CN104503082A - 一种复合成像模拟光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种复合成像模拟光学系统，该系统主要由反射式红外光学系统和透射式可见光、激光光学系统组成，依次包括大口径反射镜、第一透镜、第二透镜和第三透镜。本发明通过采用反射式与透射式相结合的光学系统设计方式，通过合理匹配透镜的材料、半径、距离和厚度等参数，可满足红外光学系统±0.5°的成像质量要求和可见光、激光光学系统满足±5.5°观测范围的要求，从而最终实现三光合一共口径光学系统的性能要求。并且使整个系统装置整体尺寸最小，从而满足整个系统装置的整体要求。

Description

一种复合成像模拟光学系统

技术领域

本发明属于多目标特性仿真领域，涉及一种复合成像模拟光学系统。

背景技术

在军事应用领域，现代战场电磁环境日益复杂，对精确制导武器系统提出了新的技战术要求，采用传统的红外、可见光和激光等单一制导模式的武器系统存在缺陷和使用局限性，难以在复杂战场背景和强电磁干扰环境条件下快速、准确地截获跟踪目标，完成作战使命，发展多频谱或多体制复合寻的制导正日益成为提高各类精确制导武器命中概率的重要途径。为了满足对多频谱多波段信息进行探测要求，单一的光学成像系统已经不能满足需求。一种复合成像模拟光学系统设计将可见光、激光、红外三光集成在一套光学系统中，主要方式有两种，一种是透射式(如图2所示)，另一种是反射式(如图3所示)。若采用透射式成像光学系统设计，由于视场的要求，其镜片的口径会相对较大，并且能够覆盖可见光、激光、红外的光学材料相对较少。若采用反射式成像光学系统设计，可见光、激光光学系统的较大视场无法满足，并且高反射率的可见光、激光、红外膜系工艺复杂，这对镀膜材料和镀膜工艺都提出了很高的要求，目前镀宽波段、高反射率的反射膜存在很大难度。因此，采用透射式和反射式相结合的成像光学系统设计，其既能满足不同光谱范围内对视场的要求，又能满足不同光谱范围内的光学系统成像质量的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术单纯采用透射式或反射式无法满足当前新的技术要求的不足，提供了一种复合成像模拟光学系统。

本发明的技术解决方案：

为满足测量视场、整体尺寸的要求，并且要能同时满足可见、激光、红外的光学材料。若单独采用透射式光学系统设计，那么整个系统的尺寸相对较大，并且能够同时满足可见、激光、红外的光学材料较少，成本很高；若单独采用反射式光学系统设计，系统中次镜表面就要镀同时能够反射可见、激光、红外的高反射膜。目前，镀该膜系对材料和工艺都有较大的困难，并且一般反射式光学系统适合小视场光学系统，这样就不能满足可见、激光光学系统所要求的较大视场角；通过比较两种光学系统设计的优劣，最终采用的光学系统设计方式是将透射式与反射式相结合的光学系统设计。其中，可见、激光光学系统采用透射式光学系统设计，红外光学系统采用反射式光学系统设计，两套光学系统通过第三透镜合成在一起，主要考虑两套光学系统的尺寸匹配、成像质量要求等。

为了满足上述要求，本发明采用如下方案：

一种复合成像模拟光学系统，依次包括大口径反射镜、第一透镜、第二透镜、第三透镜，其中：

所述大口径反射镜为一片抛物面镜，其表面镀高反射率膜，反射光谱范围为长波红外范围：8μm～12μm，所述大口径反射镜有效口径φ50mm～φ200mm；

所述第一透镜为一片凸透镜，其材料为氟化钙，其表面镀高透过率膜，透过光谱范围为可见光范围和激光：分别为0.4μm～0.76μm和1.064μm，所述第一透镜的有效口径φ10mm～φ100mm，厚度为5mm～30mm；

所述第二透镜为一片凹透镜，其材料为氧化铂，其表面镀高透过率膜，透过光谱范围为可见光范围和激光：分别为0.4μm～0.76μm和1.06μm，第二透镜有效口径φ10mm～φ100mm，厚度为1mm～20mm；

所述第三透镜是一片非球面镜，其材料为氟化钙，其前镜面镀高透过率膜，透过光谱范围为可见光范围和激光，分别为0.4μm～0.76μm和1.06μm，所述第三透镜的后镜面镀高反射率膜，反射光谱范围为长波红外范围：8μm～12μm，所述第三透镜的有效口径范围为φ10mm～φ100mm，厚度为5mm～30mm；

所述的第一透镜与第二透镜之间的距离范围为1mm～10mm，第二透镜与第三透镜之间的距离为1mm～20mm，第三透镜与大口径反射镜之间的距离为范围1mm～100mm。

所述大口径反射镜的基底材料选用融石英，厚度为7mm～25mm。

所述大口径反射镜、第一透镜、第二透镜和第三透镜放置于一个机壳中，其整个外壳装置采用铝合金材料。

所述大口径反射镜其表面的高反射率膜，其反射率≥0.98。

所述第一透镜表面镀的高透过率膜，其透过率≥0.98。

所述第二透镜表面镀的高透过率膜，其透过率≥0.98。

所述第三透镜的前镜面镀的高透过率膜，其透过率≥0.98；后镜面镀的高反射率膜，其反射率≥0.98。

本发明与现有技术相比的有益效果：

(1)本发明通过采用透射式和反射式相结合的光学系统设计方式、不仅能够同时满足红外光学系统±0.5°的成像质量要求还能满足可见光、激光光学系统±5.5°观测范围内的成像质量要求，同时能够满足反射式和透射式两套光学系统成像在同一焦平面上的要求，实现三光合一共口径光学系统的性能要求。

(2)本发明通过合理匹配透镜的材料、半径、距离和厚度等参数，能同时满足可见光、激光、红外光学系统成像质量的要求，并且能同时满足不同视场下、不同波段范围的成像质量要求，并且使整个系统装置整体尺寸最小，从而满足整个系统装置的整体要求。

(3)本发明可实现的技术性能为：光谱波段范围：0.38μm～0.76μm(可见光)，1.06μm(激光)，8μm～12μm(红外)；可见光、激光光学系统焦距：≥100mm，红外光学系统焦距：≥300mm；视场范围：±5.5°(可见光、激光光学系统)，±0.5°(红外光学系统)；中心视场成像质量：≥0.4(501p/mm)(可见光、激光光学系统)，≥0.4(81p/mm)(红外光学系统)。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种复合成像模拟光学系统结构示意图；

图2为现有技术可见光、激光光学系统结构示意图；

图3为现有技术红外光学系统结构示意图；

图4为本发明一种可见光、激光光学系统的光学传递函数图；

图5为本发明一种红外光学系统的光学传递函数图。

附图标记说明：

1.大口径反射镜、2.第一透镜、3.第二透镜、4.第三透镜。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。在下面的描述中，出于解释而非限制性的目的，阐述了具体细节，以帮助全面地理解本发明。然而，对本领域技术人员来说显而易见的是，也可以在脱离了这些具体细节的其它实施例中实践本发明。

在此需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的设备结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

下面参照附图对本发明的实施例进行说明。

如图1所示，一种复合成像模拟光学系统，依次包括大口径反射镜1、第一透镜2、第二透镜3、第三透镜4，所述的大口径反射镜1是一片抛物面镜，其表面镀高反射率膜，如镀金膜，其有效反射率≥0.98。反射光谱范围为长波红外范围：8μm～12μm，大口径反射镜有效口径φ50mm～φ200mm，基底材料选用融石英，厚度为7mm～25mm；所述的第一透镜2是一片凸透镜，其材料选用氟化镁，其表面镀高透过率膜，如镀高透过率介质膜，其透过率≥0.98。透过光谱范围为可见光范围和激光：0.4μm～0.76μm和1.06μm，透镜1有效口径φ10mm～φ100mm，厚度为5mm～30mm；所述的第二透镜3是一片凹透镜，其材料选用氧化铂，其表面镀高透过率膜，如镀高透过率介质膜，其透过率≥0.98。，透过光谱范围为可见光范围和激光：0.4μm～0.76μm和1.06μm，第二透镜3的有效口径φ10mm～φ100mm，厚度为1mm～20mm；所述第三透镜4是一片非球面镜，其材料选用氟化镁，其前镜面镀高透过率膜，如镀高透过率介质膜，其透过率≥0.98，透过光谱范围为可见光范围和激光：0.4μm～0.76μm和1.06μm，透镜3的后镜面边缘镀圆环形高反射率膜，圆环中心φ5mm～φ40mm镀高透过率，如镀金膜，其有效反射率≥0.98，反射光谱范围为长波红外范围：8μm～12μm。透镜3的有效口径范围为φ10mm～φ100mm，厚度为5mm～30mm；该成像光学系统中最关键的是所述的第三透镜4的前镜面镀增透膜而后镜面边缘镀增反膜，从而通过第三透镜4将红外反射式光学系统与可见光、激光透射式光学系统有机地结合起来。并且保证第一透镜2与第二透镜3之间的距离为1mm～10mm，第二透镜3与第三透镜4之间的距离为1mm～20mm，第三透镜4与大口径反射镜1之间的距离为1mm～100mm。

在实际应用中，可以将所述大口径反射镜1、第一透镜2第二透镜3和第三透镜4放置于一个机壳中，其整个外壳装置采用铝合金材料。

本发明的工作原理：可见光和激光经过第一透镜2、第二透镜3、第三透镜4成像在焦平面上，长波红外光经过大口径反射镜1和第三透镜4的后镜面成像在焦平面上，可见光、激光成像系统的焦平面与长波红外光学系统的焦平面重合为同一面。

图4是本发明一种可见光、激光光学系统的光学传递函数图。如图4所示，当截止频率在501p/mm时，中心视场的光学传递函数(MTF)≥0.4，即该光学系统设计满足整体技术指标要求。

如图5所示，当截止频率在81p/mm时，中心视场的光学传递函数(MTF)≥0.4，即该光学系统设计满足整体技术指标要求。

本发明可实现的技术性能如下：

光谱波段范围：0.38μm～0.76μm(可见光)，1.06μm(激光)，8μm～12μm(红外)；可见光、激光光学系统焦距：≥100mm，红外光学系统焦距：≥300mm；视场范围：±5.5°(可见光、激光光学系统)，±0.5°(红外光学系统)；中心视场成像质量：≥0.4(可见光、激光光学系统)，≥0.4(红外光学系统)。

本发明的实施例的许多特征和优点根据该详细描述是清楚的，因此所附权利要求旨在覆盖这些实施例的落入其真实精神和范围内的所有这些特征和优点。此外，由于本领域的技术人员容易想到很多修改和改变，因此不是要将本发明的实施例限于所例示和描述的精确结构和操作，而是可以涵盖落入其范围内的所有合适修改和等同物。

本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

Claims (7)

1.一种复合成像模拟光学系统，其特征在于依次包括大口径反射镜(1)、第一透镜(2)、第二透镜(3)、第三透镜(4)，其中：

所述大口径反射镜(1)为一片抛物面镜，其表面镀高反射率膜，反射光谱范围为长波红外范围：8μm～12μm，所述大口径反射镜(1)有效口径φ50mm～φ200mm；

所述第一透镜(2)为一片凸透镜，其材料为氟化钙，其表面镀高透过率膜，透过光谱范围为可见光范围和激光：分别为0.4μm～0.76μm和1.064μm，所述第一透镜(2)的有效口径φ10mm～φ100mm，厚度为5mm～30mm；

所述第二透镜(3)为一片凹透镜，其材料为氧化铂，其表面镀高透过率膜，透过光谱范围为可见光范围和激光：分别为0.4μm～0.76μm和1.06μm，第二透镜(3)有效口径φ10mm～φ100mm，厚度为1mm～20mm；

所述第三透镜(4)是一片非球面镜，其材料为氟化钙，其前镜面镀高透过率膜，透过光谱范围为可见光范围和激光，分别为0.4μm～0.76μm和1.06μm，所述第三透镜(4)的后镜面镀高反射率膜，反射光谱范围为长波红外范围：8μm～12μm，所述第三透镜(4)的有效口径范围为φ10mm～φ100mm，厚度为5mm～30mm；

所述的第一透镜(2)与第二透镜(3)之间的距离范围为1mm～10mm，第二透镜(3)与第三透镜(4)之间的距离为1mm～20mm，第三透镜(4)与大口径反射镜(1)之间的距离为范围1mm～100mm。

2.根据权利要求1所述的一种复合成像模拟光学系统，其特征在于所述大口径反射镜的基底材料选用融石英，厚度为7mm～25mm。

3.根据权利要求1所述的一种复合成像模拟光学系统，其特征在于所述大口径反射镜(1)、第一透镜(2)、第二透镜(3)和第三透镜(4)放置于一个机壳中，其整个外壳装置采用铝合金材料。

4.根据权利要求1所述的一种复合成像模拟光学系统，其特征在于所述大口径反射镜(1)其表面的高反射率膜，其反射率≥0.98。

5.根据权利要求1所述的一种复合成像模拟光学系统，其特征在于所述第一透镜(2)表面镀的高透过率膜，其透过率≥0.98。

6.根据权利要求1所述的一种复合成像模拟光学系统，其特征在于所述第二透镜(3)表面镀的高透过率膜，其透过率≥0.98。

7.根据权利要求1所述的一种复合成像模拟光学系统，其特征在于所述第三透镜(4)的前镜面镀的高透过率膜，其透过率≥0.98；后镜面镀的高反射率膜，其反射率≥0.98。