CN103278927A

CN103278927A - 双波段共口径共光路共变焦成像光学系统

Info

Publication number: CN103278927A
Application number: CN2013102488369A
Authority: CN
Inventors: 高明; 刘钧; 吕宏; 陈阳; 巩蕾
Original assignee: Xian Technological University
Current assignee: Xian Technological University
Priority date: 2013-06-21
Filing date: 2013-06-21
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2033-06-21
Also published as: CN103278927B

Abstract

本发明属于光学设备技术领域，特别涉及一种可见光与红外双波段共口径共光路共变焦透射式成像光学系统。本发明所采用的技术方案是：一种双波段共口径共光路共变焦成像光学系统，包括公共变焦组部分，分光棱镜，可见后组，变倍比差补偿组和红外光后组部分；所述公共变焦组部分由依次设置的公共前固定组、公共变倍组和公共补偿组组成，所述分光棱镜位于公共变焦组中公共补偿组的出光侧，分光棱镜的透射和反射光路上分别设置有可见光后组和红外光后组。本发明采用共口径共光路共变焦形式和共口径共光路共变焦形式，提高了双波段光学系统的反应速度，满足了探测过程中的实时性要求；将传统系统中的八个结构组简化为五个组，降低了系统整体的复杂程度。

Description

双波段共口径共光路共变焦成像光学系统

技术领域

本发明属于光学设备技术领域，特别涉及一种可见光与红外双波段共口径共光路共变焦透射式成像光学系统。

背景技术

在工业检测和国防军事应用领域，为了在不同外界环境下快速、及时的发现目标并实现对目标的实时跟踪和精确测量，既要求得到目标的可见光图像，还需要得到目标的红外图像。随着社会的发展，单一波段的光学系统越来越难以满足实际使用需求，多波段甚至全波段混合光学系统得到了快速发展，多波段光学系统和变焦光学系统相结合的光学系统因其观测范围广、测量精确而得到了广泛应用。变焦距系统是一种焦距可连续变化，而像面保持稳定，且在变焦过程中像质保持良好的光学系统。可见和红外结合的双波段光学系统其可见光能被人眼接受，观测方便，而且在夜间和微光条件下，以及在有雾或有遮挡时红外系统具有良好的烟雾、尘埃穿透能力，无昼夜限制受环境影响小，隐蔽性好等优点。在观察条件良好时用可见光波段，在光强较弱、夜间时用红外光路观察，两者配合使用可有效提高跟踪和测量目标的速度和效率。

目前国内外对于可见、红外双通道甚至多通道变焦光学系统的研究较多，但通常是对可见光与红外各波段光学系统分开单独设计，然后组合成为多波段变焦光学系统，具体来说，可见、红外双波段光学系统的可见光路和红外光路是两个单独系统，通常需要八个结构组：可见光固定前组、可见光变倍组、可见补偿组和可见光后组以及红外光固定前组、红外光变倍组、红外补偿组和红外光后组。当需要从可见光向红外光光路转换时，首先要控制可见系统切换到红外系统，由于之前一直用可见系统观察目标而红外系统并未锁定目标，故还需用红外光路重新通过变焦搜索目标，直至发现目标后再调整红外光路才能对目标进行观测，这将在很大程度上影响了系统的实时性和快速反应性能，当被跟踪和测量的目标快速移动的情况下光学系统很可能会丢失目标。另外，现有的双波段光学系统可见和红外系统的变焦范围和焦距都不相同，这就意味着两波段情况下的可观测距离、观测范围不相同，当由一路光向另一路光转换后，很可能超出了观测距离而不能精确地跟踪和测量目标。

发明内容

本发明专利提供一种双波段共口径共光路共变焦成像光学系统，将可见和红外光路整合在一个通道里，实现可见、红外两路光的同时、共同变焦。

为解决现有技术存在的问题，本发明的一种双波段共口径共光路共变焦成像光学系统，包括公共变焦组部分，分光棱镜，可见后组，变倍比差补偿组和红外光后组部分；所述公共变焦组部分由依次设置的公共前固定组、公共变倍组和公共补偿组组成，所述公共前固定组为一片双弯月正透镜，所述公共变倍组为一片双凹负透镜，所述公共补偿组为一片双凸面正透镜；所述分光棱镜位于公共变焦组中公共补偿组的出光侧，分光棱镜的透射和反射光路上分别设置有可见光后组和红外光后组，所述可见光后组包括沿透射光入射方向依次设置的胶合透镜、双凸面正透镜和可见光CCD摄像机，所述红外光后组包括沿反射光入射方向依次设置的变倍比差补偿组、前透镜、后透镜和红外CCD摄像机，所述变倍比差补偿组是一片双面为凹面的负透镜，其朝向物距的面加有非球/衍射面。

所述双弯月正透镜、双凹负透镜和双凸面正透镜能同时透过可见光380nm～700nm波段和红外光3.7~4.8μm波段。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明采用共口径共光路共变焦形式，可见与红外光共用一个光路，双波段同时锁定目标，随共光路变倍组的移动，从小视场到大视场之间连续变焦，且可见、红外波段焦距、变焦比以及视场的变化都相同，不同波段下对目标信息的提取无需重新变焦搜索，可实现可见与红外光双波段情况下对目标的同步跟踪和测量。提高了双波段光学系统的反应速度，满足了探测过程中的实时性要求，避免了在传统光学系统光路转换过程中，由于重新搜索而失去一些移动速度较快的目标。

2、本光学系统采用共口径共光路共变焦形式，可见、红外光不分开，真正实现将可见、红外波段光路整合在一起。本发明将传统系统中的八个结构组简化为五个组，降低了系统整体的复杂程度，系统加工、组装都更方便，对于实现系统的小型化、轻型化具有重要的意义。

3、适用范围广：系统变焦比>10^x，可见光工作波段：390~780nm；红外工作波段：3.7~4.8μm。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是透镜表面位置示意图。

附图标记如下：

1-公共前固定组，2-公共变倍组，3-公共补偿组，4-分光棱镜，5-胶合透镜，6-双凸面正透镜，7-变倍比差补偿组，8-前透镜，9-后透镜，10-可见光CCD摄像机，11-红外CCD摄像机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

参见图1，一种双波段共口径共光路共变焦成像光学系统，包括公共变焦组部分，分光棱镜4，可见后组，变倍比差补偿组和红外光后组部分；所述公共变焦组部分由依次设置的公共前固定组1、公共变倍组2和公共补偿组3组成，所述公共前固定组1为一片双弯月正透镜，所述公共变倍组2为一片双凹负透镜，所述公共补偿组3为一片双凸面正透镜6；所述分光棱镜4位于公共变焦组中公共补偿组3的出光侧，分光棱镜4的透射和反射光路上分别设置有可见光后组和红外光后组，所述可见光后组包括沿透射光入射方向依次设置的胶合透镜5、双凸面正透镜6和可见光CCD摄像机10，所述红外光后组包括沿反射光入射方向依次设置的变倍比差补偿组7、前透镜8、后透镜9和红外CCD摄像机11，所述变倍比差补偿组7是一片双面为凹面的负透镜，其朝向物距的面加有非球/衍射面。所述双弯月正透镜、双凹负透镜和双凸面正透镜6能同时透过可见光380nm～700nm波段和红外光3.7~4.8μm波段。

为了取得优异的效果，下面给出本发明部件所采用的具体参数：

所述的公共前固定组为一片双弯月正透镜，材料为CaF₂。

所述的公共变倍组为一片双凹负透镜，材料为多光谱CLEARTRAN。

所述的公共补偿组为一片双凸面正透镜，材料为多光谱CLEARTRAN。公共变焦采用机械正组补偿变焦形式。CaF₂与多光谱CLEARTRAN能同时透过可见光380nm～700nm波段和红外光3.7~4.8μm波段，满足同时透过可见和红外光波的要求。

所述的分光棱镜，材料为多光谱CLEARTRAN，中间透镜面镀有透可见光反射红外光的薄膜(A/36.9ZnS15.1Ag30.0ZnS/G膜系)，实现将可见、红外光分光的目的。

所述的可见后组胶合透镜为双凸面透镜和双凹面负透镜组合成的胶合透镜，材料分别为FK54和BK7，其中正透镜朝向物距的面上有非球面，负透镜朝向像距的面上有非球面。

所述的可见后组双凸面正透镜为一片双凸面正透镜，材料为LASF35，透镜两面均加有非球面。

所述的变倍比差补偿组为一片双面为凹面的负透镜，材料为CaF₂，在透镜朝向物距的面加非球/衍射面，可以矫正引入的额外相差。

所述的红外后组材料都为CaF₂，前一个透镜在第一面（朝向物距的面）上加了非球面，后一片透镜两面均加了非球面。

使用过程如下：

首先控制双波段共口径共光路共变焦成像光学系统对目标进行搜索，公共变焦组部分同时透过目标的可见和红外光波，目标双波段光波通过公共前固定组1进入系统，然后通过位移驱动装置带动公共变倍组2和公共补偿组3移动，公共变倍组2移动来改变系统焦距，公共补偿组3作非线性运动补偿公共变倍组2移动引起的像面移动，并调整到合适的焦距，目标在近处则向较短焦距处调整，反之则调整到长焦距处，保证成像在同一个位置，目标光波通过分光棱镜4实现将可见、红外光分光的目的，透射可见光路可见后组通过可见后组胶合透镜5与可见后组双凸面正透镜6来矫正可见光路的像差并将光线汇聚、成像在可见光CCD10像面上。反射红外光路变倍比差补偿组7在变倍比小的红外光路上加变倍比差补偿，扩大它的变倍比，调整后可见和红外光路两者焦距即变焦比可以基本相同。红外后组通过红外后组前透镜8与红外后组后透镜9矫正红外光路的像差并将光线汇聚、成像在红外CCD11像面上。

当从白天到夜晚或者出现烟雾等情况时，需要在红外波段下跟踪和测量目标，双波段共口径共光路共变焦成像光学系统根据可见光路锁定的目标，可以在红外光路直接实现对目标的实时观测，同时可以在可见光CCD10像面对目标进行观测，实现光学系统在双波段情况下对目标的同步成像、同步跟踪与测量。整个过程无须再次开启并控制红外系统重新对目标进行搜索，有效地避免了在光路转换过程中由于重新搜索而失去一些移动速度较快的目标。

以下将对本装置的工作原理进行描述：

所说的公共变焦组部分由公共前固定组1、公共变倍组2和公共补偿组3来实现。满足同时透过可见和红外光波的要求。CaF₂和多光谱CLEARTRAN阿贝数相差大，将两者配合使用，有利于减小色差。采用机械式正组补偿形式，补偿变焦曲线光滑，变焦比差补偿后不会出现折点，变焦过程顺畅。为了减小公共变焦部分自身像差，在公共前固定组1第一面（朝向物距的面）上加非球面，在公共变倍组2第一面加非球/衍射面（非球面和衍射面加在同一个面上），在公共补偿组3第一面加非球面。非球面对于矫正球差十分有效，而衍射面能够消色散，并且衍射面具有负的热膨胀系数，有利于后面红外消热差。相对红外光波段，可见光的相差较难调整，故在可见后组可见后组胶合透镜5与可见后组双凸面正透镜6中用了多个非球面。可见和红外光波通过同一个变焦系统变倍比并不相同，产生变倍比差，为了使两者有相同的变焦比，在变倍比小的红外光路上加变倍比差补偿组7，扩大它的变倍比。采用直接变倍比补偿形式，选取一个变焦比为4倍的系统，将它的变焦组进行尺寸缩放拼接到系统中。

表1表示双波段共口径共光路共变焦成像光学系统基本透镜数据（透镜曲率、厚度、透镜间隔及材料）；表2表示与变倍有关的数据（变倍组和补偿组的移动量）；表3表示变倍比差补偿组位移量数据；表4表示非球面、衍射面数据。

表1~表4描述的透镜及透镜面如图2所示。

表1 实施双波段共口径共光路共变焦成像光学系统结构参数

表2 实施系统各组分移动间距（D2为前固定组与变倍组间距 D5变倍组与补偿组间距 D9补偿组与后固定组间距）

表3 实施变倍比差补偿组移动距离

表4 实施非球面和衍射面系数

Claims

1.一种双波段共口径共光路共变焦成像光学系统，包括公共变焦组部分，分光棱镜（4），可见后组，变倍比差补偿组和红外光后组部分；所述公共变焦组部分由依次设置的公共前固定组（1）、公共变倍组（2）和公共补偿组（3）组成，所述公共前固定组（1）为一片双弯月正透镜，所述公共变倍组（2）为一片双凹负透镜，所述公共补偿组（3）为一片双凸面正透镜；所述分光棱镜（4）位于公共变焦组中公共补偿组（3）的出光侧，分光棱镜（4）的透射和反射光路上分别设置有可见光后组和红外光后组，所述可见光后组包括沿透射光入射方向依次设置的胶合透镜（5）、双凸面正透镜（6）和可见光CCD摄像机（10），所述红外光后组包括沿反射光入射方向依次设置的变倍比差补偿组（7）、前透镜（8）、后透镜（9）和红外CCD摄像机（11），所述变倍比差补偿组（7）是一片双面为凹面的负透镜，其朝向物距的面加有非球/衍射面。

2.如权利要求1所述的双波段共口径共光路共变焦成像光学系统，其特征在于：所述双弯月正透镜、双凹负透镜和双凸面正透镜能同时透过可见光380nm～700nm波段和红外光3.7~4.8μm波段。