CN109739025B - 共光路双波段光学系统、成像装置、光学镜头 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种共光路双波段光学系统、成像装置、光学镜头，该系统包括：第一镜片群、分光棱镜、第三镜片群和第四镜片群，第一镜片群和分光棱镜从物侧向像侧依序排列；第三镜片群与分光棱镜的可见光出光面光路连接；第四镜片群与分光棱镜的近红外光反射出光面光路连接。该共光路双波段光学系统，可实现在可见光和近红外光谱波段下对目标同时分别成像，能有效减小光差对成像结果可比性的影响。
Description
技术领域
本申请涉及一种共光路双波段光学系统、成像装置、光学镜头，属于光学领域。
背景技术
可见光是电磁波谱中人眼可以感知的部分，波长范围为0.38～0.76微米。近红外光指波长范围为0.75～3微米的电磁波，此波段的光人眼感知不到，许多物质在此波段下却表现出独特的特性，利用此特性，该波段的光可用于医学影像和识别等领域。可见光与红外波段下，物体成像机理不同，两者所反应的目标特征信息也不同。
可见光图像的场景细节丰富，但容易受到天气和外界环境的干扰，采用CCD/CM0S成像器件和数字图像处理技术之后，增强了观察者在恶劣气象环境下的观察和识别效果，但对诸如军事迷彩的探测和分辨能力仍然受到限制。
红外波段下热成像则呈现较好的热对比度，受天气和照明的影响小，具有穿透雾、霭、雨、雪且作用距离远的优势，有效地提高了人们发现目标的能力，提高了在全天候条件下的观察能力，但其为目标场景的红外辐射图像，与人眼视觉效果相差较大，部分影响了对目标和场景的识别。
共光路光学系统，指的是多个光路组成的光学系统，它们共用某一部分光路。这样产生的效果是，不同光路拍摄出来的图像大小和位置是一样的，这样有利于不同光路的图像对比，以获取目标的详细信息。
现有可见光与近红外双波段成像仪器，存在结构复杂、所需光电器件繁多、设备体积大、售价昂贵、多谱段目标成像色差严重的问题。
例如专利“CN 107569213 A”提供了一种可见光与近红外双波段成像的医用辅助检查设备，但是该系统采用双镜头成像，无法精确对比目标在两个波段下的成像像。
例如专利“CN 103278927 A”提供了一种用于可见光和中红外的共口径共光路共变焦透射式成像光学系统。但是该系统仅可用于可见光和中红外波段，中红外的波长范围为3.0um～5.0um，而且该系统中所用材料昂贵，制造成本高。
发明内容
根据本申请的一个方面，提供了一种共光路双波段光学系统，该共光路双波段光学系统，可实现在可见光和近红外光谱波段下对目标同时分别成像，能有效减小光差对成像结果可比性的影响。
所述共光路双波段光学系统，其特征在于，包括：第一镜片群、分光棱镜、第三镜片群和第四镜片群，所述第一镜片群和所述分光棱镜从物侧向像侧依序排列；
所述第三镜片群与所述分光棱镜的可见光出光面光路连接；
所述第四镜片群与所述分光棱镜的近红外光反射出光面光路连接。
可选地，所述分光棱镜包括第一等腰直角棱镜片和第二等腰直角棱镜片，所述第一等腰直角棱镜片和所述第二等腰直角棱镜片的斜边相接且在所述斜边上镀设分光膜，所述分光膜透过可见光且反射近红外光；
优选地，所述第一镜片群包括：沿光线入射方向从物侧向所述分光棱镜依序排列的第一弯月负透镜、第一双凹负透镜、第一弯月正透镜、第一双凸正透镜、第二弯月正透镜、第二弯月负透镜和可变光栏。
分光棱镜上镀设分光膜，从而将进入分光棱镜的光学信息分为不同波段下的光学信息，从而实现分别成像。减少光差对结果的影响。
可选地，所述第三镜片群包括沿光线入射方向从所述分光棱镜向像侧依次排列的第二双凹负透镜、第二凸正透镜、第三双凸正透镜和第三弯月正透镜；
优选地，所述第二双凹负透镜和所述第二双凸正透镜的胶合面胶合，所述第二双凸正透镜的胶合面朝向所述分光棱镜。
可选地，所述第四镜片群，包括沿光线入射方向从所述分光棱镜向像侧依次排列的第三双凹负透镜、第四双凸正透镜、第五双凸正透镜和第四弯月正透镜；
优选地，第三双凹负透镜和第四双凸正透镜的胶合面胶合，所述第四双凸正透镜的胶合面朝向所述分光棱镜。
优选地，为了减小入射光线在第一弯月负透镜的像差以及降低轴外光线进入第一双凹负透镜的像差。所述第一弯月负透镜满足以下条件：
A1R1之40
A1R1一A1R2≥20
其中，A1R1表示所述第一弯月负透镜的朝向物侧的表面半径，A1R2表示所述第一弯月负透镜的朝向所述分光棱镜B的表面半径。
优选的，为了校正场曲，所述第一双凹负透镜满足以下条件：
|nA2*fA2|≤70
其中，nA2表示所述第一双凹负透镜的折射率，fA2表示所述第一双凹负透镜的焦距。
优选的，为了校正第一弯月负透镜和第一双凹负透镜所产生的负球差，并汇聚光束后传输至后续透镜处理其他像差。所述第一双凸正透镜满足以下条件：
fA4≤26
其中，fA4表示所述第一双凸正透镜的焦距。
优选的，为了校正色差以及平衡场曲。所述第二弯月负透镜满足以下条件：
|fA6|≤18
VA6≤24
其中，fA6表示所述第二弯月负透镜的焦距，VA6表示所述第二弯月负透镜的色散系数。
本申请中，“光路连接”，是指光束在各光学器件之间传输。本领域技术人员可根据需要在光路连接的光路上对光学器件进行排布，以实现光束传播。
根据本申请的又一个方面，提供了一种成像装置，包括如上述的共光路双波段光学系统。
该光学系统按现有组装方法与其他器件组装后，得到该成像装置。组装方法及所用器件，均根据现有技术选择。
根据本申请的又一个方面，提供了一种光学镜头，包括如上述的共光路双波段光学系统。
该光学镜头按现有组装方法与其他器件组装后，得到该光学镜头。组装方法及所用器件，均根据现有技术选择。
本申请能产生的有益效果包括：
1)本申请所提供的共光路双波段光学系统，能同时在可见光(0.45um～0.7um)和近红外波段(0.7um～0.9um)下对同一目标同时成像，提高不同波段光下目标成像结果的可比性，以便输出更精确的比对结果。
2)本申请所提供的共光路双波段光学系统，具有大孔径和高分辨率的特点。该光学系统，还具有半视场角≥10°、成像质量MTF@90lp/mm≥0.4、半像高≥6mm、通光量优于F1.5、成像畸变≤3％、成像距离可为5m至无穷远、相对照度≥60％。
3)本申请所提供的共光路双波段成像装置，具有上述技术效果。
4)本申请所提供的共光路双波段镜头，具有上述技术效果。
附图说明
图1为本申请一种实施方式中共光路双波段光学系统的结构示意图；
图2为本申请一种实施方式中共光路双波段光学系统在可见光部分90lp/mm的传递函数，其中T表示子午，S表示弧矢；
图3为本申请一种实施方式中共光路双波段光学系统在近红外光部分90lp/mm的传递函数，其中T表示子午，S表示弧矢；
图4为本申请一种实施方式中共光路双波段光学系统在d光的畸变图；
图5为本申请一种实施方式中共光路双波段光学系统的相对照度图；
部件和附图标记列表：
| 部件名称 | 附图标记 | 部件名称 | 附图标记 |
| 第一镜片群 | A | 第一双凸正透镜 | A4 |
| 第一弯月负透镜 | A1 | 第二弯月正透镜 | A5 |
| 第一双凹负透镜 | A2 | 第二弯月负透镜 | A6 |
| 第一弯月正透镜 | A3 | 可变光栏 | S |
| 第三镜片群 | C | 分光棱镜 | B |
| 第二双凹负透镜 | C1 | 第三双凸正透镜 | C3 |
| 第二双凸正透镜 | C2 | 第三弯月正透镜 | C4 |
| 第四镜片群 | D | ------ | -------- |
| 第三双凹负透镜 | D1 | 第五双凸正透镜 | D3 |
| 第四双凸正透镜 | D2 | 第四弯月正透镜 | D4 |
具体实施方式
下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。
参见图1，本申请提供的共光路双波段光学系统，包括：
实施例
实施例1
参见图1，共光路双波段光学系统，包括：第三镜片群C、第四镜片群D、从物侧向像侧依序排列的第一镜片群A、分光棱镜B，所述第一镜片群A的出光面与分光棱镜B的物侧面光路连接；所述第三镜片群C与所述分光棱镜B的出光面光路连接。所述第四镜片群D与所述分光棱镜B的反射出光面光路连接。
分光棱镜B包括第一等腰直角棱镜片和第二等腰直角棱镜片，第一等腰直角棱镜片和第二等腰直角棱镜片的斜边相接，且在斜边上镀设分光膜，分光膜透过可见光且反射近红外光。从而
所述第一镜片群A包括沿光线入射方向从物侧向所述分光棱镜B依序排列的第一弯月负透镜A1、第一双凹负透镜A2、第一弯月正透镜A3、第四双凸正透镜A4、第二弯月正透镜A5、第二弯月负透镜A6和可变光栏S。
所述第三镜片群C，包括沿光线入射方向从所述分光棱镜B向像侧依次排列的第二双凹负透镜C1、第二双凸正透镜C2、第三双凸正透镜C3和第三弯月正透镜C4，其中第二双凹负透镜C1和第二双凸正透镜C2的胶合面胶合，所述第二双凸正透镜C2的胶合面朝向所述分光棱镜B。
所述第四镜片群D，包括沿光线入射方向从所述分光棱镜B向像侧依次排列的第三双凹负透镜D1、第四双凸正透镜D2、第五双凸正透镜D3和第四弯月正透镜D4，其中第三双凹负透镜D1和第四双凸正透镜D2的胶合面胶合，所述第四双凸正透镜D2的胶合面朝向所述分光棱镜B。
在本实施例1中，弯月负透镜A1满足：
A1R1＝59.5
A1R1-A1R2＝38.8
双凹负透镜A2满足：
|nA2*fA2|＝64.5
双凸正透镜A4满足：
fA4＝24.9
弯月负透镜A6满足：
|fA6|＝17.6
VA6＝23.8
实施例1的各镜片参数如表1所示。
表1
根据本实施例中各镜片参数，通过常用光学模拟软件进行模拟仿真得到本申请提供的光学系统，所用软件可以为ZEMAX软件或CODE V光学设计软件。
仿真模拟实验结果如图2～图5所示。
由图2可见，在可见光波段下的调制传递函数，在全视场中都比较平滑，而且全视场MTF在90lp/mm都大于0.4。
由图3可见，近红外光的调制传递函数在全视场也比较平滑，而且全视场MTF在90lp/mm都大于0.4。
由图4可见，全视场的畸变小于3％。
由图5可见，从中心视场到边缘视场的相对照度平滑过渡，而且全视场的相对照度大于60％。
实施例2
与实施例1的区别在于：弯月负透镜A1满足
A1R1＝44·3
A1R1-A1R2＝24·5
双凹负透镜A2满足
|nA2*fA2|＝66.3
双凸正透镜A4满足
fA4＝25.3
弯月负透镜A6满足
|fA6|＝17.6
VA6＝23.8
实施例2的各镜片参数如表2所示。
表2
实施例2所得技术相遇与实施例1中图2～5结果相似。由图2～5可知，本申请提供的光学系统，体积小，结构简单，成本低廉即可实现对同一目标同时成像，且成像结果能将可见光光学信息与近红外光学信息分开成像，从而提高同一目标在不同波段下成像结果的可比性。
以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。
Claims (9)
1.一种共光路双波段光学系统，其特征在于，包括：第一镜片群、分光棱镜、第三镜片群和第四镜片群，所述第一镜片群和所述分光棱镜从物侧向像侧依序排列；
所述第三镜片群与所述分光棱镜的可见光透射出光面光路连接；
所述第四镜片群与所述分光棱镜的近红外光反射出光面光路连接；
所述第一镜片群包括：沿光线入射方向从物侧向所述分光棱镜依序排列的第一弯月负透镜、第一双凹负透镜、第一弯月正透镜、第一双凸正透镜、第二弯月正透镜、第二弯月负透镜和可变光栏；
所述第二弯月负透镜满足以下条件：
|fA6|≤18
VA6≤24
其中，fA6表示所述第二弯月负透镜的焦距，VA6表示所述第二弯月负透镜的色散系数。
2.根据权利要求1所述的共光路双波段光学系统，其特征在于，所述分光棱镜包括第一等腰直角棱镜片和第二等腰直角棱镜片，所述第一等腰直角棱镜片和所述第二等腰直角棱镜片的斜边相接且在所述斜边上镀设分光膜，所述分光膜透过可见光且反射近红外光。
3.根据权利要求1所述的共光路双波段光学系统，其特征在于，所述第三镜片群包括沿光线入射方向从所述分光棱镜向像侧依次排列的第二双凹负透镜、第二双凸正透镜、第三双凸正透镜和第三弯月正透镜；
所述第二双凹负透镜和所述第二双凸正透镜的胶合面胶合，所述第二双凸正透镜的胶合面朝向所述分光棱镜。
4.根据权利要求1所述的共光路双波段光学系统，其特征在于，所述第四镜片群，包括沿光线入射方向从所述分光棱镜向像侧依次排列的第三双凹负透镜、第四双凸正透镜、第五双凸正透镜和第四弯月正透镜；
第三双凹负透镜和第四双凸正透镜的胶合面胶合，所述第四双凸正透镜的胶合面朝向所述分光棱镜。
5.根据权利要求1所述的共光路双波段光学系统，其特征在于，所述第一弯月负透镜满足以下条件：
A1R1≥40
A1R1-A1R2≥20
其中，A1R1表示所述第一弯月负透镜的朝向物侧的表面半径，A1R2表示所述第一弯月负透镜的朝向所述分光棱镜的表面半径。
6.根据权利要求1所述的共光路双波段光学系统，其特征在于，所述第一双凹负透镜满足以下条件：
|nA2*fA2|≤70
其中，nA2表示所述第一双凹负透镜的折射率，fA2表示所述第一双凹负透镜的焦距。
7.根据权利要求1所述的共光路双波段光学系统，其特征在于，所述第一双凸正透镜满足以下条件：
fA4≤26
其中，fA4表示所述第一双凸正透镜的焦距。
8.一种成像装置，其特征在于，包括如权利要求1～7中任一项所述的共光路双波段光学系统。
9.一种光学镜头，其特征在于，包括如权利要求1～7中任一项所述的共光路双波段光学系统。
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