CN103293681A - 一种超大口径、超长焦距的双通道光学装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超大口径、超长焦距的双通道光学装置，以光进入的反射组一端为前端，沿光轴从前至后依次设置有反射组、分光棱镜组；反射组由主镜和次镜组成，主镜为带中心孔的平凹反射镜，次镜为平凸反射镜；分光棱镜组由斜面相对设置的两块相同直角棱镜组成，其中之一的直角棱镜斜面上设置有一定波段的分光膜；所述分光棱镜组的红外光输出端后依次设置有红外折射组、校正组和第一像面；所述分光棱镜组的可见光输出端后依次设置有可见光折射组和第二像面。本发明优点是：在简化装置、减小体积、减轻重量、提高可靠性的前提下，实现红外探测和可见光探测的双波段同时观察。

Description

一种超大口径、超长焦距的双通道光学装置

技术领域

本发明涉及一种超大口径、超长焦距的双通道光学装置，特别适用于实现对超远程目标的全天候监控，属于光学仪器技术领域。

背景技术

红外探测装置直接对目标的红外辐射成像，具有良好的雾、雨、尘穿透力，基本不受景物照度和雾气的影响，作用距离大于同类型可见光探测设备等优点被广泛使用；可见光探测装置以其鉴别率高，对目标具有较强的细节分辨能力，成本低廉等优势，在能见度较好的白天具有独特的作用。但红外装置存在分辨率较可见光设备低、价格昂贵和使用寿命短等缺点；可见光装置受环境条件制约严重，在能见度较差的环境中，探测距离会受到严重影响。为了扬长避短，充分发挥两装置各自的优势，使探测装置具有更优良的功能，双通道或多通道监测装置成为近年的研究方向。目前广泛使用的双通道或多通道监测装置均为独立的长波红外通道、中波红外通道、激光通道、可见光通道集合而成。有短焦、中焦、长焦等各种焦距范围，有定焦、跃式变焦、连续变焦等各种结构形式。其中，定焦光学装置以其具有高分辨率、大相对孔径、结构紧凑等优点，在对固定目标进行观察时具有不可替代的作用。定焦光学有折射式和折反结合式两种形式，折射式光学系统在中等口径和短、中焦距光学装置中被广泛应用，对于大口径、长焦距的光学装置，若用折射式光学系统，则系统镜片数多、总长较长，且系统第一、二片透镜的口径大，中心厚度大，因此，大口径、长焦距光学装置均采用折反结合式光学系统。

随着对超远程目标进行全天候侦察监视需求的不断增加，超长焦距、超大口径、结构紧凑的折反结合式双通道装置被迫切需要。该结构形式利用反射镜完全没有色差，各种波长光线所成的像是严格完全重合的，可以在紫外到红外的很大波长范围内工作，反射镜的镜面材料比透镜的材料容易制造等特点，既解决了超大口径可见光材料和红外材料欠缺的问题，也降低了超长焦距、超大口径光学系统像差的校正难度。

现有技术广泛使用的超长焦距、超大口径双波段光学装置主要有图2.1、图2.2、图3所示的两种形式。图2.1和图2.2是由一个折反结合式的红外通道和一个折射式可见光通道集合组成，两光学系统分别独立，无公共部分。该形式的外形结构尺寸大，可见光系统的镜片数多，重量大。图3是利用反射镜的接入接出，实现双波段间断式观察，该装置的缺点是：a.可见光和红外不能同时观察；b.反射镜的接入接出，增加了运动机构，降低了系统的可靠性。

概括地说，现有技术广泛使用的超大口径、超长焦距共反射组的双通道光学装置存在以下主要缺陷：1、由单个独立的光学通道集合而成，该结构形式体积大、重量重、可见光透镜材料欠缺、透镜加工难度大、系统装调难度大、两独立系统的光轴一致性难以保证。2、反射镜接入接出方式只能实现双波段间断式观察。运动机构的加入，增加了反射镜的装调难度，降低了系统的可靠性。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有技术中的问题和不足，提供一种超大口径、超长焦距的双通道光学装置，该光学装置不仅体积小、重量轻、可靠性高，而且还可以实现红外探测和可见光探测的双波段同时观察，实现了对超远程目标的全天候监控。

本发明的技术方案是：

一种超大口径、超长焦距的双通道光学装置，以光进入的反射组一端为前端，沿光轴从前至后依次设置有反射组、分光棱镜组；反射组由主镜和次镜组成，主镜为带中心孔的平凹反射镜，次镜为平凸反射镜；分光棱镜组由斜面相对设置的两块相同直角棱镜组成，其中之一的直角棱镜斜面上设置有一定波段的分光膜；所述分光棱镜组的红外光输出端后依次设置有红外折射组、校正组和第一像面；所述分光棱镜组的可见光输出端后依次设置有可见光折射组和第二像面。

进一步的技术方案是：

所述的一种超大口径、超长焦距的双通道光学装置，其反射组、分光棱镜组和可见光折射组的设置需满足如下光学关系：

其中：

为中波红外系统和可见光系统焦距离，

是反射组的焦距离，是红外折射组的焦距离，

是可见光折射组的焦距离，是红外通道轴向长度，

是可见光通道轴向长度。

所述的一种超大口径、超长焦距的双通道光学装置，所述红外折射组是由从前至后依次的高次非球面位于凹面的第一负弯月透镜、高次非球面位于凸面的第二负弯月透镜、第一正弯月透镜、第二正弯月透镜、高次非球面位于凸面的第三正弯月透镜和高次非球面位于凸面的第三负弯月透镜组成的正光焦度组。

所述的一种超大口径、超长焦距的双通道光学装置，第一负弯月透镜、第二负弯月透镜和第三负弯月透镜及第三正弯月透镜均为锗材料制成；第一正弯月透镜和第二正弯月透镜均为硅材料制成。

所述的一种超大口径、超长焦距的双通道光学装置，所述的可见光折射组7是由从前至后依次的凹面朝前的第一重火石负弯月透镜、第二重火石负弯月透镜和第一重冕双凸透镜组成的双胶合透镜，以及第二重冕双凸透镜、凸面朝前重冕正弯月透镜和重火石双凹透镜，及镧冕双凸透镜组成的正光焦度组。

所述的一种超大口径、超长焦距的双通道光学装置，所述校正组采用能实现系统非均匀性校正的不透光的非光学材料。

所述的一种超大口径、越长焦距的双通道光学装置，所述反射组的主镜和次镜相对孔径D/f为1/3，主镜焦距为600～800mm，主镜二次曲线常量 k=-1，主镜的焦距

与次镜的焦距

的分配比为

。

所述的一种超大口径、超长焦距的双通道光学装置，所述主镜的通光口径为500mm，主镜中孔直径为160mm；次镜的通光口径为150.6mm，中心遮拦比为3.3。 

所述的一种超大口径、超长焦距的双通道光学装置，所述主镜和次镜均设置有遮光罩，主镜遮光罩长297.8mm，最小通光口径为Φ110.4mm；次镜遮光罩长17mm，最大通光口径为Φ170mm。

所述的一种超大口径、超长焦距的双通道光学装置,所述分光棱镜组 其中之一的直角棱镜斜面上设置的分光膜波段为0.4μm～4.8μm 。

    本发明的的优点是：

本发明提供的这种超大口径、超长焦距的双通道光学装置，在简化装置、减小体积、减轻重量、提高可靠性的前提下，实现红外探测和可见光探测的双波段同时观察。

附图说明

图1为本发明光学装置第一个实施例结构示意图；

图1.1 为本发明光学装置红外光折射组4结构示意图；

图1.2 为本发明光学装置可见光折射组7结构示意图；

图2为本发明装置的第二个实施例结构示意图；

图2.1 为现有技术的折反结合式红外通道装置示意图;

图2.2为现有技术的折射式可见光通道集合装置示图; 

图3 为现有技术的反射镜接入接出式双通道装置；

图4为本发明红外光学装置的光学系统传递函数图；

图5为本发明可见光光学装置的光学系统传递函数图。

图中各附图标记相应名称为：1－反射组；1.1－主镜；1.2－次镜；2.1－主镜遮光罩；2.2－次镜遮光罩；3－分光棱镜组；4－红外折射组；4.1－第一负弯月透镜；4.2－第二负弯月透镜；4.3－第一正弯月透镜；4.4－第二正弯月透镜；4.5－第三正弯月透镜（4.5）；4.6－第三负弯月透镜；5－校正组 ；6－第一像面；7－可见光折射组；7.1－第一重火石负弯月透镜；7.2－第二重火石负弯月透镜；7.3－第一重冕双凸透镜；7.4－第二重冕双凸透镜；7.5－凸面朝前重冕正弯月透镜；7.6－重火石双凹透镜；7.7－镧冕双凸透镜；8－第一像面；9－反射镜接入接出处；10－红外光通道；11－可见光通道；。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

一种超大口径、超长焦距的双通道光学装置，以光进入的反射组1一端为前端，沿光轴从前至后依次设置有反射组1、分光棱镜组3；反射组1由主镜1.1和次镜1.2组成，主镜1.1为带中心孔的平凹反射镜，次镜1.2为平凸反射镜；分光棱镜组3由斜面相对设置的两块相同直角棱镜组成，其中之一的直角棱镜斜面上设置有一定波段的分光膜；所述分光棱镜组3的红外光输出端后依次设置有红外折射组4、校正组５和第一像面6；所述分光棱镜组3的可见光输出端后依次设置有可见光折射组7和第二像面8；反射组1、分光棱镜组3和可见光折射组7的设置需满足如下光学关系：

其中：

为中波红外系统和可见光系统焦距离，

是反射组的焦距离，

是红外折射组的焦距离，

是可见光折射组的焦距离，

是红外通道轴向长度，

是可见光通道轴向长度。所述红外折射组4是由从前至后依次的高次非球面位于凹面的第一负弯月透镜4.1、高次非球面位于凸面的第二负弯月透镜4.2、第一正弯月透镜4.3、第二正弯月透镜4.4、高次非球面位于凸面的第三正弯月透镜4.5和高次非球面位于凸面的第三负弯月透镜4.6组成的正光焦度组。所述的第一负弯月透镜4.1、第二负弯月透镜4.2和第三负弯月透镜4.6及第三正弯月透镜4.5均为锗材料制成；第一正弯月透镜4.3和第二正弯月透镜4.4均为硅材料制成。所述的可见光折射组7是由从前至后依次的凹面朝前的第一重火石负弯月透镜7.1、第二重火石负弯月透镜（7.2）和第一重冕双凸透镜（7.3）组成的双胶合透镜，以及第二重冕双凸透镜7.4、凸面朝前重冕正弯月透镜7.5和重火石双凹透镜7.6，及镧冕双凸透镜7.7组成的正光焦度组。所述校正组5采用能实现系统非均匀性校正的不透光的非光学材料。所述反射组1的主镜1.1和次镜1.2相对孔径D/f为1/3，主镜焦距为600～800mm，主镜二次曲线常量 k=-1，主镜的焦距与次镜的焦距

的分配比为

。所述主镜(1.1)的通光口径为500mm，主镜1.1中孔直径为160mm；次镜1.2的通光口径为150.6mm，中心遮拦比为3.3。 所述主镜1.1和次镜1.2均设置有遮光罩，主镜1.1遮光罩长297.8mm，最小通光口径为Φ110.4mm；次镜1.2遮光罩长17mm，最大通光口径为Φ170mm。所述分光棱镜组3 其中之一的直角棱镜斜面上设置的分光膜波段为0.4μm～4.8μm 。

结合本发明的原理、技术方案对技术效果再作进一步说明如下：

本发明超大口径、超长焦距的双通道光学装置包括中波红外通道和可见光通道。中波红外通道包括安装于同一光轴o－o上的3个镜组、一个校正组；所述镜组以光进入的反射组1一端为前端，第一像面6一端为后端，从前至后依次排列为：反射组1、分光棱镜组3、红外折射组4、校正组5。可见光通道包括安装于相互垂直的光轴o－o和光轴O1—O1上的3个镜组；所述镜组以光进入的反射组1一端为前端，第二像面8一端为后端，从前至后依次排列为：反射组1、分光棱镜组3、可见光折射组7。

如图1所示是本发明装置的第一个实施例。本发明结构的光学器件设置需满足如下光学关系：所述的波红外系统和可见光系统焦距

、反射组的焦距

、红外折射组的焦距、可见光折射组

、红外通道轴向长度和可见光通道轴向长度

分别满足：。这些光学关系所带来的技术效果是满足系统总焦距和中心遮拦比的要求，同时使热像仪的冷屏成像于主反射镜上、缩短系统总长、缩小主反射镜的口径、减小像差设计难度。

反射组由主镜和次镜组成，为正光焦度组，从前至后依次为：主镜、次镜；其主镜的通光口径为500mm，主镜中孔直径为160mm，次镜的通光口径为150.6mm，中心遮拦比为3.3，二次曲线常量k=-1。主镜的焦距

与次镜的焦距

分配比为

；主镜和次镜材料均为微晶玻璃。反射组的通光口径很大，考虑到装调检测的控制，组内必须单独校正轴上及0.7视场的像差 (光学系统像差的校正一般分为0视场、0.7视场、1视场，该处改为0.7视场。)，相对孔径D/f应控制在1/3左右；该组内主镜焦距及二次曲线常量的取值非常重要，因主镜的通光口径等于反射组的通光口径，主镜的焦距越长，主镜自身的相对孔径D/f越小，反射组的中心遮挡比越好控制，镜面的加工难度越小，但反射组的长度会增加；反之，主镜自身的D/f越大，反射组的中心遮挡比越难控制，镜面的加工难度越大；综合考虑中心遮拦比、系统总长、主镜加工难度等因素，主镜焦距的取值范围设计为600～800mm。其次，二次曲线常量k也决定了主镜镜面加工检测的难度，本发明将k值设计为k=-1，主镜、次镜的焦比设计为

。

主镜和次镜上均设置有遮光罩，即主镜遮光罩和次镜遮光罩，主镜遮光罩、次镜遮光罩的口径、长度、形状可根据系统杂光的特点，运用光线追击的方式设计。主镜遮光罩和次镜遮光罩均为圆锥形，内壁进行消光设计（这个消光设计具体采用车螺纹或喷砂或涂消光漆均可，视具体情况而定)。主镜遮光罩和次镜遮光罩用于遮挡经镜面来回反射到像面的杂光、经镜筒壁漫反射到像面的杂光及物空间直接射到像面的杂光（主镜遮光罩和次镜遮光罩是根据光学系统成像光束的轨迹设计的，两遮光罩组合使用才能挡掉上述杂光。）主镜遮光罩长297.8mm，最小通光口径为Φ110.4mm；次镜遮光罩长17mm，最大通光口径为Φ170mm。

分光棱镜组3由两块相同材料，相同尺寸的直角棱镜以斜面相对胶合设置而成。直角棱镜应选择能工作在可见光和中波红外波段的材料。棱镜材料是CaF2。

红外折射组4为正光焦度组，从前至后依次为：一片高次非球面位于凹面的锗材料负弯月透镜、一片高次非球面位于凸面的锗材料负弯月透镜、一片硅材料正弯月透镜、一片硅材料正弯月透镜、一片高次非球面位于凸面的锗材料正弯月透镜、一片高次非球面位于凸面的锗材料负弯月透镜。红外折射组的相对孔径D/f为1/0.8，这样的相对孔径决定了该组复杂的结构形式；由于红外折射组同时承担调焦任务，补偿因环境温度变化引起的像面偏移。设计中应兼顾：当温度变化引起像面偏移时，移动红外折射组，可将镜头的像面拉回到探测器的灵敏面上，且成像清晰，该组移动时系统焦距值仍在设计的公差范围内，系统焦距的变化在±5%内，且系统弥散斑不大于探测器灵敏面的2个像元尺寸。（当温度低于设计温度时，红外折射组向反射组方向移动；当温度高于设计温度时，红外折射组向像面方向移动）

所述的校正组5位于红外折射组4和第一像面6，用于红外通道的非均匀性校正，该组既可用光学材料也可用不透光的非光学材料。根据系统的实际情况确定，本发明装置用非光学材料档片进行校正，能达到很好的效果，也可避免光学材料透镜在校正过程中将系统内某组件成像于像面上，影响校正效果。校正组5既可用不透光的非光学材料也可用光学材料）

可见光折射组7为正光焦度组，从前至后依次为：一片凹面朝前的重火石负弯月透镜、一片重火石负弯月透镜与一片重冕双凸透镜组成的双胶合透镜、一片重冕双凸透镜、一片凸面朝前重冕正弯月透镜、一片重火石双凹透镜、一片镧冕双凸透镜。可见光折射组的相对孔径D/f为1/3.1，组内像差校正难度小，主要作用是补偿反射组的轴外像差，实现可见光通道的各项技术指标。

如图2所示是本发明装置的第二个实施例, 以光进入的反射组1一端为前端，沿光轴依次设置有反射组1、分光棱镜组3，反射组1由主镜和次镜组成，主镜为带中心孔的抛物线平凹反射镜，次镜为双曲线平凸反射镜，分光棱镜组3由斜面相对设置的两块相同直角棱镜组成，其中之一的直角棱镜斜面上设置有波段为0.4μm～4.8μm的分光膜，所述分光棱镜组3的分光膜透射端后依次设置有可见光折射组7、第二像面8，所述分光棱镜组3的分光膜反射端后依次设置有红外折射组4、校正组５、第一像面6。

本发明这种超大口径、超长焦距的双通道光学装置中波红外通道和可见光通道两通道共用反射组1、遮光罩组2、分光棱镜组3。本发明图1结构装置实现其功能的过程具体如下：

光线依次通过反射组1的次镜进行反射，一部分光线进入主镜的中心孔射向分光棱镜3，分光棱镜组3上镀有的分光膜将从反射组1出射的光线平分为相互垂直的两束光线，一束沿光轴O—O进入红外折射组４，一束沿光轴O1—O1进入可见光折射组７；所述的红外折射组位于分光棱镜之后接收从分光棱镜组透射的光线，与反射组位于同一光轴O—O上，承担的主要任务是：a.将反射组的出瞳成像于第一像面６上，即探测器冷屏面上，且出瞳直径等于冷屏直径，出瞳距离不小于15mm；b.补偿反射组轴外全视场的像差，校正红外系统像差；c.补偿温度变化引起的像面偏移；所述的校正组位于红外折射组4和第一像面6之间，与红外折射组位于同一光轴上，用于系统非均匀性校正，当红外通道进行非均匀性校正时，接入光路，校正工作完成后接出光路；所述的可见光折射组位于分光棱镜之后，接收从分光棱镜组反射的光线，位于光轴O1—O1上，承担的主要任务是，补偿反射组轴外全视场的像差，校正可见光系统像差；所述的遮光罩组由主镜遮光罩和次镜遮光罩组成，用于遮挡经镜面来回反射到像面的杂光、经镜筒壁漫反射到像面的杂光及物空间直接射到像面的杂光。本发明的反射组承担缩短总长、缩小分光棱镜组和折射组口径、减小中心遮拦比、用微晶玻璃或可见光光学材料替换大口径红外材料和可见光材料的任务。（反射镜只用光学材料的外表面，可用于宽波段成像，光学材料选择范围广，特别提到微晶玻璃是本发明用微晶玻璃，且微晶玻璃受温度变化的影响小。）

本明超大口径、超长焦距的双通道光学装置，其通光口径为500mm，焦距为1500mm，中波红外通道的波长范围为3.7μm～4.8μm，出瞳直径为7.3mm，出瞳距离为18mm，像面尺寸为9.6mm

7.68mm；可见光通道的波段范围0.4μm～0.7μm，像面尺寸为6.4mm4.8mm。

在基本实施例1基础上，本发明可以设计出一系列的超大口径、超长焦距共反射组的双通道光学装置，结合实施例对本发明的显著效果再进一步说明如下：

以下表1、表2、表3给出的数据对应图1，是一个应用于超远程监控设备的超大口径、超长焦距的双通道光学装置，表4是该系统的传递函数值，系统焦距1500mm，红外通道适配9.6mm7.68mm像面的热像仪，可见光通道适配6.4mm

4.8mm像面的CCD。（热像仪安装于像面6，CCD安装于像面8）

表4是图4和图5的数据反映。图4是红外通道像差即传递函数的反应，图5是可见光通道像差即传递函数的反应。

表1\2\3是本发明装置的参数表，是实验效果数据的体现。

表1 具体实施实例的红外光学系统结构参数表

 

表2 表1中的各非球面系数

表3具体实施实例的可见光光学系统结构参数表

表4 具体实施实例红外通道传递函数值

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超大口径、超长焦距的双通道光学装置，其特征在于：以光进入的反射组(1)一端为前端，沿光轴从前至后依次设置有反射组（1）、分光棱镜组（3）；反射组（1）由主镜(1.1)和次镜(1.2)组成，主镜(1.1)为带中心孔的平凹反射镜，次镜(1.2)为平凸反射镜；分光棱镜组（3）由斜面相对设置的两块相同直角棱镜组成，其中之一的直角棱镜斜面上设置有一定波段的分光膜；所述分光棱镜组（3）的红外光输出端后依次设置有红外折射组（4）、校正组（５）和第一像面（6）；所述分光棱镜组（3）的可见光输出端后依次设置有可见光折射组（7）和第二像面（8）。

2.根据权利要求1所述的一种超大口径、超长焦距的双通道光学装置，其特征在于：反射组（1）、分光棱镜组（3）和可见光折射组（7）的设置需满足如下光学关系：

其中：

为中波红外系统和可见光系统焦距离，是反射组的焦距离，

是红外折射组的焦距离，是可见光折射组的焦距离，

是红外通道轴向长度，

是可见光通道轴向长度。

3.根据权利要求1所述的一种超大口径、超长焦距的双通道光学装置，其特征在于：所述红外折射组（4）是由从前至后依次的高次非球面位于凹面的第一负弯月透镜（4.1）、高次非球面位于凸面的第二负弯月透镜（4.2）、第一正弯月透镜（4.3）、第二正弯月透镜（4.4）、高次非球面位于凸面的第三正弯月透镜（4.5）和高次非球面位于凸面的第三负弯月透镜（4.6）组成的正光焦度组。

4.根据权利要求3所述的一种超大口径、超长焦距的双通道光学装置，其特征在于：所述第一负弯月透镜（4.1）、第二负弯月透镜（4.2）和第三负弯月透镜（4.6）及第三正弯月透镜（4.5）均为锗材料制成；第一正弯月透镜（4.3）和第二正弯月透镜（4.4）均为硅材料制成。

5.根据权利要求1所述的一种超大口径、超长焦距的双通道光学装置，其特征在于：所述的可见光折射组（7）是由从前至后依次的凹面朝前的第一重火石负弯月透镜（7.1）、第二重火石负弯月透镜（7.2）和第一重冕双凸透镜（7.3）组成的双胶合透镜，以及第二重冕双凸透镜（7.4）、凸面朝前重冕正弯月透镜（7.5）和重火石双凹透镜（7.6），及镧冕双凸透镜（7.7）组成的正光焦度组。

6.根据权利要求1所述的一种超大口径、超长焦距的双通道光学装置，其特征在于：所述校正组（5）采用能实现系统非均匀性校正的不透光的非光学材料。

7.根据权利要求1或2或3或4或5或6所述的一种超大口径、越长焦距的双通道光学装置，其特征在于：所述反射组（1）的主镜(1.1)和次镜(1.2)相对孔径D/f为1/3，主镜焦距为600～800mm，主镜二次曲线常量 k=-1，主镜的焦距

与次镜的焦距

的分配比为

。

8.根据权利要求7所述的一种超大口径、超长焦距的双通道光学装置，其特征在于：所述主镜(1.1)的通光口径为500mm，主镜(1.1)中孔直径为160mm；次镜(1.2)的通光口径为150.6mm，中心遮拦比为3.3。

9.根据权利要求1或2或3或4或5或6或8所述的一种超大口径、超长焦距的双通道光学装置，其特征在于：所述主镜(1.1)和次镜(1.2)均设置有遮光罩，主镜(1.1)遮光罩长297.8mm，最小通光口径为Φ110.4mm；次镜(1.2)遮光罩长17mm，最大通光口径为Φ170mm。

10.根据权利要求1所述的一种超大口径、超长焦距的双通道光学装置,其特征在于:所述分光棱镜组(3) 其中之一的直角棱镜斜面上设置的分光膜波段为0.4μm～4.8μm 。

Images