CN109683297A - 一种可见光-中波红外共口径长焦距光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可见光‑中波红外共口径长焦距光学系统，包括卡式反射镜组、分光平板、可见光切换反射镜和可见光连续变焦光学系统组，以及中波红外望远系统校正组、转折反射镜一、中波红外切换反射镜、转折反射镜二和中波红外两档切换变焦光学系统组；卡式反射镜组是可见光通道和中波红外通道共用组，与分光平板、可见光切换反射镜和可见光连续变焦光学系统组组成可见光光学系统，与分光平板、中波红外望远系统校正组、转折反射镜一、中波红外切换反射镜、转折反射镜二和中波红外两档切换变焦光学系统组组成中波红外光学系统；本发明实现了可见光/中波红外超长焦距光学系统共口径设计，通过切换反射镜实现可见光/中波红外大视场搜索功能。
Description
技术领域
本发明属于光学技术领域，具体涉及一种可见光/中波红外共口径长焦距光学系统。
背景技术
机载光电载荷如可见光摄像机和红外热像仪，一般各自独立工作，焦距短，且侦察平台也具有较大的体积和重量。
近年来，航空侦察平台对长焦距、高分辨率、体积小、质量轻的光电传感器需求日益迫切，而通过简单操作实现可见光/中波红外大视场搜索功能切换的长焦距光学系统，成为了关键。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术存在的上述问题，提供了一种可见光/中波红外共口径长焦距光学系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种可见光-中波红外共口径长焦距光学系统，包括从物方到像方依次设置的卡式反射镜组、分光平板、可见光切换反射镜和可见光连续变焦光学系统组，以及中波红外望远系统校正组、转折反射镜一、中波红外切换反射镜、转折反射镜二和中波红外两档切换变焦光学系统组；所述的卡式反射镜组是可见光通道和中波红外通道共用组，由同为抛物面镜的主反射镜和次反射镜组成；所述的分光平板、转折反射镜一和转折反射镜二法线与光轴夹角均为45°；所述的可见光连续变焦光学系统组由前固定组、变倍组、补偿组和后固定组组成；所述的中波红外望远系统校正组用于校正卡式反射镜组红外波段轴外像差，由望远镜一和望远镜二组成；所述的中波红外两档切换变焦光学系统组由主物镜一、主物镜二、短焦变倍镜一、短焦变倍镜二、调焦镜、前组固定镜、用于折转光路的反射镜一、后组固定镜一、后组固定镜二、用于折转光路的反射镜二和后组固定镜三组成；所述的卡式反射镜组、分光平板、可见光切换反射镜和可见光连续变焦光学系统组组成可见光光学系统；当可见光切换反射镜呈45°夹角切入光路时，卡式反射镜组和可见光连续变焦光学系统组长焦端进行光路组合，可见光通道组合为长焦距光学系统，进行远距离小目标跟踪；当可见光切换反射镜切出光路时，可见光连续变焦光学系统组对外界单独成像，进行大视场搜索；所述的卡式反射镜组、分光平板、中波红外望远系统校正组、转折反射镜一、中波红外切换反射镜、转折反射镜二和中波红外两档切换变焦光学系统组组成中波红外光学系统；当中波红外切换反射镜呈45°夹角切入光路时，卡式反射镜组和中波红外两档切换变焦光学系统组长焦端进行光路组合，中波红外通道组合为长焦距光学系统，进行远距离小目标跟踪；当中波红外切换反射镜切出光路时，中波红外两档切换变焦光学系统组对外界单独成像，进行大视场搜索。
所述的一种可见光-中波红外共口径长焦距光学系统，其卡式反射镜组为卡塞格林望远系统；其中主反射镜焦距是次反射镜焦距的5倍。
所述的一种可见光-中波红外共口径长焦距光学系统，其分光平板使用硅单晶材料，前表面镀膜实现可见光反射和中波红外透射。
所述的一种可见光-中波红外共口径长焦距光学系统，所述的可见光长焦距光学系统焦距为1500mm，对应的视场角为0.24°×0.18°；所述的中波红外长焦距光学系统焦距为750mm，对应的视场角为0.73°×0.59°。
所述的一种可见光-中波红外共口径长焦距光学系统，其可见光连续变焦光学系统组焦距变化范围为50mm～300mm，对应视场角为7.32°×5.5°～1.22°×0.92°。
所述的一种可见光-中波红外共口径长焦距光学系统，所述的前固定组为固定镜一、固定镜二和固定镜三组成的单—单—双结构正光焦度组；所述的变倍组为变倍镜一、变倍镜二和变倍镜三组成的双—单—单结构负光焦度组；所述的补偿组为补偿镜一和补偿镜二组成的单—双结构正光焦度组；所述的后透镜组为后固定镜一、后固定镜二和后固定镜三组成的单—双—单结构正光焦度组。
所述的一种可见光-中波红外共口径长焦距光学系统，其中波红外望远系统校正组为无焦系统，所述的望远镜一为具有负光焦度的单晶锗透镜，所述的望远镜二为具有正光焦度的单晶锗透镜。
所述的一种可见光-中波红外共口径长焦距光学系统，所述的主物镜一为具有正光焦度的单晶硅透镜；所述的主物镜二为具有负光焦度的单晶锗透镜；所述的短焦变倍镜一为具有负光焦度的单晶锗透镜；所述的短焦变倍镜二为具有正光焦度的单晶硅透镜；所述的调焦镜为具有正光焦度的单晶硅透镜；所述的前组固定镜为具有负光焦度的单晶锗透镜；所述的后组固定镜一为具有负光焦度的单晶锗透镜；所述的后组固定镜二为具有正光焦度的单晶硅透镜；所述的后组固定镜三为具有正光焦度的单晶硅透镜。
进一步，所述的中波红外两档切换变焦光学系统组是焦距为50mm/150mm的两档变焦，当短焦变倍镜一和短焦变倍镜二切入光路时为短焦端，当短焦变倍镜一和短焦变倍镜二切出光路时为长焦端，对应视场角为10.97°×8.78°/3.66°×2.93°。
进一步，所述的主物镜一第二面、短焦变倍镜一第二面、前组固定镜第一面和后组固定镜一第二面均为非球面。
本发明的有益效果是：通过可见光切换反射镜的切入/切出光路实现可见光长焦距和可见光连续变焦光学系统的变换；通过中波红外切换反射镜的切入/切出光路实现中波红外长焦距和中波红外两档变倍光学系统的切换；解决了在有限尺寸内实现了光电载荷长焦距要求，同时实现了光电载荷大视场搜索和小视场跟踪共用光电传感器，进而减小光电载荷体积、重量及成本，整体外形尺寸≤575mm×450mm×370mm（长×宽×高）。
附图说明
图1是本专利光学系统示意图；
图2是本专利光学系统传递函数图：图2a为可见光连续变焦光学系统组短焦（50mm）在120lp/mm时的传递函数曲线图，图2b为可见光连续变焦光学系统组长焦（300mm）在120lp/mm时传递函数曲线图，图2c为可见光长焦距（1500）光学系统在120lp/mm时传递函数曲线图，图2d为中波红外两档切换变焦光学系统组短焦（50mm）在16lp/mm时传递函数曲线图，图2e为中波红外两档切换变焦光学系统组长焦（150mm）在16lp/mm时传递函数曲线图，图2f为中波红外长焦距光学系统（750mm）在16lp/mm时传递函数曲线图；
图3是本专利光学系统弥散斑图：图3a为可见光连续变焦光学系统组短焦（50mm）弥散斑图，图3b为可见光连续变焦光学系统组长焦（300mm）弥散斑图，图3c为可见光长焦距光学系统（1500mm）弥散斑图，图3d为中波红外两档切换变焦光学系统组短焦（50mm）弥散斑图，图3e为中波红外两档切换变焦光学系统组长焦（150mm）弥散斑图，图3f为中波红外长焦距光学系统（750mm）弥散斑图。
图中各附图标记为：1—卡式反射镜组，11—主反射镜，12—次反射镜，2—分光平板，3—可见光切换反射镜，4—可见光连续变焦光学系统组，41—前固定组，411—前固定镜一，412—前固定镜二，413—前固定镜三，42—变倍组， 421—变倍镜一，422—变倍镜二，423—变倍镜三，43—补偿组，431—补偿镜一，432—补偿镜二，44—后固定组，441—后固定镜一，442—后固定镜二，443—后固定镜三，5—中波红外望远系统校正组，51—望远镜一，52—望远镜二，6—转折反射镜一，7—中波红外切换反射镜，8—转折反射镜二，9—中波红外两档切换变焦光学系统组，91—主物镜一，92—主物镜二，93—短焦变倍镜一，94—短焦变倍镜二，95—调焦镜，96—前组固定镜，97—反射镜一，98—后组固定镜一，99—后组固定镜二，910—反射镜二，911—后组固定镜三。
具体实施方式
以下结合附图，通过本实施例对本发明做进一步详细说明，
本发明设计了一种可见光/中波红外共口径长焦距光学系统，该光学系统共口径部分为卡塞格林望远系统，可见光通道和红外通道分别通过各自切换反射镜切入光路实现后组成像系统与望远系统的光路衔接，实现超长焦距，进行远距离跟踪，同时切换反射镜切出光路时，可见光成像系统和红外成像系统可以单独对外界成像，实现大视场搜索功能。切换机构简单可靠，且只使用一个可见光和红外探测器，即减小了光电载荷的体积和重量，又降低了成本。
参照图1所示，本发明可见光光学系统从物方到像方依次由卡式反射镜组1、分光平板2、可见光切换反射镜3和可见光连续变焦光学系统组4组成；中波红外光学系统从物方到像方依次由卡式反射镜组1、分光平板2、中波红外望远系统校正组5、转折反射镜一6、中波红外切换反射镜7、转折反射镜二8和中波红外两档切换变焦光学系统组9组成，其中：
卡式反射镜组1是可见光通道和中波红外通道共用组，为卡塞格林望远系统，由主反射镜11和次反射镜12组成，二者均为抛物面反射镜，其中主反射镜11焦距是次反射镜12焦距的5倍。
分光平板2使用单晶硅单晶材料，法线与光轴夹角为45°，前表面镀膜实现可见光反射和中波红外透射。
可见光切换反射镜3切入光路时，法线与光轴夹角为45°，使卡式反射镜组1和可见光连续变焦光学系统组长焦端进行光路组合，实现可见光超长焦距光学系统，焦距为1500mm，对应的视场角为0.24°×0.18°。
可见光连续变焦光学系统组4在可见光切换反射镜3切出光路时，对外界直接进行成像，由前固定组41、变倍组42、补偿组43和后固定组44组成；焦距变化范围为50mm～300mm，对应视场角为7.32°×5.5°～1.22°×0.92°。
前固定组41为单、单、双结构的正光焦度组，承担调焦任务，从前至后依次为：两片低折射率低色散的氟石双凸透镜（前固定镜一411和前固定镜二412），一片高折射率中等色散的重镧火石双凹透镜与一片中等折射率低色散的重冕透镜组成的双胶合透镜组（前固定镜三413）；变倍组42为双、单、单结构的负光焦度组，从前至后依次为：一片高折射率高色散的重火石正弯月透镜与一片中等折射率中等色散的镧冕双凹透镜组成的双胶合透镜组（变倍镜一421），一片高折射率高色散的重钡火石正弯月透镜（变倍镜二422），一片低折射率低色散的氟冕双凸透镜（变倍镜三423）；补偿组43为单、双结构的正光焦度组，从前至后依次为：一片低折射率低色散的氟冕双凸透镜（补偿镜一431），一片低折射率低色散的氟冕双凸透镜与一片高折射率高色散的重钡火石负弯月透镜组成的双胶合透镜组（补偿镜二432）；后透镜组44为单、双、单结构的正光焦度组，从前至后依次为：一片高折射率中等色散的重镧火石负弯月透镜（后固定镜一441），一片高折射率高色散的重钡火石负弯月透镜与一片低折射率低色散的氟冕正弯月透镜组成的双胶合透镜（后固定镜二442），一片低折射率低色散的重冕双凸透镜（后固定镜三443）。
中波红外望远系统校正组为无焦系统，用来校正卡式反射镜组红外波段轴外像差，由两片锗材料组成，望远镜一51是具有负光焦度的单晶锗透镜，望远镜二52是具有正光焦度的单晶锗透镜。
所述的转折反射镜一6法线与光轴夹角为45°，用于转折光线，提高光学系统空间利用率，缩小体积。
所述的中波红外切换反射镜7切入光路时，法线与光轴夹角为45°，使卡式反射镜组1和中波红外两档切换变焦光学系统组9长焦端进行光路组合，实现中波红外超长焦距光学系统，焦距为750mm，对应的视场角为0.73°×0.59°。
转折反射镜二8法线与光轴夹角为45°，用于转折光路，提高总体光学系统空间利用率，缩小体积。
中波红外两档切换变焦光学系统组9在中波红外切换反射镜7切出光路时，对外界直接进行成像，由主物镜一91、主物镜二92、短焦变倍镜一93、短焦变倍镜二94、调焦镜95、前组固定镜96、反射镜一97、后组固定镜一98、后组固定镜二99、反射镜二910和后组固定镜三911组成。
中波红外两档切换变焦光学系统组9焦距为50mm/150mm两档变焦，当短焦变倍镜一和短焦变倍镜二切入光路时为短焦端，当短焦变倍镜一和短焦变倍镜二切出光路时为长焦端，对应视场角为10.97°×8.78°/3.66°×2.93°。
中波红外两档切换变焦光学系统组9的主物镜一91是具有正光焦度的单晶硅透镜，主物镜二92是具有负光焦度的单晶锗透镜，短焦变倍镜一93是具有负光焦度的单晶锗透镜，短焦变倍镜二94是具有正光焦度的单晶硅透镜，调焦镜95是具有正光焦度的单晶硅透镜，前组固定镜96是具有负光焦度的单晶锗透镜，反射镜一97用于折转光路，后组固定镜一98是具有负光焦度的单晶锗透镜，后组固定镜二99是具有正光焦度的单晶硅透镜，反射镜二910用于折转光路，后组固定镜三911是具有正光焦度的单晶硅透镜。
该光学系统具体设计参数如以下两个表所示。下表是具体实施例的中波红外光学系统设计参数：
下表是具体实施例的可见光光学系统设计参数：
以上2个表中，曲率半径是指每个镜片表面的曲率半径，厚度或间隔是指镜片厚度或相邻镜片表面距离，材料是镜片所用材料，空气是指两个透镜之间介质为空气。
下表是具体实施实例中波红外传递函数值。
下表是具体实施实例可见光传递函数值。
为使系统获得比较好的像质，中波红外光学系统中使四片非球面，且避免在口径较大主物镜组和硬度较大的硅材料上设置非球面，分别位于主物镜一91的第二面、短焦变倍镜一93的第二面、前组固定镜96的第一面和后组固定镜一98的第二面。
下表是具体实施例中使用非球面系数。
非球面方程定义如下：
本发明通过实际使用证明：可见光中波红外共口径光学系统结构紧凑、成像质量良好、只通过旋转切换反射镜实现了大视场搜索和超小视场（超长焦距）跟踪，切换机构简单可靠。
图2 是本发明专利光学系统的MTF曲线图。其中：图2a为可见光连续变焦光学系统组短焦（50mm）在120lp/mm时的传递函数曲线图，图2b为可见光连续变焦光学系统组长焦（300mm）在120lp/mm时传递函数曲线图，图2c为可见光长焦距（1500）光学系统在120lp/mm时传递函数曲线图，图2d为中波红外两档切换变焦光学系统组短焦（50mm）在16lp/mm时传递函数曲线图，图2e为中波红外两档切换变焦光学系统组长焦（150mm）在16lp/mm时传递函数曲线图，图2f为中波红外长焦距光学系统（750mm）在16lp/mm时传递函数曲线图，且其横坐标为每毫米的线对数，纵坐标为对比度数值。
图3是本发明专利光学系统的点列图。图3a为可见光连续变焦光学系统组短焦（50mm）弥散斑图，图3b为可见光连续变焦光学系统组长焦（300mm）弥散斑图，图3c为可见光长焦距光学系统（1500mm）弥散斑图，图3d为中波红外两档切换变焦光学系统组短焦（50mm）弥散斑图，图3e为中波红外两档切换变焦光学系统组长焦（150mm）弥散斑图，图3f为中波红外长焦距光学系统（750mm）弥散斑图。
最后应当说明的是：本发明并不仅限于上述实施方式，在本领域的技术人员应当理解，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下进行修改或者等同替换。
Claims (10)
1.一种可见光-中波红外共口径长焦距光学系统，其特征在于：包括从物方到像方依次设置的卡式反射镜组（1）、分光平板（2）、可见光切换反射镜（3）和可见光连续变焦光学系统组（4），以及中波红外望远系统校正组（5）、转折反射镜一（6）、中波红外切换反射镜（7）、转折反射镜二（8）和中波红外两档切换变焦光学系统组（9）；
所述的卡式反射镜组（1）是可见光通道和中波红外通道共用组，由同为抛物面镜的主反射镜（11）和次反射镜（12）组成；
所述的分光平板（2）、转折反射镜一（6）和转折反射镜二（8）法线与光轴夹角均为45°；
所述的可见光连续变焦光学系统组（4）由前固定组（41）、变倍组（42）、补偿组（43）和后固定组（44）组成；
所述的中波红外望远系统校正组（5）用于校正卡式反射镜组（1）红外波段轴外像差，由望远镜一（51）和望远镜二（52）组成；
所述的中波红外两档切换变焦光学系统组（9）由主物镜一（91）、主物镜二（92）、短焦变倍镜一（93）、短焦变倍镜二（94）、调焦镜（95）、前组固定镜（96）、用于折转光路的反射镜一（97）、后组固定镜一（98）、后组固定镜二（99）、用于折转光路的反射镜二（910）和后组固定镜三（911）组成；
所述的卡式反射镜组（1）、分光平板（2）、可见光切换反射镜（3）和可见光连续变焦光学系统组（4）组成可见光光学系统；当可见光切换反射镜（3）呈45°夹角切入光路时，卡式反射镜组（1）和可见光连续变焦光学系统组（4）长焦端进行光路组合，可见光通道组合为长焦距光学系统；当可见光切换反射镜（3）切出光路时，可见光连续变焦光学系统组（4）对外界单独成像；
所述的卡式反射镜组（1）、分光平板（2）、中波红外望远系统校正组（5）、转折反射镜一（6）、中波红外切换反射镜（7）、转折反射镜二（8）和中波红外两档切换变焦光学系统组（9）组成中波红外光学系统；当中波红外切换反射镜（7）呈45°夹角切入光路时，卡式反射镜组（1）和中波红外两档切换变焦光学系统组（9）长焦端进行光路组合，中波红外通道组合为长焦距光学系统；当中波红外切换反射镜（7）切出光路时，中波红外两档切换变焦光学系统组（9）对外界单独成像。
2.根据权利要求1所述的一种可见光-中波红外共口径长焦距光学系统，其特征在于，所述的卡式反射镜组（1）为卡塞格林望远系统；所述的主反射镜（11）焦距是次反射镜（12）焦距的5倍。
3.根据权利要求1所述的一种可见光-中波红外共口径长焦距光学系统，其特征在于，所述的分光平板（2）使用硅单晶材料，前表面镀膜实现可见光反射和中波红外透射。
4.根据权利要求1所述的一种可见光-中波红外共口径长焦距光学系统，其特征在于，所述的可见光长焦距光学系统焦距为1500mm，对应的视场角为0.24°×0.18°；所述的中波红外长焦距光学系统焦距为750mm，对应的视场角为0.73°×0.59°。
5.根据权利要求1所述的一种可见光-中波红外共口径长焦距光学系统，其特征在于，所述的可见光连续变焦光学系统组（4）焦距变化范围为50mm～300mm，对应视场角为7.32°×5.5°～1.22°×0.92°。
6.根据权利要求5所述的一种可见光-中波红外共口径长焦距光学系统，其特征在于，所述的前固定组（41）为固定镜一（411）、固定镜二（412）和固定镜三（413）组成的单—单—双结构正光焦度组；所述的变倍组（42）为变倍镜一（421）、变倍镜二（422）和变倍镜三（423）组成的双—单—单结构负光焦度组；所述的补偿组（43）为补偿镜一（431）和补偿镜二（432）组成的单—双结构正光焦度组；所述的后透镜组（44）为后固定镜一（441）、后固定镜二（442）和后固定镜三（443）组成的单—双—单结构正光焦度组。
7.根据权利要求1所述的一种可见光-中波红外共口径长焦距光学系统，其特征在于，所述的中波红外望远系统校正组（5）为无焦系统，所述的望远镜一（51）为具有负光焦度的单晶锗透镜，所述的望远镜二（52）为具有正光焦度的单晶锗透镜。
8.根据权利要求1所述的一种可见光-中波红外共口径长焦距光学系统，其特征在于，所述的主物镜一（91）为具有正光焦度的单晶硅透镜；所述的主物镜二（92）为具有负光焦度的单晶锗透镜；所述的短焦变倍镜一（93）为具有负光焦度的单晶锗透镜；所述的短焦变倍镜二（94）为具有正光焦度的单晶硅透镜；所述的调焦镜（95）为具有正光焦度的单晶硅透镜；所述的前组固定镜（96）为具有负光焦度的单晶锗透镜；所述的后组固定镜一（98）为具有负光焦度的单晶锗透镜；所述的后组固定镜二（99）为具有正光焦度的单晶硅透镜；所述的后组固定镜三（911）为具有正光焦度的单晶硅透镜。
9.根据权利要求8所述的一种可见光-中波红外共口径长焦距光学系统，其特征在于，所述的中波红外两档切换变焦光学系统组（9）是焦距为50mm/150mm的两档变焦，当短焦变倍镜一（93）和短焦变倍镜二（94）切入光路时为短焦端，当短焦变倍镜一（93）和短焦变倍镜二（94）切出光路时为长焦端，对应视场角为10.97°×8.78°/3.66°×2.93°。
10.根据权利要求8所述的一种可见光-中波红外共口径长焦距光学系统，其特征在于，所述的主物镜一（91）第二面、短焦变倍镜一（93）第二面、前组固定镜（96）第一面和后组固定镜一（98）第二面均为非球面。
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