球面透镜11，单正透镜12，红外探测器像面13和紫外探测器像面14。

本发明的一种超大视场、大孔径双色光学系统按x、y、z右手空间坐标系有序排列，z轴方向定为光轴方向，y轴在图示3平面内，x轴垂直于yz平面，yz坐标平面为光学系统的子午面。各块透镜的光轴和系统的光轴重合，在光的传播方向上，依次排列单负非球面光学反射镜7，第一单正非球面光学反射镜8，第二单正非球面光学反射镜9，分光镜10，非球面透镜11，单正透镜12和红外探测器像面13，紫外探测器像面14。第一面沿z轴方向到第14面探测器像面的间距是系统焦距的3倍。

实施例中的单负非球面光学反射镜7是一个光焦度为负的非球面反射镜，第一单正非球面光学反射镜8是一个光焦度为正的光学反射镜，第二单正非球面光学反射镜9是一个光焦度为正的光学反射镜，非球面透镜11是一个光焦度为负的非球面透镜，单正透镜12是一个光焦度为正的球面透镜。

本发明的一种超大视场、大孔径双色光学系统采用了含光学非球面的反远结构，系统的单负非球面光学反射镜7的光焦度为负，第一单正非球面光学反射镜8的光焦度为正，无穷远的目标经过单负非球面光学反射镜7后照射到第一单正非球面光学反射镜8，经过第一单正非球面光学反射镜8后照射到第二单正非球面光学反射镜9，然后由第二单正非球面光学反射镜9照射到分光镜10，光线将分成红外和紫外两部分，其中红外光线再经非球面透镜11，然后由单正透镜12照射到红外探测器像面13，紫外光线直接投射到紫外探测器像面14上，分别得到两种波长的最后的像。

Claims (4)

1.超大视场、大孔径双色光学系统，其特征在于：包括单负非球面光学反射镜(7)、第一单正非球面光学反射镜(8)、第二单正非球面光学反射镜(9)、分光镜(10)、非球面透镜(11)、单正透镜(12)、红外探测器像面(13)、紫外探测器像面(14)；按x、y、z右手空间坐标系有序排列，z轴方向定为光轴方向，y轴垂直于z轴，x轴垂直于yz平面，yz坐标平面为光学系统的子午面；非球面透镜(11)是一个光焦度为负的非球面透镜，单正透镜(12)是一个光焦度为正的球面透镜；各块透镜的光轴和系统的光轴重合，在光的传播方向上，依次排列单负非球面光学反射镜(7)，第一单正非球面光学反射镜(8)，第二单正非球面光学反射镜(9)，分光镜(10)，非球面透镜(11)，单正透镜(12)和红外探测器像面(13)，紫外探测器像面(14)；无穷远的目标经过单负非球面光学反射镜(7)后照射到第一单正非球面光学反射镜(8)，经过第一单正非球面光学反射镜(8)后照射到第二单正非球面光学反射镜(9)，然后由第二单正非球面光学反射镜(9)照射到分光镜(10)，光线将分成红外和紫外两部分，其中红外光线再经非球面透镜(11)，然后由单正透镜(12)照射到红外探测器像面(13)，紫外光线则直接投射到紫外探测器像面(14)上，分别得到两种波长的最后的像。

2.根据权利要求1所述的超大视场、大孔径双色光学系统，其特征在于：单负非球面光学反射镜(7)是一个光焦度为负的非球面反射镜，第一单正非球面光学反射镜(8)是一个光焦度为正的光学反射镜，第二单正非球面光学反射镜(9)是一个光焦度为正的光学反射镜。

3.根据权利要求1所述的超大视场、大孔径双色光学系统，其特征在于：为了校正像差，非球面镜采用易加工的常规光学玻璃材料。

4.一种超大视场、大孔径双色光学系统，其特征在于该系统的设计方法如下：

1)、采用含非球面的反远结构

为了使大视场的目标能分别成像在红外探测器像面(13)和紫外 探测器像面(14)上，采用由前组负透镜和后组正透镜组合的反远结构形式，并基于这个几何特性，该光学系统采用非球面反射镜，前三块反射镜是非球面，单负非球面光学反射镜(7)是一个光焦度为负的非球面反射镜，第一单正非球面光学反射镜(8)是一个光焦度为正的非球面光学反射镜，第二单正非球面光学反射镜(9)是一个光焦度为正的非球面光学反射镜；这样使本系统的视场最大可达130°；为了校正大孔径系统产生的其它像差，系统主要通过使用后续校正镜进行综合补偿，最后的设计结果是相对孔径的倒数光圈数F的数值最小为1.5；为了校正像差，非球面都采用易加工的常规光学玻璃材料，可以使用金刚石车床直接加工；

2)、采用分光镜

为了使无穷远目标能分别成像在红外探测器像面(13)和紫外探测器像面(14)上，采用分光镜(10)将光线分为红外和紫外两个部分；无穷远目标经过单负非球面光学反射镜(7)后照射到第一单正非球面光学反射镜(8)，再照射到第二单正非球面光学反射镜(9)，然后通过分光镜(10)分光，光线将分为红外和紫外两部分，其中红外光线再经过非球面透镜(11)，然后由单正透镜(12)照射到红外探测器像面(13)；而紫外光线则直接投射到紫外探测器像面(14)上，分别得到两种波长的最后的像；

3)、采用离轴结构形式

离轴结构即中心视场主光线与镜面的对称轴有一个夹角，本系统的单负非球面光学反射镜(7)，第一单正非球面光学反射镜(8)及第二单正非球面光学反射镜(9)的对称轴与中心视场主光线都有夹角，构成了离轴结构；目标光线以和光轴夹角40°入射到单负非球面光学反射镜(7)，第一单正非球面光学反射镜(8)和第二单正非球面光学反射镜(9)的几何轴和单负非球面光学反射镜(7)的几何轴同轴且平行于光轴，分光镜(10)和光轴夹角45度，非球面透镜(11)、单正透镜(12)和红外探测器像面(13)垂直于光轴，紫外探测器像面(14)和光轴平行。 

Images