CN111381352A - 透射式双谱段共孔径变焦光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光学成像,提供一种透射式双谱段共孔径变焦光学系统,包括长波红外校正组以及短波红外校正组,还包括公共固定组、变倍组、补偿组以及分光镜,四者沿光路方向依次设置,且长波红外校正组位于分光镜的透射光路上,短波红外校正组位于分光镜的反射光路上,变倍组与补偿组均位于公共固定组与分光镜之间的光路上按照变焦曲线做变焦运动。本发明中将短波红外与长波红外与透射式变焦系统结合起来,可以在同一时段对相同目标的不同谱段进行成像,避免了采用分离孔径结构所产生的视场重叠问题,且可以利用短波红外成像分辨率高和长波红外抗干扰性强的特点,提高了系统在雨、雾霾、烟雾、水汽、靠近热源或低照度复杂环境中的观测能力及使用效率。

Description

透射式双谱段共孔径变焦光学系统
技术领域
本发明属于光学成像,具体涉及一种透射式双谱段共孔径变焦光学系统。
背景技术
快速发展的社会需求以及日益复杂的应用环境对视频成像系统的性能提出了越来越高的要求,传统的单波段视频成像系统已不能满足现代化监测水平的需求,如何更全面、更精准地获取目标信息,成为目前视频监视系统的研究热点之一。双谱段变焦系统采用短波红外与长波红外的组合,其中:短波红外谱段成像方式与可见光类似,在图像上会具有阴影和反差,并可以在低照度、雨、雾霾、烟雾或水汽等恶劣条件下成像,夜间天空辐射亮度几乎都分布在短波红外谱段内,同时相比于其他谱段,短波红外还可以实现对目标的识别与检测;长波红外可以实现对常温物体的探测,并形成物体的轮廓影像,同时在靠近热源和存在杂散辐射的情况下,长波红外具有更强的观测能力。通过两者的配合,可以实现对复杂环境或室内光照较低的环境全天候监测,但是在现有技术中,短波红外与长波红外采用不同的光学系统,分别采用短波红外与长波红外对环境进行监测,进而使得获取的环境信息比较单一,且不能适应各种环境的监测
发明内容
本发明实施例涉及一种透射式双谱段共孔径变焦光学系统,至少可解决现有技术的部分缺陷。
本发明实施例提供一种透射式双谱段共孔径变焦光学系统,包括长波红外校正组以及短波红外校正组,还包括公共固定组、变倍组、补偿组以及分光镜,四者沿光路方向依次设置,且所述长波红外校正组位于所述分光镜的透射光路上,所述短波红外校正组位于所述分光镜的反射光路上,所述变倍组与所述补偿组均位于所述公共固定组与所述分光镜之间的光路上按照变焦曲线做变焦运动。
作为实施例之一,所述公共固定组包括正透镜与负透镜,且沿所述分光镜的入射光路方向依次设置。
作为实施例之一,所述正透镜与所述负透镜均采用多谱段硒化锌和多谱段硫化锌匹配制备成型。
作为实施例之一,所述变倍组包括正弯月透镜,且所述正弯月透镜向所述公共固定组一侧凸出,所述变倍组为变焦运动的正补偿器。
作为实施例之一,所述补偿组包括沿所述分光镜的入射方向依次设置的四个透镜,所述补偿组为变焦运动的负补偿器。
作为实施例之一,所述长波红外校正组包括沿所述分光镜的透射光路方向依次设置的四个第一透镜,且第三个所述第一透镜朝向所述分光镜的一侧为非球面。
作为实施例之一,其中第二个所述第一透镜采用硒化锌制备成型,另外三个所述第一透镜均采用锗制备成型。
作为实施例之一,所述短波红外校正组包括沿所述分光镜的反射光路依次设置的五个第二透镜,且第一个所述第二透镜朝向所述分光镜一侧的面为非球面。
作为实施例之一,第一个所述第二透镜与第四个所述第二透镜均采用硒化锌制备成型,而另外三个所述第二透镜均采用普通光学玻璃材料制备。
作为实施例之一,所述长波红外校正组的光轴垂直于所述短波红外校正组的光轴。
本发明实施例至少具有如下有益效果:
本发明提供的光学系统中,采用分光镜实现双谱段成像,两谱段共用前置的公共变倍组、变倍组以及补偿组均位于分色镜前,能够双谱段连续变焦成像,即将短波红外与长波红外与透射式变焦系统结合起来,可以在同一时段对相同目标的不同谱段进行成像,避免了采用分离孔径结构所产生的视场重叠问题,且可以利用短波红外成像分辨率高和长波红外抗干扰性强的特点,提高了系统在雨、雾霾、烟雾、水汽、靠近热源或低照度复杂环境中的观测能力及使用效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的透射式双谱段共孔径变焦光学系统的焦距f=30mm时的结构示意图;
图2为图1的透射式双谱段共孔径变焦光学系统的焦距f=120mm时的结构示意图;
图3为图1的透射式双谱段共孔径变焦光学系统的公共固定组的结构示意图;
图4为图1的透射式双谱段共孔径变焦光学系统的变倍组的结构示意图;
图5为图1的透射式双谱段共孔径变焦光学系统的补偿组的结构示意图;
图6为图1的透射式双谱段共孔径变焦光学系统的短波红外校正组的结构示意图;
图7为图1的透射式双谱段共孔径变焦光学系统的长波红外校正组的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例,都属于本发明保护的范围。
如图1-图5,本发明实施例提供一种透射式双谱段共孔径变焦光学系统,包括长波红外校正组G5以及短波红外校正组G4,其中长波红外校正组G5可以实现长波红外成像,而短波红外校正组G4可以实现短波红外成像,由此可以表明本发明提供的光学系统将传统的长波红外成像系统与短波红外成像系统成像;当然,光学系统还包括公共部分,具体包括公共固定组G1、变倍组G2、补偿组G3已经分光镜D,四者沿光路方向依次设置,且长波红外校正组G5位于分光镜D的透射光路上,而短波红外校正组G4位于分光镜D的反射光路上;其中公共固定组G1主要是用于对光学系统的球差与色差进行初步校正,其包括两个球面镜,具体为正透镜L1与负透镜L2,且两者沿分光镜D的入射光路方向依次设置,即红外光先经过正透镜L1再经过负透镜L2,通过正透镜L1产生的负球差与负透镜L2产生的正球差相配合可以一定程度消除球差的目的,同时正透镜L1与负透镜L2均采用多谱段硒化锌和多谱段硫化锌匹配制备成型,一方面可以供多谱段的红外光透射,另一方面还能够达到消除色差的目的;而变倍组G2与补偿组G3配合,两者在公共固定组G1与分光镜D之间的光路上按照变焦曲线做变焦运动,其中变焦运动是按照变焦曲线方程,变焦过程是一个连续的微分过程,可以改变焦距,利用各组份的非线性运动实现成像补偿的一种运动,具体可以参见图1,变焦运动中焦距f=30mm时的结构示意图,而图2则为变焦运动中焦距f=120mm时的结构示意图,变倍组G2可以实现双谱段变倍,而补偿组G3则是用于双谱段补偿,两者配合可以实现对不同谱段的变倍差异进行校正,且变倍组G2作为变焦运动的正补偿器,补偿组G3则作为变焦运动的负补偿器,变倍组G2采用正弯月透镜L3,且正弯月透镜L3向公共固定组G1的一侧凸出,其为变焦运动的主体,能够平衡公共固定组G1产生的相差,可以提供四倍的变倍比,补偿组G3包括沿分光镜D的入射方向依次设置的四个透镜(L4、L5、L6以及L7),其能够平衡变倍组G2产生的相差,补偿组G3与变焦组的透镜均也采用上述多谱段硒化锌与多谱段硫化锌匹配制备成型,利用材料对红外谱段的透光性能、材料自身的物理性能以及使用性能以达到双谱段变焦成像的目的;而分光镜D则是在入射的镜面上镀膜,一方面能够反射短波红外谱段,另一方面则能够透射长波红外谱段,反射的短波红外进入短波红外校正组G4中进行校正,进而可以在FPI焦面处成像,对应地,透射的长波红外进入长波红外校正组G5中进行校正,进而可以在FP2焦面处成像,另外分光镜D与入射光路之间的夹角为45度,进而使得反射后的短波红外谱段垂直于分光镜D的入射光路,即短波红外校正组G4的光轴垂直于公共部分的光轴,短波红外校正组G4的光轴垂直于长波红外校正组G5的光轴。
本发明中,采用公共镜组、短波红外校正组G4以及长波红外校正组G5配合,可以同时对长波红外以及短波红外进行成像,达到了将长波红外成像系统与短波红外成像系统相结合的目的,而且可以在同一时段对相同目标的不同谱段进行成像,避免了采用分离孔径结构所产生的视场重叠问题,利用短波红外成像分辨率高和长波红外抗干扰性强的特点,提高了系统在雨、雾霾、烟雾、水汽、靠近热源或低照度复杂环境中的观测能力及使用效率。另外,在整个光路系统中主要是采用透射式光器件,可以避免反射式光器件所带来的加工装调成本较高的问题。
参见图1、图2以及图7,细化长波红外校正组G5,其包括沿分光镜D的透射光路方向依次摄制组的四个第一透镜(L13、L14、L15以及L16),且第三个第一透镜L15朝向分光镜D的一侧为非球面,孔径光阑位于焦面前,可以校正公共镜组所引入的参与相差,以提高系统的杂散辐射抑制能力,从而提高各长波红外谱段轴上和轴外视场的调制传递函数。长波红外成像谱段为8000nm~10000nm,将F#限制为2,可以匹配制冷型或非制冷型探测器,对于不同成像质量和成本需求的应用场合具有较高的适应能力。另外,其中第二个第一透镜L14采用硒化锌制备成型,另外三个第一透镜(L13、L15以及L16)均采用锗制备成型,通过锗与硒化锌的匹配可以对公共镜组的色差、球差及不同谱段的变倍差异进行再次校正。
参见图1、图2以及图6,细化短波红外校正组G4,其包括沿分光镜D的反射光路依次设置的五个第二透镜(L8、L9、L10、L11以及L12),且第一个第二透镜L8朝向分光镜D一侧的面为非球面,用于校正公共镜组所引入的残余像差,从而提高短波红外谱段轴上和轴外视场的调制传递函数。短波红外成像谱段为900nm~1700nm,最小F#为4.8,保证了系统具有良好的光学性能。另外,第一个第二透镜L8与第四个第二透镜L11均采用硒化锌制备成型,而另外三个第二透镜(L9、L10以及L12)均采用普通光学玻璃材料制备,通过硒化锌与普通光学玻璃材料配合可以对公共镜组高折射率对短波红外谱段所产生的色差、球差及不同谱段的变倍差异进行再次校正。
在上述整个系统中,公共镜组、长波红外校正组G5以及短波红外校正组G4均采用了材料的匹配,进而可以实现宽谱段共孔径成像及色差的校正,整个光学系统结构简单紧凑,总长可以控制在320mm。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种透射式双谱段共孔径变焦光学系统,包括长波红外校正组以及短波红外校正组,其特征在于:还包括公共固定组、变倍组、补偿组以及分光镜,四者沿光路方向依次设置,且所述长波红外校正组位于所述分光镜的透射光路上,所述短波红外校正组位于所述分光镜的反射光路上,所述变倍组与所述补偿组均位于所述公共固定组与所述分光镜之间的光路上按照变焦曲线做变焦运动。
2.如权利要求1所述的透射式双谱段共孔径变焦光学系统,其特征在于:所述公共固定组包括正透镜与负透镜,且沿所述分光镜的入射光路方向依次设置。
3.如权利要求2所述的透射式双谱段共孔径变焦光学系统,其特征在于:所述正透镜与所述负透镜均采用多谱段硒化锌和多谱段硫化锌匹配制备成型。
4.如权利要求1所述的透射式双谱段共孔径变焦光学系统,其特征在于:所述变倍组包括正弯月透镜,且所述正弯月透镜向所述公共固定组一侧凸出,所述变倍组为变焦运动的正补偿器。
5.如权利要求1所述的透射式双谱段共孔径变焦光学系统,其特征在于:所述补偿组包括沿所述分光镜的入射方向依次设置的四个透镜,所述补偿组为变焦运动的负补偿器。
6.如权利要求1所述的透射式双谱段共孔径变焦光学系统,其特征在于:所述长波红外校正组包括沿所述分光镜的透射光路方向依次设置的四个第一透镜,且第三个所述第一透镜朝向所述分光镜的一侧为非球面。
7.如权利要求6所述的透射式双谱段共孔径变焦光学系统,其特征在于:其中第二个所述第一透镜采用硒化锌制备成型,另外三个所述第一透镜均采用锗制备成型。
8.如权利要求1所述的透射式双谱段共孔径变焦光学系统,其特征在于:所述短波红外校正组包括沿所述分光镜的反射光路依次设置的五个第二透镜,且第一个所述第二透镜朝向所述分光镜一侧的面为非球面。
9.如权利要求8所述的透射式双谱段共孔径变焦光学系统,其特征在于:第一个所述第二透镜与第四个所述第二透镜均采用硒化锌制备成型,而另外三个所述第二透镜均采用普通光学玻璃材料制备。
10.如权利要求1所述的透射式双谱段共孔径变焦光学系统,其特征在于:所述长波红外校正组的光轴垂直于所述短波红外校正组的光轴。
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