CN110031980A - 一种“四光合一”的光谱分光结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种“四光合一”的光谱分光结构,用于将远距离目标的可见、近红外、中波红外、长波红外4个光学谱段同时成像在相应的探测器上,实现对目标的可靠探测和充分识别。整个光路具体有三大部分组成,主光学系统第一次成像;分色镜和反射镜进行光谱分光和光路折转;各谱段后成像光学实现各谱段二次成像。本发明实现了四个谱段的分光方式和结构布局,具有结构紧凑,镀膜工艺成熟、分光效率高;系统各谱段光学透过率高、成像质量好、系统易维护的特点。
Description
技术领域
本发明属于光电探测领域,具体涉及一种“四光合一”的光谱分光结构。
背景技术
在靶场光测领域中,为了保证对远距离目标的可靠探测和充分识别,提出了共用大口径主光学系统以保证探测能力和高分辨率成像,利用可见光、近红外、中波红外、长波红外多谱段联合探测以保证探测可靠和目标识别的技术需求。对于共用主镜并拥有可见、近红外、中波红外、长波红外4个光学谱段同时成像探测的光学系统,称之为“四光合一”的光学系统。在靶场光测设备俯仰旋转有限的结构空间内,要实现“四光合一”的光学系统,其光谱分光的分光方式及结构布局非常重要。目前国内外对于多光谱光学系统的研究也多有涉及,但为了降低难度,一般采用多个光学系统独立的结构形式;即使有共用主镜的光学系统,也很少以上所述的4个光学谱段全部拥有。
发明内容
有鉴于此,本发明提供了一种“四光合一”的光谱分光结构,实现了四个谱段的分光方式和结构布局,具有结构紧凑,镀膜工艺成熟、分光效率高;系统各谱段光学透过率高、成像质量好、易维护的特点。
本发明采用的技术方案为:一种“四光合一”的光谱分光结构,包括主光学系统17、第一分色镜2、第三分色镜4、第二分色镜11、场镜9、补偿镜12、第三反射镜5、第四反射镜7、第一反射镜10、第二反射镜15和后成像光学结构,其中,
所述的主光学系统17包括主镜3和次镜1;
所述的分色镜包括第一分色镜2、第二分色镜11和第三分色镜4;
所述的反射镜包括第一反射镜10、第二反射镜15、第三反射镜5和第四反射镜7;
所述的后成像光学结构包括准直镜组14、可见光物镜组16、近红外物镜组13、中波物镜组8和长波物镜组6。
其中主镜3和次镜1、第一分色镜2、第三分色镜4和第四反射镜7在同一光轴上,主镜3和次镜1形成卡塞格林结构形式;第一分色镜2位于主镜3和次镜1之间,与光轴夹角30°(X-Z),反射可见光光线和近红外光线到场镜9,透射中波红外光线和长波红外光线到第三分色镜4;第三分色镜4位于主镜3后及主镜3、次镜1形成的第一像面前,与光轴夹角30°(Y-Z),反射长波红外光线到第三反射镜5,透射中波红外光线到第四反射镜7;第四反射镜7位于主镜3、次镜1形成的第一像面后,将中波红外光线反射到中波物镜组8,形成中波红外像面;长波红外光线经第三反射镜5折转后,进入长波物镜组6,形成长波红外像面;
其中第一反射镜10、第二分色镜11、补偿镜12和近红外物镜组13在同一光轴上;第一反射镜10与第一分色镜2平行放置,接收第一分色镜2反射过来且透过场镜9的可见光光线和近红外光线,使出射光线平行于主镜3、次镜1形成的光轴;第二分色镜11接收第一反射镜10反射来的可见光光线和近红外光线,与光轴夹角30°(Y-Z),将可见光光线反射到准直镜组14,透射近红外通过补偿镜12进入近红外物镜组13,形成近红外像面;可见光光线透过准直镜组14形成平行光,经第二反射镜15折转后进入可见光物镜组16,形成可见光像面。
所述的场镜9垂直于第一分色镜2的反射光线,位于主镜3入射光线外且主镜3、次镜1形成的第一像面附近;
较佳的,所述的第一分色镜2和第三分色镜4材料选用锗;
较佳的,所述的第二分色镜11材料选用硒化锌;
较佳的,所述的场镜9材料选用石英。
本发明具有如下优点:
(1)本发明的一种“四光合一”的光谱分光结构,具体有三大部分组成。第一部分由主镜3、次镜1组成,形成第一次成像;第二部分由第一分色镜2、第三分色镜4、第二分色镜11和第三反射镜5、第四反射镜7、第一反射镜10、第二反射镜15组成,主要进行光谱分光和光路折转;第三部分由各谱段后成像光学(包括长波物镜组6、中波物镜组8、近红外物镜组13、准直镜组14、可见光物镜组16)组成,实现各谱段二次成像。通过光路折叠和折转实现系统外形尺寸缩减,也可以保证中、长波红外冷栏匹配。
(2)本发明的光谱分光方式,镀膜工艺成熟,膜系寿命易保证。
(3)本发明中的分色镜采用与光轴尽量小的夹角(如30°),利于镀膜分光效率的提高和系统光学成像质量的保证。
(4)本发明中的第三分色镜4,对中、长波红外光线分光,又可对第一分色镜2造成中波波段的中心像散进行补偿,镜片数量少,易保证中波红外透过率。
(5)本发明长波光线在分光过程中透过的镜片少、光路短,利于保证长波红外透过率。
(6)本发明第一分色镜2和场镜9又可作为密封窗口,将中、长波红外和可见光、近红外二次成像物镜进行密封,易于系统光学系统维护。
附图说明
图1为本发明一种“四光合一”光谱分光结构总图。
图中:1为次镜,2为第一分色镜,3为主镜,4为第三分色镜,5为第三反射镜,6为长波物镜组,7为第四反射镜,8为中波物镜组,9为场镜,10为第一反射镜,11为第二分色镜,12为补偿镜,13为近红外物镜组,14为准直镜组,15为第二反射镜,16为可见光物镜组。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式对本发明进行详细描述。
本发明一种“四光合一”的光谱分光结构,如图1所示。具体有三大部分组成。第一部分由主镜3、次镜1组成,形成第一次成像;第二部分由第一分色镜2、第三分色镜4、第二分色镜11和第三反射镜5、第四反射镜7、第一反射镜10、第二反射镜15组成,主要进行光谱分光和光路折转;第三部分由各谱段后成像光学结构(包括长波物镜组6、中波物镜组8、近红外物镜组13、准直镜组14、可见光物镜组16)组成,实现各谱段二次成像。
入射光束经主镜3、次镜1到第一分色镜2进行第一次光谱分光,实现透射中波红外和长波红外光线,反射可见光和近红外光线;
第一分色镜2反射的可见光和近红外光线透过场镜9,经第一反射镜10进行光路折转,到第二分色镜11实现可见光和近红外光谱分光,透射近红外光线,反射可见光光线;
第二分色镜11透射的近红外光线透过补偿镜12,进入近红外物镜组13,形成近红外像面;
第二分色镜11反射的可见光光线透过准直镜组14,形成平行光线,经第二反射镜15折转光路后,进入可见光物镜组16,形成可见光像面;
第一分色镜2透射的中波红外和长波红外光线,到第三分色镜4实现中波红外和长波红外光谱分光,透射中波红外光线,反射长波红外光线;
第三分色镜4透射的中波红外光线经第四反射镜7折转后,进入中波物镜组8,形成中波红外像面;
第三分色镜4反射的长波红外光线经第三反射镜5折转后,进入长波物镜组6,形成长波红外像面。
系统工作波段可见光为0.5~0.8μm,近红外为0.9~1.7μm,中波为3.7~4.8μm,长波为7.7~10μm,可以实现四个波段的探测器在各自像面同时成像。
第一分色镜2和第三分色镜4材料选用折射率高的锗,第一分色镜2、第三分色镜4与光轴的夹角尽量小(如30°),利于提高镀膜分光效率和系统成像质量。第三分色镜4与第一分色镜2倾斜方向绕光轴相错90°,可以补偿有第一分色镜2造成中波波段的中心像散。
第二分色镜11和补偿镜12材料选用硒化锌,与光轴的夹角尽量小(如30°),补偿镜12与第二分色镜11倾斜方向绕光轴相错90°,利于提高镀膜分光效率和近红外成像质量。
场镜9材料选用石英,材料性能稳定,可作为密封窗口用。
本发明一种“四光合一”的光谱分光结构,实现了四个谱段的分光方式和结构布局,具有结构紧凑,镀膜工艺成熟、分光效率高;系统各谱段光学透过率高、成像质量好、易维护的特点。
Claims (6)
1.一种“四光合一”的光谱分光结构,其特征在于:包括主光学系统(17)、第一分色镜(2)、第三分色镜(4)、第二分色镜(11)、场镜(9)、补偿镜(12)、第三反射镜(5)、第四反射镜(7)、第一反射镜(10)、第二反射镜(15)和后成像光学结构,其中:
所述的主光学系统(17)包括主镜(3)和次镜(1);
所述的分色镜包括第一分色镜(2)、第二分色镜(11)和第三分色镜(4);
所述的反射镜包括第一反射镜(10)、第二反射镜(15)、第三反射镜(5)和第四反射镜(7);
所述的后成像光学结构包括准直镜组(14)、可见光物镜组(16)、近红外物镜组(13)、中波物镜组(8)和长波物镜组(6);
其中主镜(3)、次镜(1)、第一分色镜(2)、第三分色镜(4)和第四反射镜(7)在同一光轴上,主镜(3)和次镜(1)形成卡塞格林结构形式;第一分色镜(2)位于主镜(3)和次镜(1)之间,与光轴夹角30°(X-Z),反射可见光光线和近红外光线到场镜(9),透射中波红外光线和长波红外光线到第三分色镜(4);第三分色镜(4)位于主镜(3)后及主镜(3)、次镜(1)形成的第一像面前,与光轴夹角30°(Y-Z),反射长波红外光线到第三反射镜(5),透射中波红外光线到第四反射镜(7);第四反射镜(7)位于主镜(3)、次镜(1)形成的第一像面后,将中波红外光线反射到中波物镜组(8),形成中波红外像面;长波红外光线经第三反射镜(5)折转后,进入长波物镜组(6),形成长波红外像面;
其中第一反射镜(10)、第二分色镜(11)、补偿镜(12)和近红外物镜组(13)在同一光轴上;第一反射镜(10)与第一分色镜(2)平行,接收第一分色镜(2)反射过来且透过场镜(9)的可见光光线和近红外光线,使出射光线平行于主镜(3)、次镜(1)形成的光轴;第二分色镜(11)接收第一反射镜(10)反射来的可见光光线和近红外光线,与光轴夹角30°(Y-Z),将可见光光线反射到准直镜组(14),透射近红外光线通过补偿镜(12)进入近红外物镜组(13),形成近红外像面;可见光光线透过准直镜(14)组形成平行光,经第二反射镜(15)折转后进入可见光物镜组(16),形成可见光像面。
2.如权利要求1所述的一种“四光合一”的光谱分光结构,其特征在于:所述的第一分色镜(2)和第三分色镜(4)材料选用锗。
3.如权利要求1所述的一种“四光合一”的光谱分光结构,其特征在于:所述的第二分色镜(11)和补偿镜(12)材料选用硒化锌。
4.如权利要求1所述的一种“四光合一”的光谱分光结构,其特征在于:所述场镜(9)材料选用石英。
5.如权利要求1所述的一种“四光合一”的光谱分光结构,其特征在于:所述第三分色镜(4)与第一分色镜(2)倾斜方向绕光轴相错90°。
6.如权利要求1所述的一种“四光合一”的光谱分光结构,其特征在于:所述第二分色镜(11)与补偿镜(12)倾斜方向绕光轴相错90°。
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