CN108152973B - 一种可见光与中波红外共口径复合光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可见光与中波红外共口径复合光学系统，包括，共用透射系统(100)、分光棱镜组(200)、可见光路校正系统(300)以及红外光路校正系统(400)四部分；覆盖可见、中波红外两个波段，可分别工作于白天和夜间，实现大视场全天时成像。相对于传统分体式结构，该系统具有结构紧凑、共轴一致性好，指向精度高、体积重量小的优点；相对于新型共口径折反式结构，该系统具有视场大、装调简便的优点。该系统可以实现对目标区域的广域全天时监视，有效提升光电侦察装备的性能。

Description

一种可见光与中波红外共口径复合光学系统
技术领域
本发明属于光学技术领域，涉及一种可见光与中波红外共口径复合光学系统。
背景技术
当前灵巧型机载吊舱以其灵活便捷的优点在航空领域倍受关注。通过调研国内外机载吊舱研究现状，可以看出灵巧型航空机载吊舱的发展势头强劲，不断追求宽覆盖、远距离以及全天候成像。同时，体积和重量的减小意味着飞行速度和距离的增加，因此在满足成像质量的前提下，体积小、结构紧凑的光学系统也成为研究的热点。
目前，我国自行研制的灵巧型机载吊舱成像波段单一、侦察成像覆盖范围窄。若要实现广域全天时工作，多波段复合型的机载吊舱光机系统对光学系统也将提出较高要求，则系统必为多波段、大视场，同时，为了实现全天时成像的目的，至少应包括可见、红外两个波段。在应用中，为了提高机载吊舱的可靠性，通常需要尽量减少设备部件，满足空间体积小、重量轻和功耗小的要求，因此需要进行共口径集成化设计。经调研，目前大多数双波段共口径光学系统采用了折反式结构型式，优点是有利于可见光与红外波段的集成，但缺点在于系统视场小，装调难度大。例如《应用光学》2010年第4期报道了蔡占恩等人设计了一种大视场大相对口径双波段R-C光学系统，采用折反式结构，系统能工作在可见光和长波红外波段，但系统视场仅±2.5°，难以满足广域侦察需求，同时由于采用折反式结构，系统装调难度较大，可靠性不高。
发明内容
为了解决灵巧型机载吊舱体积、装调难度、成像波段、视场以及像质方面的矛盾，本发明提出了一种可见光与中波红外共口径复合光学系统，可以实现大视场及全天时可见光与中波红外成像，同时兼顾系统小型化、轻量化及装调简便的需求。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种可见光与中波红外共口径复合光学系统，包括，共用透射系统(100)、分光棱镜组(200)、可见光路校正系统(300)以及红外光路校正系统(400)四部分；
所述共用透射系统(100)同时透射可见光与中波红外波段光线；
所述分光棱镜组(200)将所述共用透射系统(100)透射后可见光与中波红外波段光线分离，将可见光波段光线透射到所述可见光路校正系统(300)，将中波红外波段光线透射到所述红外光路校正系统(400)；
所述可见光路校正系统(300)对透射的可见光波段光线进行透射和校正；
所述红外光路校正系统(400)对透射的中波红外波段光线进行透射和校正。
进一步地，所述共用透射系统(100)沿光路方向由透射镜片1(110)和透射镜片2(120)组成，两透镜均为负光焦度透镜，透镜材料均为宽波段ZnS；
所述透射镜片1(110)后表面为标准二次曲面或高次非球面；
所述透射镜片2(120)前表面为标准二次曲面或高次非球面，后表面为标准二次曲面或高次非球面。
进一步地，所述分光棱镜组(200)为立方棱镜组，由两块直角尖劈型棱镜组成；所述两块直角尖劈型棱镜的斜面胶合，中间接触的斜面镀有分光膜，所述分光膜透射可见光波段光线，反射中波红外波段光线；所述直角尖劈型棱镜材料均为宽波段ZnS。
进一步地，所述可见光路校正系统(300)沿光路透射方向由可见光校正透镜组(310)和可见光探测器(320)组成；
所述可见光路校正透镜组(310)由第一校正透镜(311)、第二校正透镜(312)和第三校正透镜(313)三片透镜组成，依次排列；
所述第一校正透镜(311)是一片双胶合透镜，前后材料的折射率分别介于为1.6～1.9和1.3～1.6之间；
所述第二校正透镜(312)是一片单透镜，材料的折射率介于为1.5～1.7之间；
所述第三校正透镜(313)是一片双胶合透镜，前后材料的折射率分别介于为1.6～1.8和1.8～1.9之间。
进一步地，所述红外光路校正系统(400)沿光路反射方向由中波红外校正透镜组(410)和红外探测器(420)组成；
所述中波红外校正透镜组(410)由第四校正透镜(411)、第五校正透镜(412)和第六校正透镜(413)组成，依次排列；
所述第四校正透镜(411)和第六校正透镜(413)为Si晶体，第五校正透镜(412)为Ge晶体。
进一步地，全波段光束经过共用透射系统(100)入射到分光棱镜组(200)，可见光波段在分光棱镜组(200)透射，经过可见光校正透镜组(310)成像在可见光探测器(320)光敏面上；中波红外波段在分光棱镜组(200)处反射，经中波红外校正透镜组(410)成像在红外探测器(420)光敏面上。
进一步地，可见光波段光束经过所述分光棱镜组(200)后再经过可见光校正透镜组(310)成像于可见光探测器(320)上；所述可见光路校正透镜沿光路方向包括第一透镜(311)、第二透镜(312)和第三透镜(313)三片透镜，透镜表面均采用标准球面，对可见光系统进行优化，并保持前方与中波红外共用部分的参数不变。
进一步地，由共用透射系统(100)、分光棱镜组(200)和可见光路校正系统(300)构成的可见光光路系统的焦距整体为22mm。
进一步地，由共用透射系统(100)、分光棱镜组(200)和红外光路校正系统(400)构成的红外光路系统的焦距整体为15mm。
进一步地，可见光的工作波段为0.5～0.8μm，中波红外的工作波段为3.6～4.2μm。
本发明具有以下优点：
1、该系统采用可见光路和中波红外光路共用透射系统的结构形式，不仅满足双波段探测的需求，而且结构相对简单，大大减少了系统的装调难度、体积和重量。
2、该系统中分光系统置于共用透射系统和校正系统之间，将光束分成两路，从而有效地利用了体积空间，使结构更加紧凑。
3、满足体积的前提下，该系统实现了大视场及昼夜成像，可见光系统视场达±20°，中波红外系统视场达±20°，从而适用于广域成像需求，同时两波段视场大小一致，有助于图像融合，提升对伪装目标的识别能力。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为可见光与中波红外共口径复合光学系统的结构示意图；
图2为光学系统中的可见光系统的结构示意图；
图3为光学系统中的可见光系统的调制传递函数(MTF)示意图；
图4为光学系统中的中波红外系统的结构示意图；
图5为光学系统中的中波红外系统的调制传递函数(MTF)示意图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
本发明的一个具体实施例，公开一种可见光与中波红外共口径复合光学系统，是一种适用于广域昼夜侦察用光学系统，如图1所示，包括，共用透射系统(100)、分光棱镜组(200)、可见光路校正系统(300)以及红外光路校正系统(400)四部分组成；
所述共用透射系统(100)沿光路方向由透射镜片1(110)和透射镜片2(120)组成，两透镜均为负光焦度透镜，透镜材料均为宽波段ZnS；
所述透射镜片1(110)后表面为标准二次曲面或高次非球面；
所述透射镜片2(120)前表面为标准二次曲面或高次非球面，后表面为标准二次曲面或高次非球面；
所述分光棱镜组(200)为立方棱镜组，由两块直角尖劈型棱镜组成；两块直角尖劈型棱镜的斜面胶合，中间接触的斜面镀有分光膜，分光膜透射可见光，反射中波红外；所述直角尖劈型棱镜材料均为宽波段ZnS；
所述可见光路校正系统(300)沿光路透射方向由可见光校正透镜组(310)和可见光探测器(320)组成；
所述红外光路校正系统(400)沿光路反射方向由中波红外校正透镜组(410)和红外探测器(420)组成；
所述可见光路校正透镜组(310)由第一校正透镜(311)、第二校正透镜(312)和第三校正透镜(313)三片透镜组成，依次排列；
所述中波红外校正透镜组(410)由第四校正透镜(411)、第五校正透镜(412)和第六校正透镜(413)组成，依次排列；
所述第一校正透镜(311)是一片双胶合透镜，前后材料的折射率分别介于为1.6～1.9和1.3～1.6之间；
所述第二校正透镜(312)是一片单透镜，材料的折射率介于为1.5～1.7之间；
所述第三校正透镜(313)是一片双胶合透镜，前后材料的折射率分别介于为1.6～1.8和1.8～1.9之间；
所述第四校正透镜(411)和第六校正透镜(413)为Si晶体，第五校正透镜(412)为Ge晶体；
全波段光束经过共用透射系统(100)入射到分光棱镜组(200)，可见光波段在分光棱镜组(200)透射，经过可见光校正透镜组(310)成像在可见光探测器(320)光敏面上。中波红外波段在分光棱镜组(200)处反射，经中波红外校正透镜组(410)成像在红外探测器(420)光敏面上。
本实施方式中可见光系统的结构，如图2所示，可见光路校正系统(300)沿光路方向由可见校正透镜组(310)和可见光探测器(320)组成。为实现缩小体积目的，可见光波段光束经过分光棱镜组(200)后再经过可见光校正透镜组(310)成像于可见光探测器(320)上。所述可见光路校正透镜沿光路方向包括第一透镜(311)、第二透镜(312)和第三透镜(313)三片透镜，透镜表面均采用标准球面。
对可见光系统进行优化，并保持前方与中波红外共用部分的参数不变，系统的可见光技术指标如下：
入瞳直径：5.5mm；
焦距：22mm；
视场角2w：±20°；
工作波段：0.5～0.8μm。
最终，如图3所示，系统在最大空间频率50lp/mm处的MTF均在0.4以上。
本实施方式的中波红外系统结构示意图，如图4所示，红外光路校正系统(400)由中波红外校正透镜组(410)和红外探测器(420)组成。其中，中波红外校正透镜组(410)沿光路方向包括第四透镜(411)、第五透镜(412)和第六透镜(413)组成。为了校正像差，透镜组采用两种材料进行组合。其中第四透镜(411)和第六透镜(413)采用Si晶体，第五透镜(412)采用Ge晶体，通过中波红外光路校正透镜组后，红外系统焦距整体为15mm。
对中波红外系统进行优化，保持前方与可见光系统共用部分的参数不变；系统的红外技术指标如下：
入瞳直径：3.75mm；
焦距：15mm；
视场角2w：±20°；
工作波段：3.6～4.2μm。
最终，如图5所示，系统在最大空间频率25lp/mm处的MTF均在0.3以上，接近衍射极限。
本实施方式中，光学系统体积在125×50×90mm3之内，系统充分利用有限空间，达到缩小体积，结构紧凑的目的，像差校正十分理想，可见光系统、中波红外系统成像质量均满足设计要求。
综上所述，本实施例公开的可见光与中波红外共口径复合光学系统采用可见光路和中波红外光路共用透射系统的结构形式，不仅满足双波段探测的需求，而且结构相对简单，大大减少了系统的装调难度、体积和重量；该系统中分光系统置于共用透射系统和校正系统之间，将光束分成两路，从而有效地利用了体积空间，使结构更加紧凑；满足体积的前提下，该系统实现了大视场及昼夜成像，可见光系统视场达±20°，中波红外系统视场达±20°，从而适用于广域成像需求，同时两波段视场大小一致，有助于图像融合，提升对伪装目标的识别能力。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种可见光与中波红外共口径复合光学系统，其特征在于，包括，共用透射系统(100)、分光棱镜组(200)、可见光路校正系统(300)以及红外光路校正系统(400)四部分；
所述共用透射系统(100)同时透射可见光与中波红外波段光线；
所述分光棱镜组(200)将所述共用透射系统(100)透射后的可见光与中波红外波段光线分离，将可见光波段光线透射到所述可见光路校正系统(300)，将中波红外波段光线透射到所述红外光路校正系统(400)；
所述可见光路校正系统(300)对透射的可见光波段光线进行透射和校正；
所述红外光路校正系统(400)对透射的中波红外波段光线进行透射和校正；
所述共用透射系统(100)沿光路方向由透射镜片1(110)和透射镜片2(120)组成，两透镜均为负光焦度透镜，透镜材料均为宽波段ZnS；
所述透射镜片1(110)后表面为标准二次曲面或高次非球面；
所述透射镜片2(120)前表面为标准二次曲面或高次非球面，后表面为标准二次曲面或高次非球面。
2.根据权利要求1所述的复合光学系统，其特征在于，
所述分光棱镜组(200)为立方棱镜组，由两块直角尖劈型棱镜组成；所述两块直角尖劈型棱镜的斜面胶合，中间接触的斜面镀有分光膜，所述分光膜透射可见光波段光线，反射中波红外波段光线；所述直角尖劈型棱镜材料均为宽波段ZnS。
3.根据权利要求1所述的复合光学系统，其特征在于，
所述可见光路校正系统(300)沿光路透射方向由可见光校正透镜组(310)和可见光探测器(320)组成；
所述可见光路校正透镜组(310)由第一校正透镜(311)、第二校正透镜(312)和第三校正透镜(313)三片透镜组成，依次排列；
所述第一校正透镜(311)是一片双胶合透镜，前后材料的折射率分别介于为1.6～1.9和1.3～1.6之间；
所述第二校正透镜(312)是一片单透镜，材料的折射率介于为1.5～1.7之间；
所述第三校正透镜(313)是一片双胶合透镜，前后材料的折射率分别介于为1.6～1.8和1.8～1.9之间。
4.根据权利要求1所述的复合光学系统，其特征在于，
所述红外光路校正系统(400)沿光路反射方向由中波红外校正透镜组(410)和红外探测器(420)组成；
所述中波红外校正透镜组(410)由第四校正透镜(411)、第五校正透镜(412)和第六校正透镜(413)组成，依次排列；
所述第四校正透镜(411)和第六校正透镜(413)为Si晶体，第五校正透镜(412)为Ge晶体。
5.根据权利要求1-4任一所述的复合光学系统，其特征在于，
全波段光束经过共用透射系统(100)入射到分光棱镜组(200)，可见光波段在分光棱镜组(200)透射，经过可见光校正透镜组(310)成像在可见光探测器(320)光敏面上；中波红外波段在分光棱镜组(200)处反射，经中波红外校正透镜组(410)成像在红外探测器(420)光敏面上。
6.根据权利要求5所述的复合光学系统，其特征在于，
可见光波段光束经过所述分光棱镜组(200)后再经过可见光校正透镜组(310)成像于可见光探测器(320)上；所述可见光路校正透镜沿光路方向包括第一透镜(311)、第二透镜(312)和第三透镜(313)三片透镜，透镜表面均采用标准球面，对可见光系统进行优化，并保持前方与中波红外共用部分的参数不变。
7.根据权利要求5所述的复合光学系统，其特征在于，
由共用透射系统(100)、分光棱镜组(200)和可见光路校正系统(300)构成的可见光系统的整体焦距为22mm。
8.根据权利要求5所述的复合光学系统，其特征在于，
由共用透射系统(100)、分光棱镜组(200)和红外光路校正系统(400)构成的红外系统的整体焦距为15mm。
9.根据权利要求1-4或6-8任一所述的复合光学系统，其特征在于，可见光工作波段为0.5～0.8μm，中波红外工作波段为3.6～4.2μm。
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