CN102495474B

CN102495474B - 一种可见光/长波红外宽波段共调焦光学成像系统

Info

Publication number: CN102495474B
Application number: CN2011104081451A
Authority: CN
Inventors: 金伟其; 林青; 王霞; 郭宏; 张莹昭
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2011-12-09
Filing date: 2011-12-09
Publication date: 2013-04-03
Anticipated expiration: 2031-12-09
Also published as: CN102495474A

Abstract

本发明公开了一种可见光/长波红外宽波段共调焦光学成像系统，包括宽光谱调焦窗口、分色片、长波红外镜组和可见光镜组；分色片与水平光轴成45°；通过宽光谱调焦窗口入射的光线通过分色片和可见光镜组后成像在可见光传感器上；长波红外镜组从物方到像方按顺序依次由第一透镜、第二透镜、反射镜和第三透镜组成；反射镜与分色片平行，宽波段光线中的红外光线通过分色片和长波红外镜组成像在非制冷探测器上；第二透镜的第一面为二元面，第三透镜的第二面为非球面，通过二元面和非球面的设计消除系统热差和像差。本发明能解决单一波段探测精度不高、双波段双镜头成像存在视差、双波段成像像差大、红外系统存在热差、双波段共同调焦问题。

Description

一种可见光/长波红外宽波段共调焦光学成像系统

技术领域

本发明属于双波段融合热成像系统，具体涉及一种能同时在0.6μm~0.8μm、8μm~12μm双波段成像的宽波段共调焦光学成像系统，它主要用于手持式目标探测和识别系统。

背景技术

近年来，在光电成像设备迅速发展的同时，军事目标的伪装技术也不断进步，导致传统的单一波段设备所能探测到的信息减弱，目标的识别率下降，已经不能满足军事目标探测的需求。基于双波段的光电成像系统成为国内外研究的热点。

可见光与红外探测器由于成像机理不同，两者所反应的目标特征信息也不同。可见光图像的场景细节丰富，但容易受到天气和外界环境的干扰，采用CCD/CMOS成像器件和数字图像处理技术之后，增强了观察者在恶劣气象环境下的观察和识别效果，但对诸如军事迷彩的探测和分辨能力仍然受到限制；热图像则呈现较好的热对比度，受天气和照明的影响小，具有穿透雾、霭、雨、雪且作用距离远的优势，有效地提高了人们发现目标的能力，提高了在全天候条件下的观察能力，但其为目标场景的红外辐射图像，与人眼视觉效果相差较大，部分影响了对目标和场景的识别。显然可见光成像和红外成像具有明显的互补性。近年来迅速发展的红外与可见光的彩色融合技术有效地融合了两者的优势，使人眼有效的感知各波段图像的特征信息，提升对目标与场景信息的探测识别精度。因此，同时融合了场景细节和热目标的可见光/红外双波段成像系统成为近期研究的热点。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种可见光/长波红外（VIS/LWIR）宽波段共调焦光学成像系统，解决现有的单一波段探测精度不高、双波段双镜头成像存在视差、可见光/长波红外双波段成像像差大、红外系统存在热差、双波段共同调焦问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种可见光/长波红外宽波段共调焦光学成像系统，包括：宽光谱调焦窗口、分色片、长波红外镜组和可见光镜组；宽光谱调焦窗口垂直水平光轴放置，分色片与水平光轴成45°；可见光镜组水平放置，从宽光谱调焦窗口进入的宽波段光线通过分色片的透射后经过可见光镜组成像在可见光传感器上；

所述宽光谱调焦窗口为一片正光焦度的透镜；长波红外镜组从物方到像方按顺序依次由第一透镜、第二透镜、反射镜和第三透镜组成，第一透镜的外缘作为第一光阑；反射镜与分色片平行设置，从宽光谱调焦窗口进入的宽波段光线中的红外光线通过分色片的反射垂直入射到第一透镜，红外光线经过第一透镜、第二透镜、反射镜、第三透镜成像在非制冷探测器上；

所述第二透镜的第一面为二元面，二元面参数为：φ(r)＝-98.485r²+14.133r⁴-4.182r⁶，式中，r表示二元面径向半径；

所述第三透镜的第二面为非球面，非球面系数为：A₄＝6.443700E-006，A₆＝1.764600E-008，A₈＝-2.751400E-011。

所述长波红外镜组中：

所述长波红外镜组中三个透镜均镀有8μm~12μm的增透膜；第一透镜以GaSIR2为基底材料，第二透镜以Ge为基底材料、反射镜以玻璃为基底材料且对波段8μm~12μm的反射率大于92%，第三透镜以GaSIR2为基底材料。

从物方到像方看各光学镜与其后一光学器件之间的空气间隔为-4.13mm、-17mm、17mm、12.15mm；宽光谱调焦窗口与分色片、以及分色片与第一透镜的空气间隔分别为28mm、-27mm；

第一透镜~第三透镜的厚度分别为-4mm、-3mm、7mm；

第一透镜的第一面为曲率半径-29.77mm的凸面，第二面为曲率半径-34.99mm的凹面；第二透镜的第一面为曲率半径224.9mm的二元面，第二面为曲率半径490mm的凸面；第三透镜的第一面为曲率半径18.03mm的凸面，第二面为曲率半径23.17mm的非球面；

所述宽光谱调焦窗口的第一面为曲率半径为418.8mm、厚度为5mm的凸面。其中，所述宽光谱调焦窗口材料选择宽光谱硫化锌，表面镀双波段减反膜材料。所述分色片的基底材料选用H-ZF7LA，透过率为T_{0.6μm- 0.8μm}≥80%，反射率R_8μm-12μm≥90%。

在可见光透镜组中：

从物方到像方按顺序依次由可变光阑、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜和第九透镜组成；

可变光阑设置在第四透镜之前距离2mm的位置，可变光阑与分色片的空气距离为26mm；从物方到像方看第四透镜~第九透镜每个相邻透镜与其后一光学器件间的空气间隔分别为0mm、0.823mm、33.437mm、0.577mm、5.698mm和5.69mm；

第四透镜~第九透镜的基底材料分别为ZF14、H-LAK7、ZF14、H-ZBAF21、H-LAK61、ZF10；第四透镜~第九透镜的厚度分别为2.5mm、7.5mm、4mm、4mm、4.5mm、1.5mm；

第四透镜的第一面为曲率半径71.61mm的凸面，第二面为曲率半径19.903mm的凹面；第五透镜的第一面为曲率半径19.903mm的凸面，第二面为曲率半径194.09的凹面；第六透镜的第一面为曲率半径40.18mm的凸面，第二面为曲率半径60.26mm的凹面；第七透镜的第一面为曲率半径312.6mm的凸面，第二面为曲率半径-43.65mm的凸面；第八透镜的第一面为曲率半径22.49mm的凸面，第二面为曲率半径390.37mm的凹面；第九透镜的第一面为曲率半径-37.07mm的凹面，第二面为曲率半径18.5mm的凹面。

优选地，所述宽光谱调焦窗口两面全口径均为50mm；分色片全口径为64mm；反射镜全口径为42mm；可变光阑全口径为27.3mm；

透镜的第一面和第二面全口径采用[a/b]表示，则第一透镜~第九透镜两面的全口径分别为：[34/30]、[30/32]、[26/20]、[30/30]、[30/30]、[30/30]、[27/27]、[24/24]、[14/12]，单位均为mm。

本发明的优点在于：

（1）本发明采用分色片透射可见光，反射长波红外，可实现两个分系统的视场完全一致，便于后期的图像处理。

（2）红外系统利用二元面的设计完全消除了热差，使得本系统可以在宽温度范围内使用；利用二元面和非球面的组合设计消除像差，提供好的像质；这种消除热差和像差的处理与增加透镜消除热差和像差的设计相比，减少了透镜的使用，减轻整个系统重量，降低成本，为系统小型化提供了有利的条件。

（3）VIS/LWIR宽波段共调焦光学成像系统在分色片之前加入了一个有一定光焦度的宽光谱调焦窗口，不仅可以实现消除视差，同时可以对长波红外、可见光两个分系统进行同时调焦。

（4）两个分系统的光阑位于不同的位置，可以根据各自的传感器情况采用不同的F数；可见光的光阑为可变光阑，使得系统既可以在白天使用也可以在夜晚使用。

（5）整个成像系统结构紧凑、体积小、重量轻、使用方便，可以在VIS/LWIR宽波段范围内实现大倍率、大视场、小F数成像。

本成像系统可以对目标实现双波段观测，充分利用了可见光和长波红外两个波段的能量，提高对目标的识别、探测精度，可以有效的应用于军事和民用领域。

附图说明

图1为VIS/LWIR宽波段共调焦光学成像系统图；

图2为红外分系统光学结构示意图；

图3为可见光分系统光学结构示意图；

图4为本发明在8μm~12μm波段内的像质分析图，其中图4A为MTF曲线图、4B为包围圆能量；

图5为红外分系统在两个极端温度时的MTF曲线图，其中图5A为-40℃时红外分系统的MTF图，图5B为70℃时红外分系统的MTF图。

图6为本发明在0.6μm~0.8μm波段内的像质分析图，其中图6A为MTF曲线图、图6B为包围圆能量；

图7为长波红外镜组中衍射面相位图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，VIS/LWIR宽波段共调焦光学成像系统包括宽光谱调焦窗口1、分色片2、长波红外镜组L1和可见光镜组L2。其中，宽光谱调焦窗口1垂直水平光轴放置，分色片2与水平光轴成45°，可见光镜组L2水平放置，长波红外镜组入射光方向垂直水平光轴。上述器件组成两个光学子系统：红外分系统G1、可见光分系统G2。红外分系统G1由宽光谱调焦窗口1、分色片2、长波红外镜组L1组成，可见光分系统G2由宽光谱调焦窗口1、分色片2、可见光镜组L2组成。

宽光谱调焦窗口1由一片正光焦度的透镜组成，材料选择宽光谱硫化锌，表面镀双波段减反膜材料。该宽光谱调焦窗口1不仅可以实现消除色差，还可以对红外分系统G1和可见光分系统G2实现共调焦。本实施例中，全口径为50mm，厚度为5mm，对10m处目标调焦时，宽光谱调焦窗口(1)的移动距离为10mm。

分色片2采用透可见光、反长波红外的材料；其基底可以选用材料H-ZF7LA，其透过率T_{0.6μm-0.8μm}≥80%，反射率R_8μm-12μm≥90%。本实施例中，形状为矩形，尺寸为40mm×54mm，厚度为5mm。

如图2所示，红外分系统G1由宽光谱调焦窗口1、分色片2、长波红外镜组L1组成。长波红外镜组L1从物方到像方按顺序依次由第一透镜3、第二透镜4、反射镜5、第三透镜6组成，第一透镜的外缘作为本长波红外镜组L1的光阑，称为第一光阑。反射镜5与分色片2平行设置，反射面相对。宽波段光线经过宽光谱调焦窗口1和分色片2之后，红外光线经过分色片2的反射垂直入射到长波红外镜组L1，光线经过第一透镜3、第二透镜4、反射镜5、第三透镜6成像在氧化钒非制冷探测器13上。第一透镜3、第二透镜4共轴，第三透镜6与第二透镜4光轴垂直。这里，加入反射镜5的目的是进一步减小系统的纵向尺寸，合理利用空间安排结构。

反射镜5以玻璃为基底材料，对波段8μm~12μm的反射率大于92%。本实施例中，选取反射镜的厚度为5mm，形状为矩形，有效反射面积为27mm×36mm，选用K9玻璃。三个透镜均镀有8μm~12μm增透膜，第一透镜3以GaSIR2为基底材料，第二透镜(4)以Ge为基底材料、其第一面为二元面，二元面参数为：φ(r)＝-98.485r²+14.133r⁴-4.182r⁶，式中，r表示二元面径向半径。第三透镜6以GaSIR2为基底材料、其第二面为非球面，非球面系数为：A₄＝6.443700E-006，A₆＝1.764600E-008，A₈＝-2.751400E-011。其中，第一面和第二面从光路方向看分别是入射光面和出射光面。

其中，二元面和非球面的设计是为了消除热差和像差。考虑到二元面热差系数和色差系数与正常折射透镜的热差系数和像差系数符号相反，根据消热差和消色差原理，采用二元面与折射系统组合成的折衍混合系统消除热差，并且通过二元面和非球面的组合设计消除像差。更重要的是，这种消除热差和像差的处理与增加透镜消除热差和像差的设计相比，减少了透镜的使用，减轻整个系统重量，降低成本，为系统小型化提供了有力的条件。

上述红外分系统G1中各透镜的折射半径、厚度以及空气间隔根据系统所需达到的指标进行具体设计，最后根据加工条件设计各光学元件的口径。

对于可见光分系统G2，本实施例采用具有可变光阑的透镜组合。如图3所示，在本实施例中，可见光分系统G2由宽光谱调焦窗口1、分色片2、可见光镜组L2组成；可见光镜组L2从物方到像方按顺序依次由共轴的可变光阑、第四透镜7、第五透镜8、第六透镜9、第七透镜10、第八透镜11、第九透镜12组成；经过分色片2透射的可见光经过第四透镜7、第五透镜8、第六透镜9、第七透镜10、第八透镜11、第九透镜12，最终成像在CCD14上。同理，该可见光分系统G2中各透镜的折射半径、厚度以及空气间隔根据系统所需达到的指标进行具体设计，最后根据加工条件设计各光学元件的口径。

下面举一个例子，本实例中，要求红外分系统G1的具体指标为：工作波段8μm~12μm，红外分系统的焦距f′_IR＝40mm，视场角2ω=9.8°，红外分系统的F数F_IR＝1.1，调焦距离10m~3000m，工作温度-40℃~+70℃。可见光分系统G2的具体参数为：工作波段0.6μm~0.8μm，可见光分系统焦距f′_VIS＝47mm，视场角2ω=9.8°，可见光分系统F数F_VIS＝1.4~2，调焦距离10m~3000m，工作温度-40℃~+70℃。

其中，根据选择的红外探测器和CCD尺寸、目镜参数、系统要求的视放大倍率来确定两个分系统的焦距值和视场角；红外系统的F数是综合考虑探测器参数和透过率做出的选择，可见光系统的F数主要也是考虑系统透过率问题；白天和夜晚的光强不同，所以做成可变光阑，调节系统光强。工作温度是常用的军品要求温度范围。调焦距离是根据实际观测的需要，并结合红外系统的探测距离确定的。

根据上述参数要求，确定本系统各光学元件的参数并利用仿真软件进行详细调整和仿真，最终所得结果如表1和表2所示：

表1为红外分系统G1的参数，表2为可见光分系统G2的参数。

表1

注：表1中n表示材料在波长10μm时的折射率。

表2

注：表2中n表示材料对d光（λ＝0.587nm）的折射率；ν表示材料对d光的阿贝数。

如图4所示为本实例在8μm~12μm波段内的像质分析情况，图4A中可以看到在特征频率30lp/mm处MTF>0.4，接近衍射极限，图4B中可以看到包围圆能量在17μm处大于80%。

如图5A和图5B分别示出了红外分系统G1在两个极端温度-40℃、+70℃时的MTF值，两个温度下的MTF值与常温时红外分系统G1的MTF值基本一致，表明红外分系统G1已经完全消除了热差，可以在-40℃~+70℃温度范围内清晰成像。

如图6所示为本发明在0.6μm~0.8μm波段内的像质分析情况，图6A中可以看到在特征频率64lp/mm处MTF>0.4，图6B中可以看到包围圆能量在8μm处大于90％，本发明在两个波段的成像质量均满足实用要求，可以实际使用。

图7所示为长波红外镜组中衍射面的相位图。图中可以看到，衍射面每毫米的周期数为1.7。

采用软件仿真可以得到，采用表1和表2的参数实现的本发明系统，工作波段为0.6μm~0.8μm、8μm~12μm，视场角2ω=9.8°，焦距f′_IR＝40mm，f′_VIS＝47mm，F_IR＝1.1，F_VIS＝1.4~2，工作温度-40℃~+70℃，工作距离10m~3000m。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种可见光/长波红外宽波段共调焦光学成像系统，其特征在于，包括：宽光谱调焦窗口（1）、分色片（2）、长波红外镜组和可见光镜组；宽光谱调焦窗口（1）垂直水平光轴放置，分色片（2）与水平光轴成45°；可见光镜组水平放置，从宽光谱调焦窗口（1）进入的宽波段光线通过分色片（2）的透射后经过可见光镜组成像在可见光传感器上；

所述宽光谱调焦窗口为一片正光焦度的透镜；长波红外镜组从物方到像方按顺序依次由第一透镜（3）、第二透镜（4）、反射镜（5）和第三透镜（6）组成，第一透镜的外缘作为第一光阑；反射镜（5）与分色片（2）平行设置，从宽光谱调焦窗口进入的宽波段光线中的红外光线通过分色片（2）的反射垂直入射到第一透镜（3），红外光线经过第一透镜（3）、第二透镜（4）、反射镜（5）、第三透镜（6）成像在非制冷探测器上；

所述第二透镜（4）的第一面为二元面，所述第三透镜（6）的第二面为非球面，通过二元面和非球面的设计消除长波红外系统的热差和像差；

其中，二元面参数为：φ(r)＝-98.485r²+14.133r⁴-4.182r⁶，式中，r表示二元面径向半径；非球面系数为：A₄＝6.443700E-006，A₆＝1.764600E-008，A₈＝-2.751400E-011。

2.如权利要求1所述的光学成像系统，其特征在于，所述宽光谱调焦窗口材料选择宽光谱硫化锌，表面镀双波段减反膜材料。

3.如权利要求2所述的光学成像系统，其特征在于，所述分色片的基底材料选用H-ZF7LA，透过率为T_{0.6μm 0.8μm}≥80%，反射率R_8μm-12μm≥90%。

4.如权利要求1所述的光学成像系统，其特征在于，所述长波红外镜组中三个透镜均镀有8μm~12μm的增透膜；第一透镜（3）以GaSIR2为基底材料，第二透镜（4）以Ge为基底材料、反射镜（5）以玻璃为基底材料且对波段8μm~12μm的反射率大于92%，第三透镜（6）以GaSIR2为基底材料。

5.如权利要求4所述的光学成像系统，其特征在于，所述长波红外镜组中，从物方到像方看各光学镜与其后一光学器件之间的空气间隔为-4.13mm、-17mm、17mm、12.15mm；宽光谱调焦窗口与分色片、以及分色片与第一透镜的空气间隔分别为28mm、-27mm；

第一透镜~第三透镜的厚度分别为-4mm、-3mm、7mm；

第一透镜（3）的第一面为曲率半径-29.77mm的凸面，第二面为曲率半径-34.99mm的凹面；第二透镜（4）的第一面为曲率半径224.9mm的二元面，第二面为曲率半径490mm的凸面；第三透镜（6）的第一面为曲率半径18.03mm的凸面，第二面为曲率半径23.17mm的非球面；

所述宽光谱调焦窗口的第一面为曲率半径为418.8mm、厚度为5mm的凸面。

6.如权利要求1或5所述的光学成像系统，其特征在于，所述可见光透镜组从物方到像方按顺序依次由共轴的可变光阑、第四透镜（7）、第五透镜（8）、第六透镜（9）、第七透镜（10）、第八透镜（11）和第九透镜（12）组成；

可变光阑设置在第四透镜（7）之前距离2mm的位置，可变光阑与分色片的空气距离为26mm；从物方到像方看第四透镜~第九透镜每个相邻透镜与其后一光学器件间的空气间隔分别为0mm、0.823mm、33.437mm、0.577mm、5.698mm和5.69mm；

第四透镜（7）的第一面为曲率半径71.61mm的凸面，第二面为曲率半径19.903mm的凹面；第五透镜（8）的第一面为曲率半径19.903mm的凸面，第二面为曲率半径194.09的凹面；第六透镜（9）的第一面为曲率半径40.18mm的凸面，第二面为曲率半径60.26mm的凹面；第七透镜（10）的第一面为曲率半径312.6mm的凸面，第二面为曲率半径-43.65mm的凸面；第八透镜（11）的第一面为曲率半径22.49mm的凸面，第二面为曲率半径390.37mm的凹面；第九透镜（12）的第一面为曲率半径-37.07mm的凹面，第二面为曲率半径18.5mm的凹面。

7.如权利要求5所述的光学成像系统，其特征在于，所述宽光谱调焦窗口（1）两面全口径均为50mm；分色片（2）全口径为64mm；反射镜（5）全口径为42mm；可变光阑全口径为27.3mm；

透镜的第一面和第二面全口径采用[a/b]表示，则第一透镜（3）~第九透镜（12）两面的全口径分别为：[34/30]、[30/32]、[26/20]、[30/30]、[30/30]、[30/30]、[27/27]、[24/24]、[14/12]，单位均为mm。