CN109696744A - 一种多波段集成传感器光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多波段集成传感器光学系统,包括沿光轴方向,从物方到像方依次设置的前置缩束系统、用于透射中波红外反射可见光及激光的分光平板一、用于透射可见光反射激光的分光平板二、红外光学系统、激光测距系统和可见光光学系统,其中红外光学系统、激光测距系统和可见光光学系统共用前置缩束系统,分别构成红外通道、激光测距通道和可见光通道;三通道可绕Z轴360°旋转,实现方位扫描探测,绕X轴360°旋转,实现俯仰扫描探测,实现全景覆盖;本发明多波段集成传感器光学系统,结构紧凑、光轴一致性好、指向精度高、装调简便;覆盖可见光、红外以及激光三个波段,实现了中波红外、可见光成像,有效提升了光电侦查装备的性能。
Description
技术领域
本发明专利属于光学技术领域,具体涉及一种多波段集成多功能传感器光学系统。
背景技术
国防军事应用领域,需在不同环境条件下全天时快速感知周围态势,对目标进行实时跟踪和精确测量,要求传感光学系统具备多光谱成像探测、激光测距功能。
传统的分布式多光谱探测系统,各部分部件分置,空间利用率低,难以实现小型化设计;而且分布式结构布局方式,各部件力学环境差异较大,不易保证部件光轴一致性。
新兴的反射式共口径多光谱探测系统,共口径反射原件加工、装调难度大,不易保证性能。
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,提供了一种多波段集成传感器光学系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种多波段集成传感器光学系统,包括沿光轴方向,从物方到像方依次设置的前置缩束系统、用于透射中波红外反射可见光及激光的分光平板一、用于透射可见光反射激光的分光平板二、中波红外光学系统、激光测距系统和可见光光学系统;其中
所述的前置缩束系统构成光学系统的方位扫描部件,整组绕Z轴360°旋转以实现方位扫描探测,由与光轴夹角为4°的保护窗口、与光轴成45°夹角的系统扫描反射镜、缩束望远物镜、以及分别与光轴成45°夹角的缩束组折转反射镜一、缩束组折转反射镜二、缩束组折转反射镜三和缩束望远目镜组成;所述的保护窗口和系统扫描反射镜构成系统俯仰扫描部件,绕X轴360°旋转以实现俯仰扫描探测;
所述的分光平板一和分光平板二法线与光轴夹角均为45°;
所述的前置缩束系统、分光平板和红外光学系统构成光学系统的红外通道;所述的红外光学系统用于实现红外通道方位、俯仰二维稳定及凝视成像和光学消旋功能,由扫描前置消旋望远组、扫描组和成像后组组成;所述的扫描前置消旋望远组由扫描前置消旋望远物镜、消旋组件和扫描前置消旋望远目镜组成;所述的扫描组由俯仰扫描镜和方位扫描镜组成;
所述的前置缩束系统、分光平板一、分光平板二和激光测距系统构成光学系统的激光测距通道;所述的激光测距系统由共轴的激光发射系统和激光接收系统组成;
所述的前置缩束系统、分光平板一、分光平板二和可见光光学系统构成光学系统的可见光通道;所述的可见光光学系统由前固定组、光路折转反射镜组和后固定组组成。
所述的一种多波段集成传感器光学系统,其激光发射系统由发射物镜和发射目镜组成,发射物镜焦距绝对值是发射目镜焦距绝对值的3.5倍,构成伽利略发射系统。
所述的一种多波段集成传感器光学系统,其激光接收系统由接收物镜、滤光片和小孔光阑组成;接收物镜进行汇聚光路,滤光片滤除非激光工作波段的杂散光,小孔光阑第二面除中心区域0.9mm通光外,其余区域涂消光漆,滤除孔径外杂散光。
所述的一种多波段集成传感器光学系统,所述缩束望远物镜为正光焦度,所述的缩束望远目镜为负光焦度,缩束望远物镜焦距是缩束望远目镜焦距绝对值的2倍。
所述的一种多波段集成传感器光学系统,所述分光平板一材料为单晶硅,前表面镀膜以实现可见光、激光反射,中波红外透射;所述的分光平板二材料为K9玻璃,前表面镀膜以实现激光反射,可见光透射。
所述的一种多波段集成传感器光学系统,所述红外光学系统焦距为112.5mm,工作波段为3μm~5μm,视场角为4.89°×3.91°。
所述的一种多波段集成传感器光学系统,所述望远物镜四第一面、望远目镜二第一面、成像后镜一第二面和成像后镜五第一面均为非球面。
所述的一种多波段集成传感器光学系统,其扫描前置消旋望远组放大倍率2.75倍。
所述的一种多波段集成传感器光学系统,其消旋组件为别汉棱镜组。
所述的一种多波段集成传感器光学系统,其激光测距系统工作波段为1064nm,激光发射系统入瞳直径为7.5mm,发射系统放大倍数为3.5倍,激光出射发散角2ω=0.75mrad;激光接收系统焦距为502mm,入瞳直径为53mm,接收视场角2ω=1mrad,接收靶面尺寸为φ0.8mm。
本发明的有益效果是:本发明覆盖可见光、红外以及激光三个波段,实现了中波红外、可见光成像探测,激光测距多功能多波段传感器小型化集成;相对于传统分布式结构,具有结构紧凑、光轴一致性好、指向精度高、快速扫描和稳定跟踪的优点;相对于反射式共口径结构形式,具有视场大、装调简便的优点。本发明系统可工作于白天和夜间,实现了大视场全天时测距、成像探测,有效提升了光电侦查装备的性能。
附图说明
图1为本专利光学系统示意图:其中图1(a)为本发明的示意图,图1(b)为本发明红外光学系统的示意图,图1(c)为本发明激光测距系统的示意图,图1(d)为本发明可见光光学系统的示意图;
图2为本专利光学系统传递函数图;
图3本专利光学系统弥散斑图。
图中各附图标记为:01—前置缩束系统,011—保护窗口,012—系统扫描反射镜,013—缩束望远物镜,014—缩束组折转反射镜一,015—缩束组折转反射镜二,016—缩束组折转反射镜三,017—缩束望远目镜,02—分光平板一,03—分光平板二,04—中波红外光学系统,041—扫描前置消旋望远组,0411—扫描前置消旋望远物镜,04111—望远物镜一,04112—望远物镜二,04113—望远物镜三,04114—望远物镜四,0412—消旋组件,04121—消旋镜一,04122—消旋镜二,0413—扫描前置消旋望远目镜,04131—望远目镜一,04132—望远目镜二,04133—望远目镜三,042—扫描组,0421—俯仰扫描镜,0422—方位扫描镜,043—成像后组,0431—成像后镜一,0432—成像后镜二,0433—成像后镜三,0434—成像后镜四,0435—成像后镜五,0436—成像后镜六,05—激光测距系统,051—激光发射系统,0511—发射物镜,0512—发射目镜,0513—激光器,052—激光接收系统,0521—接收物镜,0522—滤光片,0523—小孔光阑,06—可见光光学系统,061—前固定组,0611—前固定镜一,0612—前固定镜二,0613—前固定镜三,0614—前固定镜四,0615—前固定镜五,0616—前固定镜六,0617—前固定镜七,062—光路折转反射镜组,0621—光路折转反射镜一,0622—光路折转反射镜二,063—后固定组,0631—后固定镜一,0632—后固定镜二,0633—后固定镜三,0634—后固定镜四。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明:
参照图1所示,作为一种具体实施例,本发明的目的是提供一种多波段集成多功能传感器光学系统,沿光轴方向,从物方到像方该系统依次由前置缩束系统01、透射中波红外反射可见光及激光的分光平板一02、透射可见光反射激光的分光平板二03、中波红外光学系统04、激光测距系统05和可见光光学系统06六个部分组成。其中:
前置缩束系统01是可见光、中波红外和激光共用组,其结构形式为伽利略型望远系统,由保护窗口011、系统扫描反射镜012、缩束望远物镜013、缩束组折转反射镜一014、缩束组折转反射镜二015、缩束组折转反射镜三016和缩束望远目镜017组成。其中保护窗口011与光轴夹角为4°,系统扫描反射镜012与光轴成45°夹角,缩束组折转反射镜一014、缩束组折转反射镜二015、缩束组折转反射镜三016分别与光轴成45°夹角,通过折转光路以充分利用空间尺寸。
缩束望远物镜013为正光焦度,缩束望远目镜017为负光焦度,缩束望远物镜013焦距是缩束望远目镜017焦距绝对值的2倍。前置缩束系统01整组绕Z轴360°旋转构成系统方位扫描部件,实现方位扫描探测。保护窗口011和系统扫描反射镜012构成系统俯仰扫描部件,可绕X轴360°旋转,实现俯仰扫描探测。
分光平板一02材料为单晶硅,法线与光轴夹角为45°,前表面镀膜以实现可见光、激光反射,中波红外透射;分光平板二03材料为K9玻璃,法线与光轴夹角为45°,前表面镀膜以实现激光反射,可见光透射。
所述的红外光学系统04与前置缩束系统01、分光平板02构成多波段集成传感器光学系统的红外通道,此时,红外通道焦距225mm,视场角2.44°×1.96°,红外通道360°消像旋,俯仰反扫1°,方位1.2°反扫成像及稳像功能。红外光学系统04由扫描前置消旋望远组041、扫描组042和成像后组043组成,实现红外通道方位、俯仰二维稳定及反扫凝视成像和光学消旋功能。红外光学系统04焦距112.5mm,工作波段3μm~5μm,视场角4.89°×3.91°。扫描前置消旋望远组041放大倍率2.75倍,由扫描前置消旋望远物镜0411、消旋组件0412和扫描前置消旋望远目镜0413组成,消旋组件0412为别汉棱镜组。扫描组042由俯仰扫描镜0421和方位扫描镜0422组成,用于实现方位、俯仰反扫。
所述的激光测距系统05与前置缩束系统01、分光平板一02和分光平板二03构成多波段集成传感器光学系统激光测距通道。激光测距系统05由激光发射系统051和激光接收系统052组成,激光发射系统051与激光接收系统052共轴。激光测距系统05工作波段1064nm,激光发射系统入瞳直径7.5mm,发射系统放大倍数3.5倍,激光出射发散角2ω=0.75mrad;激光接收系统052焦距502mm,入瞳直径53mm,接收视场角2ω=1mrad,接收靶面尺寸φ0.8mm。
激光发射系统051由发射物镜0511和发射目镜0512组成,发射物镜0511焦距绝对值是发射目镜0512焦距绝对值的3.5倍,构成伽利略发射系统。
激光接收系统052由接收物镜0521、滤光片0522和小孔光阑0523组成。其中,接收物镜0521进行汇聚光路;滤光片0522滤除非激光工作波段的杂散光;小孔光阑0523第二面除中心区域0.9mm通光外,其余区域涂消光漆,滤除孔径外杂散光。
所述的可见光光学系统06与前置缩束系统01、分光平板一02和分光平板二03构成多波段集成传感器光学系统可见光通道,可见光通道工作波段400nm~700nm焦距250mm,相对口径1:3,适配1/2英寸CCD,靶面6.4mm×4.8mm,对应视场角为1.47°×1.1°。可见光光学系统06由前固定组061、光路折转反射镜组062和后固定组063组成。
图2和图3为本发明专利光学系统的光学仿真数据图。其中:图2a为可见光通道在120lp/mm时的传递函数曲线图,图2b为中波红外通道凝视成像时在32lp/mm时传递函数曲线图,图2c为中波红外通道最大反扫视场时在32lp/mm时传递函数曲线图;图3a为本发明专利可见光通道弥散斑图,图3b为本发明专利红外通道凝视成像时弥散斑图,图3c为本发明专利红外通道最大反扫角度时弥散斑图。
本发明光学系统具体设计参数如以下四个表所示。其中下表是具体实施例的前置缩束系统及系统分光平板设计参数:
下表是具体实施例的红外光学系统设计参数:
下表是具体实施例的激光测距系统设计参数:
下表是具体实施例的表4 具体实施例的可见光光学系统设计参数:
上述四个表中,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。
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,分别位于扫描前置消旋望远物镜0411中望远物镜四04114的第一面、扫描前置消旋望远目镜0413中望远目镜二04132的第一面、成像后组043中成像后镜一0431第二面和成像后镜五0435第一面,下表是其非球面系数。
非球面方程定义如下:
本发明通过实际使用证明:本发明多波段集成传感器光学系统,结构紧凑、光轴一致性好、指向精度高、装调简便;覆盖可见光、红外以及激光三个波段,实现了中波红外、可见光成像,对激光测距多功能多波段传感器小型化集成,有效提升了光电侦查装备的性能。
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)
1.一种多波段集成传感器光学系统,其特征在于:包括沿光轴方向,从物方到像方依次设置的前置缩束系统(01)、用于透射中波红外反射可见光及激光的分光平板一(02)、用于透射可见光反射激光的分光平板二(03)、红外光学系统(04)、激光测距系统(05)和可见光光学系统(06);
所述的前置缩束系统(01)构成方位扫描部件,由与光轴夹角为4°的保护窗口(011)、与光轴成45°夹角的系统扫描反射镜(012)、缩束望远物镜(013)、以及分别与光轴成45°夹角的缩束组折转反射镜一(014)、缩束组折转反射镜二(015)、缩束组折转反射镜三(016)和缩束望远目镜(017)组成;所述的保护窗口(011)和系统扫描反射镜(012)构成系统俯仰扫描部件;
所述的分光平板一(02)和分光平板二(03)法线与光轴夹角均为45°;
所述的前置缩束系统(01)、分光平板(02)和红外光学系统(04)构成红外通道;红外光学系统(04)由扫描前置消旋望远组(041)、扫描组(042)和成像后组(043)组成;所述的扫描前置消旋望远组(041)由扫描前置消旋望远物镜(0411)、消旋组件(0412)和扫描前置消旋望远目镜(0413)组成;所述的扫描组(042)由俯仰扫描镜(0421)和方位扫描镜(0422)组成;
所述的前置缩束系统(01)、分光平板一(02)、分光平板二(03)和激光测距系统(05)构成激光测距通道;激光测距系统(05)由共轴的激光发射系统(051)和激光接收系统(052)组成;
所述的前置缩束系统(01)、分光平板一(02)、分光平板二(03)和可见光光学系统(06)构成可见光通道;可见光光学系统(06)由前固定组(061)、光路折转反射镜组(062)和后固定组(063)组成。
2.根据权利要求1所述的一种多波段集成传感器光学系统,其特征在于,所述的激光发射系统(051)由发射物镜(0511)和发射目镜(0512)组成,发射物镜(0511)焦距绝对值是发射目镜(0512)焦距绝对值的3.5倍,构成伽利略发射系统。
3.根据权利要求1所述的一种多波段集成传感器光学系统,其特征在于,所述的激光接收系统(052)由接收物镜(0521)、滤光片(0522)和小孔光阑(0523)组成;接收物镜(0521)进行汇聚光路,滤光片(0522)滤除非激光工作波段的杂散光,小孔光阑(0523)第二面除中心区域0.9mm通光外,其余区域涂消光漆,滤除孔径外杂散光。
4.根据权利要求1所述的一种多波段集成传感器光学系统,其特征在于,所述的缩束望远物镜(013)为正光焦度,所述的缩束望远目镜(017)为负光焦度,缩束望远物镜(013)焦距是缩束望远目镜(017)焦距绝对值的2倍。
5.根据权利要求1所述的一种多波段集成传感器光学系统,其特征在于,所述的分光平板一(02)材料为单晶硅,前表面镀膜以实现可见光、激光反射,中波红外透射;所述的分光平板二(03)材料为K9玻璃,前表面镀膜以实现激光反射,可见光透射。
6.根据权利要求1所述的一种多波段集成传感器光学系统,其特征在于,所述的红外光学系统(04)焦距为112.5mm,工作波段为3μm~5μm,视场角为4.89°×3.91°。
7.根据权利要求1所述的一种多波段集成传感器光学系统,其特征在于,所述的望远物镜四(04114)第一面、望远目镜二(04132)第一面、成像后镜一(0431)第二面和成像后镜五(0435)第一面均为非球面。
8.根据权利要求1所述的一种多波段集成传感器光学系统,其特征在于,所述的扫描前置消旋望远组(041)放大倍率2.75倍。
9.根据权利要求1所述的一种多波段集成传感器光学系统,其特征在于,所述的消旋组件(0412)为别汉棱镜组。
10.根据权利要求1所述的一种多波段集成传感器光学系统,其特征在于,所述的激光测距系统(05)工作波段为1064nm,激光发射系统入瞳直径为7.5mm,发射系统放大倍数为3.5倍,激光出射发散角2ω=0.75mrad;激光接收系统焦距为502mm,入瞳直径为53mm,接收视场角2ω=1mrad,接收靶面尺寸为φ0.8mm。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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