CN109696744B - 一种多波段集成传感器光学系统 - Google Patents

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

一种多波段集成传感器光学系统

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 (9)

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）、分光平板一（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，所述的扫描前置消旋望远组（041）放大倍率2.75倍。

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，所述的消旋组件（0412）为别汉棱镜组。

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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