CN105301742B - 一种高分辨率可见光/近红外共光路光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高分辨率可见光/近红外共光路光学系统，包括从物方到像方同轴依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和探测器焦平面，第二透镜中的靠近物方的表面为谐衍射面。该光学系统能够实现双波段：0.4～0.7μm可见光工作波段和0.7～1.2μm短波红外工作波段，而且并没有针对可见光和红外光分别设置独立的分系统，只需一个系统并且只需一个光路即可实现可见光和红外光的观测，提高了目标的识别效率，降低了虚警率。并且，该光学系统分辨率高，最大可以为1280×1024。巧妙地将谐衍射透镜成功地引入光学系统的设计中，在两个波段内同时满足了系统的成像和校正像差要求，具有良好的消像差特性。

Description

一种高分辨率可见光/近红外共光路光学系统
技术领域
本发明涉及一种高分辨率可见光/近红外共光路光学系统。
背景技术
目前，现有广泛应用的光学系统根据观测对象的不同整体上能够分为两大部分：可见光光学系统和红外光学系统，其中，一般的红外光学系统涉及到的红外为短波红外，可见光光学系统和红外光学系统具有各自的优点和缺点，可见光光学系统成像分辨率高、成本低，但是在雪雾等恶劣天气下探测距离受限；短波红外光学系统具有良好的透雾能力，但成本较高，分辨率受限。为了能够使光学系统既能进行可见光的观测，也能进行红外观测，目前的光学系统分为三部分：可见光分系统、红外分系统和公共分系统，比如说：申请号为201310248836.9的中国专利申请公开了一种光学系统，包括公共部分、可见光后组和红外光后组，该光学系统能够实现双波段的探测。该光学系统虽然是一个光学系统，但是该光学系统将可见光和红外光进行了划分，可见光后组只用来探测可见光，红外光后组只用来探测红外光，所以，该系统结构复杂，无法用一个光学系统同时实现两种波段的检测。
发明内容
本发明的目的是提供一种高分辨率可见光/近红外共光路光学系统，用以解决传统的双波段的光学系统结构较为复杂的问题。
为实现上述目的，本发明的方案包括一种高分辨率可见光/近红外共光路光学系统，包括从物方到像方同轴依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和探测器焦平面，所述第二透镜中的靠近物方的表面为谐衍射面；
该光学系统的设计指标为：工作波段为0.4～1.2μm，F/#为3.0，视场角16°×12°，分辨率1280×1024，焦距为45.5mm，光学传函MTF在50线对(lp/mm)时两个波段均大于0.7。
所述光学系统还包括孔径光阑，所述孔径光阑设置在第一透镜与物方之间。
所述第一透镜为正光焦度透镜，所述第二透镜为正光焦度透镜，所述第三透镜为负光焦度透镜，所述第四透镜为负光焦度透镜，所述第五透镜为正光焦度透镜。
所述第一透镜为双凸透镜，所述第二透镜弯向物方，所述第三透镜为双凹透镜，所述第四透镜弯向像方，所述第五透镜为双凸透镜。
所述谐衍射面的中心波长为1.12μm。
所述第一透镜至第五透镜的材料均为玻璃材料，具体为：所述第一透镜的材料为QK3，所述第二透镜的材料为ZK9，所述第三透镜的材料为F2，所述第四透镜的材料为ZF6，所述第五透镜的材料为LAF3。
所述探测器为黑硅CMOS传感器。
所述第一透镜的厚度为7mm，所述第二透镜的厚度为2.2mm，所述第三透镜的厚度为8.6mm，所述第四透镜的厚度为3.1mm，所述第五透镜的厚度为2.8mm；所述第一透镜与第二透镜的间隔为0.5mm，第二透镜与第三透镜的间隔为1.1mm，第三透镜与第四透镜的间隔为11.9mm，第四透镜与第五透镜的间隔为0.5mm，第五透镜与探测器焦平面的间隔为10mm。
本发明提供的高分辨率可见光/近红外共光路光学系统主要只包括五个透镜，并且该光学系统能够实现双波段：0.4～0.7μm可见光工作波段和0.7～1.2μm短波红外工作波段，该光学系统中并没有针对可见光和红外光分别设置独立的分系统，只需一个系统并且只需一个光路即可实现可见光和红外光的观测，提高了目标的识别效率，降低了虚警率。并且，该光学系统分辨率高，最大可以为1280×1024。
该光学系统巧妙地将谐衍射透镜成功地引入光学系统的设计中，在两个波段内同时满足了系统的成像和校正像差要求，具有良好的消像差特性。
另外，由于无需设置两个分系统，结构得到了大幅度简化，系统仅采用5片透镜，即可实现双波段的检测；而且，大大降低了工艺要求，结构紧凑、片数少、体积小、透过率高。
附图说明
图1是高分辨率可见光/近红外共光路光学系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
如图1所示，高分辨率可见光/近红外共光路光学系统包括从物方到像方同轴依次设置的孔径光阑1、第一透镜2、第二透镜3、第三透镜4、第四透镜5、第五透镜6和探测器焦平面7。其中，第二透镜3中的靠近物方的表面为谐衍射面。
该光学系统的设计指标为：工作波段为0.4～1.2μm，F/#为3.0，视场角16°×12°，分辨率1280×1024，焦距为45.5mm，光学传函MTF在50线对(lp/mm)时两个波段均大于0.7。
基于以上基本的设计指标参数，本实施例给出一种光学系统的具体结构。
第二透镜3中的靠近物方的表面为谐衍射面，该第二透镜3的另一个表面以及其他透镜的两个表面均为球面。
谐衍射透镜也称为多级衍射透镜，其特点是相邻环带间的光程差是设计波长λ0的整数p(p≥2)倍，在空气中透镜最大厚度为pλ0/(n-1)，是普通衍射透镜的p倍。谐衍射透镜各衍射级次的衍射效率可表示为：
其中m＝p，p±1，p±2，…所得的一系列分离波长称为谐波长，sinc是辛格函数的表达式。
p越大，波段内可以利用的谐波长就越多，所覆盖的波段也越宽。但是，随着p的增大，材料色散的影响也越大，因此p的取值实际上就是折射透镜色散和衍射透镜色散的平衡问题。我们取p＝2，全波段范围内衍射效率能达到80％。
对于上述谐衍射面，中心波长为λ0＝1.12μm。物方的外界景物辐射按该光学系统中的各个透镜依次穿过，光线通过谐衍射透镜时所产生的最大相位差是4π(p＝2)，中心波长为λ0＝1.12μm，取m＝2，m＝4时对应波长λ＝1.12μm，λ＝0.56μm为系统的谐振波长，取0.4～0.7μm和0.7～1.2μm为工作波段，覆盖的频谱区衍射效率达80％。
在本实施例中，探测器为黑硅CMOS传感器，通过使用新型的黑硅CMOS传感器，相应的波段能覆盖0.4-0.7μm的可见光波段和0.7-1.2μm的近红外波段，同时分辨率达到了1280×1024，价格低廉，具有广泛的应用前景；而且，其像元数为1280×1024，像元为10um。
对于各个透镜：
关于光焦度，第一透镜2为正光焦度透镜，第二透镜3为正光焦度透镜，第三透镜4为负光焦度透镜，第四透镜5为负光焦度透镜，第五透镜6为正光焦度透镜。所以，该光学系统形成光焦度+、+、-、-、+的构型。关于透镜的形状，第一透镜2为双凸透镜，第二透镜3弯向物方，第三透镜4为双凹透镜，第四透镜5弯向像方，第五透镜6为双凸透镜。关于透镜的材料，第一透镜至第五透镜的材料均为玻璃材料，具体为：第一透镜2的材料为QK3，第二透镜3的材料为ZK9，第三透镜4的材料为F2，第四透镜5的材料为ZF6，第五透镜6的材料为LAF3。
上述对该该光学系统的各个透镜的各个参数进行了说明，那么，在确定完各个参数后，就需要对该光学系统进行组合，在组合时：第一透镜的厚度为7mm，第二透镜的厚度为2.2mm，第三透镜的厚度为8.6mm，第四透镜的厚度为3.1mm，第五透镜的厚度为2.8mm；第一透镜与第二透镜的间隔为0.5mm，第二透镜与第三透镜的间隔为1.1mm，第三透镜与第四透镜的间隔为11.9mm，第四透镜与第五透镜的间隔为0.5mm，第五透镜与探测器焦平面的间隔为10mm。
另外，通过各个透镜参数的设置，能够将该光学系统的总长限制在50mm以内。而且，通过进一步设置，两个波段范围内中心视场处传函都接近衍射极限，在50lp/mm时，全视场光学传递函数可见光波段可以均大于0.78，近红外波段可以均大于0.72。
表1为该光学系统的一种具体的参数。
表1
该光学系统具体以下优点：
(1)双波段成像：同时对可见光、近红外两个波段成像，提高了目标的识别效率，降低虚警率。
(2)成像质量优：恰当选择参数“p”和所设计的系统的中心波长“λ0”，巧妙地将谐衍射透镜成功地引入光学系统的设计中，在两个波段内同时满足系统的成像和校正像差要求，具有良好的消像差特性。
(3)结构简化：系统仅采用5片透镜，其中一个透镜的其中一面为衍射透镜面，系统中的其余表面均为球面，大大降低了工艺要求，结构紧凑、片数少、体积小、透过率高。
以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种高分辨率可见光/近红外共光路光学系统，其特征在于，包括从物方到像方同轴依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和探测器焦平面，所述第二透镜中的靠近物方的表面为谐衍射面；
该光学系统的工作波段为0.4～1.2μm，F/#为3.0，视场角为16°×12°，分辨率为1280×1024，焦距为45.5mm，光学传函MTF在50线对(lp/mm)时两个波段均大于0.7；
所述第一透镜为双凸透镜，所述第二透镜弯向物方，所述第三透镜为双凹透镜，所述第四透镜弯向像方，所述第五透镜为双凸透镜；
所述第一透镜至第五透镜的材料均为玻璃材料，具体为：所述第一透镜的材料为QK3，所述第二透镜的材料为ZK9，所述第三透镜的材料为F2，所述第四透镜的材料为ZF6，所述第五透镜的材料为LAF3；
所述第一透镜的厚度为7mm，所述第二透镜的厚度为2.2mm，所述第三透镜的厚度为8.6mm，所述第四透镜的厚度为3.1mm，所述第五透镜的厚度为2.8mm；所述第一透镜与第二透镜的间隔为0.5mm，第二透镜与第三透镜的间隔为1.1mm，第三透镜与第四透镜的间隔为11.9mm，第四透镜与第五透镜的间隔为0.5mm，第五透镜与探测器焦平面的间隔为10mm；所述第一透镜为正光焦度透镜，所述第二透镜为正光焦度透镜，所述第三透镜为负光焦度透镜，所述第四透镜为负光焦度透镜，所述第五透镜为正光焦度透镜。
2.根据权利要求1所述的高分辨率可见光/近红外共光路光学系统，其特征在于，所述光学系统还包括孔径光阑，所述孔径光阑设置在第一透镜与物方之间。
3.根据权利要求1或2所述的高分辨率可见光/近红外共光路光学系统，其特征在于，所述谐衍射面的中心波长为1.12μm。
4.根据权利要求1或2所述的高分辨率可见光/近红外共光路光学系统，其特征在于，所述探测器为黑硅CMOS传感器。
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