CN108693634A - 宽光谱共口径电视、红外变焦成像、激光跟踪引导光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光电设备技术领域，涉及一种宽光谱共口径电视、红外变焦成像、激光跟踪引导光学系统，采用前固定组、变倍组和补偿组构成光学系统的公共变焦组，构成了共口径共变焦的光路结构，利用同一光路可同时对同一目标进行锁定，由小视场到大视场对同一目标采用不同光谱同时探测、识别、辨认，大大提高了光学系统的反应速度，满足了探测的实时性要求，避免了切换光路而失去一些移动快速的目标；将所有的光电设备集成于一体，用同一个成像窗口对同一目标同时进行可见电视成像，探测目标辐射特性，激光跟踪和激光测高功能。
Description
技术领域
本发明属于光电设备技术领域，涉及一种共口径可见电视、中波红外变焦成像、激光跟踪引导光学系统。
背景技术
随着现代安防侦查应用环境的日趋复杂，对成像光学系统的小型化、轻量化、探测综合能力、反应速度及实时性能提出了越来越高的要求。在此背景下，多波段集成在一起的变焦光学系统应运而生。变焦光学系统可实现短焦大视场快速搜索和发现目标，长焦小视场精确观察和测量目标，并通过实时改变焦距跟踪和锁定目标。宽光谱光学系统已成为当今光学领域发展的一个重要方向，该系统可以对被测目标进行多波段检测以获取更多的探测信息，以及对不同光谱特性被测物体进行综合探测和精确观测，同时能实现对所探测到目标进行实时跟踪和精确测高。
目前对于电视成像、红外光成像、激光跟踪引导的光电成像设备都是对各子系统分开单独设计，然后组合在成像设备中形成多波段光学系统，而由电视成像、中波红外两档变焦光学系统、1.064μm激光跟踪系统和1.57μm激光测高系统组成的多波段光学系统通常需要十个结构组：可见前固定组、可见变倍组、可见补偿组、可见后固定组，红外前固定组、红外变倍组、红外补偿组、红外后固定组、1.064μm激光跟踪系统和1.57μm激光测高系统。当需要由探测目标的反射特性转换到显示目标的辐射特性时，首先得切换系统，由可见光系统切换成红外系统。切换耗时导致不能对同一目标进行多光谱探测，这在一定程度上影响了多波段光学系统的实时性和反应速度，对于快速移动的目标无法同时获取电视成像信息、红外辐射特性和激光跟踪引导测高。另外，现有的多波段光学系统在同一变焦位置处不同波段之间的焦距都是相同的，根据约翰逊准则，很难实现对同一目标的探测或者识别。
发明内容
为了解决现有多波段光学系统无法对快速移动的目标同时获取电视成像信息、红外辐射特性和激光跟踪引导测高的技术问题，以及很难实现对同一目标的探测或识别的技术问题，本发明提供了一种宽光谱共口径电视、红外变焦成像、激光跟踪引导光学系统，将可见光、红外光、激光融合在同一通道中，实现可见、红外对同一目标同时探测、识别、辨认，以及激光1.064μm激光跟踪和1.57μm激光测高功能。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
宽光谱共口径电视、红外变焦成像、激光跟踪引导光学系统，其特征在于：包括沿同一光路依次设置的前固定组、变倍组、补偿组、第一分光棱镜、第三分光棱镜和可见电视成像后固定组；
沿所述第一分光棱镜的反射光路上依次设置有第二分光棱镜和1.064μm激光跟踪准直透镜组；所述第二分光棱镜的反射光路上设置有1.57μm激光测高准直透镜组；所述第三分光棱镜的反射光路上设置有中波红外后固定组；
所述前固定组、变倍组、补偿组能够同时透过0.6～0.9μm、3～5μm、1.064μm和1.57μm的光谱；前固定组用于接收目标信息；变倍组用于改变光学系统的焦距；补偿组用于补偿所述变倍组移动过程产生的像面漂移；
所述第一分光棱镜能对可见光和红外光进行透射，对激光进行反射；
所述第三分光棱镜能对可见光进行透射，对红外光和激光进行反射；
所述第二分光棱镜能对1.064μm激光进行透射，对1.57μm激光进行反射；
所述1.064μm激光跟踪准直透镜组用于收集、准直所述第二分光棱镜透射的1.064μm激光，实现1.064μm激光跟踪；
所述1.57μm激光测高准直透镜组用于收集、准直所述第二分光棱镜反射的1.57μm激光，实现1.57μm激光测高。
进一步地，所述前固定组由共轴的第一双弯月正透镜和第二双弯月正透镜组成；所述变倍组由共轴的第三双弯月正透镜和第一双凹负透镜组成；所述补偿组由第四双弯月正透镜和第五双弯月正透镜组成；所述第一双凹负透镜朝向像距的面加工有偶次非球面，所述第五双弯月正透镜朝向物距的面加工有衍射非球面。
进一步地，所述第一双弯月正透镜和第四双弯月正透镜均由CAF2制成；所述第二双弯月正透镜由BAF2制成；所述第三双弯月正透镜和第五双弯月正透镜均由ZNSE制成；所述第一双凹负透镜由ZNS_BROAD制成。
进一步地，所述1.064μm激光跟踪准直透镜组由第二双凹负透镜和第一平凸正透镜构成。
进一步地，所述1.57μm激光测高准直透镜组由第三双凹负透镜和第二平凸正透镜构成。
进一步地，所述可见电视成像后固定组由第一双胶合透镜和第一双凸正透镜构成，所述第一双胶合透镜是由双凹透镜和双凸透镜组合成的双胶合透镜，其中，所述第一双凸正透镜和所述第一双胶合透镜中的双凸透镜朝向像距的面均加工有偶次非球面。
进一步地，所述中波红外后固定组由第六双弯月正透镜和第二双凸正透镜构成，所述第六双弯月正透镜朝向物距的面加工有衍射非球面，所述第二双凸正透镜朝向像距的面加工有偶次非球面。
进一步地，所述第一分光棱镜和第三分光棱镜均由CLEARTRAN制成。
进一步地，所述第二分光棱镜由Bk7制成。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1、本发明采用前固定组、变倍组和补偿组构成光学系统的公共变焦组，构成了共口径共变焦的光路结构，利用同一光路可同时对同一目标进行锁定，由小视场到大视场对同一目标采用不同光谱同时探测、识别、辨认，大大提高了光学系统的反应速度，满足了探测的实时性要求，避免了切换光路而失去一些移动快速的目标；将所有的光电设备集成于一体，用同一个成像窗口对同一目标同时进行可见电视成像，探测目标辐射特性，激光跟踪和激光测高功能。
2、本发明适用范围广：系统变焦比为3倍，电视成像波段：0.6～0.9μm，红外成像波段：3～5μm，电视成像焦距为100mm～300mm，红外成像焦距280mm～840mm，1.064μm和1.58μm实现5倍扩束准直。
3、本发明将1.064μm激光跟踪准直透镜组、1.57μm激光测高准直透镜组、可见电视成像后固定组和中波红外后固定组融合在一起，其共用同一公共变焦组，极大降低了系统的体积和复杂性。
4、本发明装配工艺简单，对各光学组件之间的间距无特殊需求，只要满足组装工艺即可。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明实施例中可见电视成像后固定组的点列图；
图3为本发明实施例中中波红外固定组的点列图；
图4为本发明实施例中1.064μm激光跟踪准直透镜组的准直度；
图5为本发明实施例中1.57μm激光测高准直透镜组的准直度；
附图标记说明：
1-前固定组，11-第一双弯月正透镜，12-第二双弯月正透镜；
2-变倍组，21-第三双弯月正透镜，22-第一双凹负透镜；
3-补偿组，31-第四双弯月正透镜，32-第五双弯月正透镜；
4-1.064μm激光跟踪准直透镜组，41-第二双凹负透镜，42-第一平凸正透镜；
5-1.57μm激光测高准直透镜组，51-第三双凹负透镜，52-第二平凸正透镜；
6-可见电视成像后固定组，61-第一双胶合透镜，62-第一双凸正透镜；
7-中波红外后固定组，71-第六双弯月正透镜，72-第二双凸正透镜；
8-第一分光棱镜，9-第二分光棱镜，10-第三分光棱镜。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细说明。
参见图1，本发明宽光谱共口径电视、红外变焦成像、激光跟踪引导光学系统包括沿同一光路依次设置的前固定组1、变倍组2、补偿组3、第一分光棱镜8、第三分光棱镜10和可见电视成像后固定组6；沿第一分光棱镜8的反射光路上依次设置有第二分光棱镜9和1.064μm激光跟踪准直透镜组4；第二分光棱镜9的反射光路上设置有1.57μm激光测高准直透镜组5；第三分光棱镜10的反射光路上设置有中波红外后固定组7；
前固定组用于接收目标信息和承担光学系统的大部分像差；变倍组2的移动可以改变光学系统的焦距；补偿组3是为了弥补变倍组2在移动过程中产生的像面漂移；
前固定组1、变倍组2、补偿组3能够同时透过的光谱为0.6～0.9μm、3～5μm、1.064μm和1.57μm；第一分光棱镜8能对可见光和红外光进行透射，对激光进行反射；第三分光棱镜10能对可见光进行透射，对红外光和激光进行反射；第二分光棱镜9能对1.064μm进行透射，对1.57μm激光进行反射；
具体的，前固定组1由第一双弯月正透镜11和第二双弯月正透镜12组成；变倍组2由第三双弯月正透镜21和第一双凹负透镜22组成，第一双凹负透镜22朝向像距的面加工有偶次非球面；补偿组3由第四双弯月正透镜31和第五双弯月正透镜32组成，第五双弯月正透镜32朝向物距的面加工有衍射非球面；1.064μm激光跟踪准直透镜组4由第二双凹负透镜41和第一平凸正透镜42构成；1.57μm激光测高准直透镜组5由第三双凹负透镜51和第二平凸正透镜52构成；可见电视成像后固定组6由第一双胶合透镜61和第一双凸正透镜62构成，第一双胶合透镜61是由双凹透镜和双凸透镜组合成的双胶合透镜，其中，正透镜朝向像距的面加有偶次非球面；中波红外后固定组7由第六双弯月正透镜71和第二双凸正透镜72构成，其中，第六双弯月正透镜71朝向物距的面加有衍射非球面，第二双凸正透镜72朝向像距的面加有偶次非球面。
上述第一双凹负透镜22、第一双胶合透镜61和第二双凸正透镜72上，加工偶次非球面可以校正系统的轴像外差，而且在一定程度上可以使得系统用较少的镜片材料达到最好的成像效果；如果不加非球面，会导致系统的材料过多，对系统的光能量吸收损耗过多，不利于对暗点目标的观察。上述第五双弯月正透镜32和第六双弯月正透镜71上加工衍射非球面，可以校正多波段之间的垂轴色差。
本发明的原理：
前固定组1、变倍组2和补偿组3组成了本发明光学系统的公共变焦组，该公共变焦组主要用于光学系统不同焦距之间的同步变焦，保证不同波段之间在任意位置处的变焦比是一致的，从而实现对目标的同步探测、识别、辨认，并且同时实现对目标的跟踪、测高功能；
可见电视成像后固定组6对第三分光镜10透射的可见光汇聚成像，还可用于校正光学系统在公共变焦组部分的残余像差；
中波红外后固定组7对第三分光棱镜10反射的红外光进行汇聚成像，还可用于校正光学系统在公共变焦组部分产生的垂轴色差和高级像差；
1.064μm激光跟踪准直透镜组4收集、准直第二分光棱镜9透射的1.064μm激光，实现1.064μm激光跟踪；
1.57μm激光测高准直透镜组5收集、准直第二分光棱镜9反射的1.57μm激光，实现激光1.57μm激光测高。
本发明光学系统结构能实现在同一变焦位置处使可见电视成像和中波红外成像的焦距值满足约翰逊准则，因而光学系统在使用过程中无需切换波段可同时实现0.6～0.9μm电视成像，3～5μm红外成像和1.064μm激光跟踪功能和1.57激光测高功能。
实施例：
光学系统工作的环境温度为-40℃～60℃；
光学系统成像部分(可见电视和中波红外成像)采用的是两档变焦光学系统，该两档变焦光学系统的变焦比为3x；
系统电视成像短焦部分(即光学系统对于0.6～0.9μm波段的成像部分，包括前固定组、变倍组、补偿组和可见后固定组)的焦距为100mm，视场角为3.5°，最终设计结果显示，对0.6～0.9μm波段光学系统的点列图RMS值小于单个像元尺寸(单个像元尺寸为5.5μm)；
系统中波红外短焦部分(即光学系统对于3～5μm波段的成像部分，包括前固定组、变倍组、补偿组和中波红外后固定组)的焦距为280mm，视场角为2.5°，最终设计结果显示对3～5μm波段光学系统的点列图RMS值小于单个像元尺寸(单个像元尺寸为15μm)；
1.064μm激光跟踪准直透镜组和1.57μm激光测高准直透镜组的接收视场角均为0.5mrad，扩束倍率大于5x；
本实施例光学系统详细参数如表1-3所示：
表1 各光学元件的参数
表2 系统各组分移动间距
上表中D4为前固定组与变倍组间距，D8为变倍组与补偿组间距，D12为补偿组与后组间距。
表3 系统非球面衍射面系数
上表中，k为圆锥系数，A4、A6、A8、A10为非球面方程的微结构系数，微结构系数值决定了加工面型。
本实施例光学系统各组成部分的像质评价图如图2、图3、图4、图5所示。从图2和图3可以看出所有颜色的光线是否被艾里斑圆(最外面的黑色圆圈)包住，说明可见电视成像和中波红外成像系统的成像质量非常好，系统的分辨率非常高。图4和图5看出，RSM半径小于激光测距测高、引导系统的极限准直度，说明激光测距测高、引导系统的准直度非常好。
Claims (9)
1.宽光谱共口径电视、红外变焦成像、激光跟踪引导光学系统，其特征在于：包括沿同一光路依次设置的前固定组(1)、变倍组(2)、补偿组(3)、第一分光棱镜(8)、第三分光棱镜(10)和可见电视成像后固定组(6)；
沿所述第一分光棱镜(8)的反射光路上依次设置有第二分光棱镜(9)和1.064μm激光跟踪准直透镜组(4)；所述第二分光棱镜(9)的反射光路上设置有1.57μm激光测高准直透镜组(5)；所述第三分光棱镜(10)的反射光路上设置有中波红外后固定组(7)；
所述前固定组(1)、变倍组(2)、补偿组(3)能够同时透过0.6～0.9μm、3～5μm、1.064μm和1.57μm的光谱；前固定组(1)用于接收目标信息；变倍组(2)用于改变光学系统的焦距；补偿组(3)用于补偿所述变倍组(2)移动过程产生的像面漂移；
所述第一分光棱镜(8)能对可见光和红外光进行透射，对激光进行反射；
所述第三分光棱镜(10)能对可见光进行透射，对红外光和激光进行反射；
所述第二分光棱镜(9)能对1.064μm激光进行透射，对1.57μm激光进行反射；
所述1.064μm激光跟踪准直透镜组(4)用于收集、准直所述第二分光棱镜(9)透射的1.064μm激光，实现1.064μm激光跟踪；
所述1.57μm激光测高准直透镜组(5)用于收集、准直所述第二分光棱镜(9)反射的1.57μm激光，实现1.57μm激光测高。
2.根据权利要求1所述的宽光谱共口径电视、红外变焦成像、激光跟踪引导光学系统，其特征在于：所述前固定组(1)由共轴的第一双弯月正透镜(11)和第二双弯月正透镜(12)组成；所述变倍组(2)由共轴的第三双弯月正透镜(21)和第一双凹负透镜(22)组成；所述补偿组(3)由第四双弯月正透镜(31)和第五双弯月正透镜(32)组成；所述第一双凹负透镜(22)朝向像距的面加工有偶次非球面，所述第五双弯月正透镜(32)朝向物距的面加工有衍射非球面。
3.根据权利要求2所述的宽光谱共口径电视、红外变焦成像、激光跟踪引导光学系统，其特征在于：所述第一双弯月正透镜(11)和第四双弯月正透镜(31)均由CAF2制成；所述第二双弯月正透镜(12)由BAF2制成；所述第三双弯月正透镜(21)和第五双弯月正透镜(32)均由ZNSE制成；所述第一双凹负透镜(22)由ZNS_BROAD制成。
4.根据权利要求1所述的宽光谱共口径电视、红外变焦成像、激光跟踪引导光学系统，其特征在于：所述1.064μm激光跟踪准直透镜组(4)由第二双凹负透镜(41)和第一平凸正透镜(42)构成。
5.根据权利要求1所述的宽光谱共口径电视、红外变焦成像、激光跟踪引导光学系统，其特征在于：所述1.57μm激光测高准直透镜组(5)由第三双凹负透镜(51)和第二平凸正透镜(52)构成。
6.根据权利要求1所述的宽光谱共口径电视、红外变焦成像、激光跟踪引导光学系统，其特征在于：所述可见电视成像后固定组(6)由第一双胶合透镜(61)和第一双凸正透镜(62)构成，所述第一双胶合透镜(61)是由双凹透镜和双凸透镜组合成的双胶合透镜，其中，所述第一双凸正透镜(62)和所述第一双胶合透镜(61)中的双凸透镜朝向像距的面均加工有偶次非球面。
7.根据权利要求1所述的宽光谱共口径电视、红外变焦成像、激光跟踪引导光学系统，其特征在于：所述中波红外后固定组(7)由第六双弯月正透镜(71)和第二双凸正透镜(72)构成，所述第六双弯月正透镜(71)朝向物距的面加工有衍射非球面，所述第二双凸正透镜(72)朝向像距的面加工有偶次非球面。
8.根据权利要求1所述的宽光谱共口径电视、红外变焦成像、激光跟踪引导光学系统，其特征在于：所述第一分光棱镜(8)和第三分光棱镜(10)均由CLEARTRAN制成。
9.根据权利要求1所述的宽光谱共口径电视、红外变焦成像、激光跟踪引导光学系统，其特征在于：所述第二分光棱镜(9)由Bk7制成。
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