CN111580250A - 一种共孔径可见长波红外双色光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光学成像领域，具体涉及一种共孔径可见长波红外双色光学系统，主要用于星载大范围的目标观测。主要解决现有的双波段相机成像质量差、结构复杂及体积庞大的问题，通过两个波段共用前端主镜与次镜、主镜背部加分色镜，实现可见光与长波红外同时成像，保证了系统结构紧凑性。当目标经反射系统反射后，利用主镜背部的分色镜分光，可见光及长波红外分光，分别引入到各自的折射光路中成像，两波段使用独立的探测器，保证了光学系统的小型轻量化。对长波红外的整个校正结构及红外像面进行微小偏心处理，两波段的像质均达到了衍射极限，提高成像质量好，具备易加工、装调的优点，工程可实现性强，能够有效提升空间相机的目标探测与识别能力。

Description

一种共孔径可见长波红外双色光学系统
技术领域
本发明属于光学成像领域，具体涉及一种共孔径可见/长波红外双色光学系统，主要用于星载大范围的目标观测。
背景技术
近年来，随着科技的进步和应用环境的日趋复杂，传统的单波段成像系统因存在探测信息弱、精度低的问题，已然很难满足各种各样的探测需求。由于目标在不同光谱波段表现的光学特征有较大差异，因此可以利用可见光和长波红外组成双波段成像系统。可见光成像图像细节丰富，便于观察目标细节，但是在复杂天气条件和夜晚等光照条件不好的情况下观察受限。红外成像具有隐蔽性好、不受光照条件限制、抗干扰能力强、可实现远距离和全天时工作的优点，与可见光相比分辨率低，但是一定程度上弥补了可见光在夜晚成像观测不佳的缺陷。因此可见光和长波红外组成的双波段成像，以其良好的互补性，可以有效提升相机的目标探测与识别能力，实现全天候、宽覆盖、高分辨率成像，获得更加全面、精准的目标信息。
传统的可见光和长波红外双波段探测通常是设计两个独立的相机分别探测，导致其体积质量大，工程应用性不强；目前存在的双波段一体化相机，分为离轴和同轴两种结构形式。离轴结构成本高，装调困难；同轴结构中，将分色镜放置于主、次镜之间，增加了杂散光抑制的难度，成像质量差。
发明内容
本发明的目的是提供一种共孔径可见/长波红外双色光学系统，主要解决现有的双波段相机成像质量差、结构复杂及体积庞大的问题，本发明通过两个波段共用前端主镜与次镜、主镜背部加分色镜，实现可见光与长波红外同时成像，保证了系统结构紧凑性。当目标经反射系统反射后，利用主镜背部的分色镜分光，可见光及长波红外分光，分别引入到各自的折射光路中成像，两波段使用独立的探测器，保证了光学系统的小型轻量化。对长波红外的整个校正结构及红外像面进行微小偏心处理，两波段的像质均达到了衍射极限，提高成像质量好，具备易加工、装调的优点，工程可实现性强，能够有效提升空间相机的目标探测与识别能力。
本发明的技术方案是提供一种共孔径可见长波红外双色光学系统，其特殊之处在于：包括沿光路依次设置的主镜、次镜及分色镜；还包括设置在分色镜两路出射光路中的可见光波段成像系统与长波红外波段成像系统；
所述主镜用于同时反射可见光波段和长波红外波段，主镜的中心设置有通孔，所述通孔的直径小于次镜的口径，同时保证经次镜反射的光束能够完全通过；
可见光波段依次经过主镜与次镜的反射后进入分色镜，经分色镜分束后进入可见光波段成像系统；
长波红外波段依次经过主镜与次镜的反射后进入分色镜，经分色镜分束后进入长波红外波段成像系统；
所述可见光波段成像系统包括沿光路依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜，可见光波段成像系统的工作波段为0.5～0.8μm，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜的光焦度分别为正、负、正、负、负；
所述长波红外波段成像系统进行偏心设置，包括沿光路依次设置的第六透镜、第七透镜和第八透镜，长波红外波段成像系统的工作波段为7～10μm；所述第六透镜、第七透镜和第八透镜的光焦度分别为正、负、负。
进一步地，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜均为球面镜；所述第一透镜焦距f4满足：0＜f4＜f，第二透镜焦距f5满足：-f＜f5＜0，第三透镜焦距f6满足：0＜f6＜f，第四透镜焦距f7满足：-f＜f7＜0，第五透镜焦距f8满足：-f＜f8＜0，其中f为可见光波段成像系统总焦距。
进一步地，所述第六透镜、第七透镜、第八透镜均为球面镜；所述第六透镜焦距f10满足：0＜f10＜f'，第七透镜焦距f11满足：-f'＜f11＜0，第八透镜焦距f12满足：-f'＜f12＜0，其中f'为长波红外波段成像系统总焦距。
进一步地，可见光波段成像系统位于分色镜的反射光路中，长波红外波段成像系统位于分色镜的透射光路中；入射至分色镜的入射光与分色镜反射面之间的夹角为128°，即分色镜偏离竖直方向38°设置。
进一步地，为了减小本光学系统中的主镜和次镜的加工检测难度，所述主镜为二次抛物面镜，所述次镜为二次双曲面镜。
进一步地，可见光波段成像系统后工作距为8.5mm，长波红外波段成像系统后工作距为8.5mm，两个光路光学系统均无渐晕。
为了更进一步地提高红外波段能量透过率，提高成像质量，长波红外波段成像系统中第六透镜、第七透镜和第八透镜及长波红外像面的中心轴偏离分色镜中心轴向下2.44mm。
为了更进一步地提高成像质量，所述主镜与次镜的中心间隔是92.56mm，次镜与分色镜的中心间隔是177.54mm，分色镜的厚度是6mm，分色镜与第一透镜的中心间隔是50mm，第一透镜的厚度是10.51mm，第一透镜与第二透镜的间隔是7.42mm，第二透镜的厚度8mm，第二透镜与第三透镜的间隔是5mm，第三透镜的厚度是13.1mm，第三透镜与第四透镜的间隔是5.54mm，第四透镜的厚度是18.04mm，第四透镜与第五透镜的间隔是8.67mm，第五透镜的厚度是7.35mm。分色镜与第六透镜的中心间隔是49.81mm，第六透镜的厚度是10mm，第六透镜与第七透镜的间隔是26mm，第七透镜的厚度是8mm，第七透镜与第八透镜的间隔是19.31mm，第八透镜的厚度是5.88mm。
本发明的有益效果是：
1、本发明光学系统可实现在可见光、长波红外两个波段内同时探测目标，光学系统两个波段共用前端的主镜和次镜，并在主镜背部使用了一个分色镜，可同时实现可见光波段及长波红外波段的分束，极大的减轻了整个光学系统的体积与质量。
2、本发明长波红外波段成像系统采用3片校正镜综合校正像差，并对三片校正镜及像面进行了整体向下的偏心处理，提高了红外波段能量透过率，同时可见光波段成像系统采用5片校正镜综合校正像差，有效的校正了分色镜所带来的像差，使得两波段的像质均达到了衍射极限，成像质量高。
3、本发明长波红外波段成像系统与可见光波段成像系统各自使用单独的探测器，不需要使用双色探测器，成本较低。
4、本发明中的光学系统结构紧凑，有利于整个系统的小型化设计。
5、本发明通过设置分色镜的角度，进一步地弱化分色镜所带来的像差，提高成像质量。
附图说明
图1为本发明所提供的共孔径可见/长波红外双色光学系统一体化结构示意图；
图2为本发明所提供的可见光波段光学系统结构示意图；
图3为本发明所提供的长波红外波段光学系统结构示意图；
图4为本发明所提供的可见光波段光学系统能量集中度曲线；
图5为本发明所提供的可见光波段光学系统弥散斑分布图；
图6为本发明所提供的可见光波段光学系统畸变曲线；
图7为本发明所提供的长波红外波段光学系统能量集中度曲线；
图8为本发明所提供的长波红外波段光学系统弥散斑分布图；
图9为本发明所提供的长波红外波段光学系统畸变曲线；
图中附图标记为：1-主镜，2-次镜，3-分色镜，4-第一透镜，5-第二透镜，6-第三透镜，7-第四透镜，8-第五透镜，9-可见光像面，10-第六透镜，11-第七透镜，12-第八透镜，13-长波红外像面。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施对本发明作进一步说明。
参见图1至图3，本实施例共孔径可见/长波红外双色光学系统主要由主镜1、次镜2、分色镜3、第一透镜4、第二透镜5、第三透镜6、第四透镜7、第五透镜8、第六透镜10、第七透镜11、第八透镜12、可见光像面9及长波红外像面13构成。
为了减轻系统的重量，可见光波段与长波红外波段共用主镜1和次镜2，主镜1的中心设置有通孔，通孔的直径小于次镜2的口径，同时保证经次镜2反射的光束能够无损失到达分色镜3。为了减小本光学系统中的主镜1和次镜2的加工检测难度，本实施例中主镜采用二次抛物面，次镜采用二次双曲面。
次镜2位于主镜1的反射光路中，分色镜3位于主镜背部且位于次镜2的反射光路中。可见光波段依次经过主镜1、次镜2、分色镜3反射后，再进入由第一透镜4、第二透镜5、第三透镜6、第四透镜7、第五透镜8构成可见光波段成像系统，最终在可见光像面9成像。其中第一透镜4、第二透镜5、第三透镜6、第四透镜7与第五透镜8沿光路依次设置，可见光波段成像系统的工作波段为0.5～0.8μm。长波红外波段经主镜1、次镜2反射，分色镜3透射后，再进入由第六透镜10、第七透镜11和第八透镜12构成的长波红外波段成像系统，最终在长波红外像面13处成像。其中第六透镜10、第七透镜11和第八透镜12沿光路依次设置，长波红外波段成像系统的工作波段为7～10μm。
为了有效校正两光路中的像差，两个波段的光路中分别加入了校正镜(可见光波段校正镜为第一透镜4、第二透镜5、第三透镜6、第四透镜7、第五透镜8，长波红外波段校正镜为第六透镜10、第七透镜11、第八透镜12)以校正像差，并合理平衡了各透镜的光焦度。第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜的光焦度分别为正、负、正、负、负。第六透镜、第七透镜、第八透镜的光焦度分别为正、负、负。
为了减少光学元件的同时有效校正像差，本发明在长波红外波段成像系统中，对三片校正镜及像面进行了整体向下的偏心处理，其中心轴可以偏离分色镜中心轴向下2.44mm，有效的校正了分色镜所带来的像差。还可以通过设置分色镜的角度将其偏离竖直方向38°设置，使得入射至分色镜的入射光与分色镜反射面之间的夹角为128°，进一步地弱化分色镜所带来的像差，提高成像质量。
该发明可应用于星载大范围的目标观测，能够有效提升空间相机的目标探测与识别能力。
本发明在具体工作时，可以参考以下参数对第一透镜4、第二透镜5、第三透镜6、第四透镜7、第五透镜8、第六透镜10、第七透镜11、第八透镜12的参数以及间隔进行配置，使其达到的效果会更好。
对于第一透镜4：
0＜f4＜f
对于第二透镜5：
-f＜f5＜0
对于第三透镜6：
0＜f6＜f
对于第四透镜7：
-f＜f7＜0
对于第五透镜8：
-f＜f8＜0
对于第六透镜10：
0＜f10＜f'
对于第七透镜11：
-f'＜f11＜0
对于第八透镜12：
-f'＜f12＜0
在上述各镜的参数关系中，其中f、f'分别为可见光波段成像系统、长波红外波段成像系统的总焦距，f4、f5、f6、f7、f8、f10、f11、f12为第一透镜4、第二透镜5、第三透镜6、第四透镜7、第五透镜8、第六透镜10、第七透镜11、第八透镜12的元件焦距。
主镜1与次镜2的中心间隔是92.56mm，次镜2与分色镜3的中心间隔是177.54mm，分色镜3的厚度是6mm，分色镜3与第一透镜4的中心间隔是50mm，第一透镜4的厚度是10.51mm，第一透镜4与第二透镜5的间隔是7.42mm，第二透镜5的厚度8mm，第二透镜5与第三透镜6的间隔是5mm，第三透镜6的厚度是13.1mm，第三透镜6与第四透镜7的间隔是5.54mm，第四透镜7的厚度是18.04mm，第四透镜7与第五透镜8的间隔是8.67mm，第五透镜8的厚度是7.35mm，可见光波段成像系统后工作距为8.5mm。
分色镜3与第六透镜10的中心间隔是49.81mm，第六透镜10的厚度是10mm，第六透镜10与第七透镜11的间隔是26mm，第七透镜11的厚度是8mm，第七透镜11与第八透镜12的间隔是19.31mm，第八透镜12的厚度是5.88mm，长波红外波段成像系统后工作距为8.5mm。
对本发明中的种共孔径可见/长波红外双色光学系统采用弥散斑分布、能量集中度、畸变作为评价标准进行评价。表1、表2分别给出了可见光波段、长波红外波段各视场弥散斑及能量分布，表3、表4分别给出了可见光波段在0.65μm波长下、长波红外在8μm波长下不同视场的畸变值，系统成像优良。
表1可见光波段各视场弥散斑及能量分布
视场 弥散斑大小半径(μm) 集中80％能量弥散斑直径(μm)
0 3.536 11
0.5 5.232 12
0.6 5.972 12.4
0.707 6.892 12.8
1 10.116 15.2
表2长波红外波段各视场弥散斑及能量分布
视场 弥散斑大小半径(μm) 集中80％能量弥散斑直径(μm)
0 9.902 36
0.5 8.266 36
0.6 8.155 36
0.707 8.595 36
1 12.629 38
表3可见光波段在0.65μm波长下不同视场的畸变值
Figure BDA0002513438630000071
表4长波红外波段在8μm波长下不同视场的畸变值
Figure BDA0002513438630000072
本发明提供的光学系统结构紧凑，体积小，像质达到衍射极限，工程可实现性强，具有实际应用价值，达到设计目的。

Claims (8)

1.一种共孔径可见长波红外双色光学系统，其特征在于：包括沿光路依次设置的主镜(1)、次镜(2)及分色镜(3)；还包括设置在分色镜(3)两路出射光路中的可见光波段成像系统与长波红外波段成像系统；
所述主镜(1)用于同时反射可见光波段和长波红外波段，主镜(1)的中心设置有通孔，所述通孔的直径小于次镜(2)的口径，同时保证经次镜(2)反射的光束能够完全通过；
可见光波段依次经过主镜(1)与次镜(2)的反射后进入分色镜(3)，经分色镜(3)分束后进入可见光波段成像系统；
长波红外波段依次经过主镜(1)与次镜(2)的反射后进入分色镜(3)，经分色镜(3)分束后进入长波红外波段成像系统；
所述可见光波段成像系统包括沿光路依次设置的第一透镜(4)、第二透镜(5)、第三透镜(6)、第四透镜(7)和第五透镜(8)，所述第一透镜(4)、第二透镜(5)、第三透镜(6)、第四透镜(7)、第五透镜(8)的光焦度分别为正、负、正、负、负；
所述长波红外波段成像系统进行偏心设置，包括沿光路依次设置的第六透镜(10)、第七透镜(11)和第八透镜(12)，所述第六透镜(10)、第七透镜(11)和第八透镜(12)的光焦度分别为正、负、负。
2.根据权利要求1所述的共孔径可见长波红外双色光学系统，其特征在于：所述第一透镜(4)、第二透镜(5)、第三透镜(6)、第四透镜(7)、第五透镜(8)均为球面镜；所述第一透镜(4)的焦距f4满足：0＜f4＜f，第二透镜(5)的焦距f5满足：-f＜f5＜0，第三透镜(6)的焦距f6满足：0＜f6＜f，第四透镜(7)的焦距f7满足：-f＜f7＜0，第五透镜(8)的焦距f8满足：-f＜f8＜0，其中f为可见光波段成像系统总焦距。
3.根据权利要求2所述的共孔径可见长波红外双色光学系统，其特征在于：所述第六透镜(10)、第七透镜(11)、第八透镜(12)均为球面镜；所述第六透镜(10)的焦距f10满足：0＜f10＜f'，第七透镜(11)的焦距f11满足：-f'＜f11＜0，第八透镜(12)的焦距f12满足：-f'＜f12＜0，其中f'为长波红外波段成像系统总焦距。
4.根据权利要求3所述的共孔径可见长波红外双色光学系统，其特征在于：可见光波段成像系统位于分色镜(3)的反射光路中，长波红外波段成像系统位于分色镜(3)的透射光路中；入射至分色镜(3)的入射光与分色镜反射面之间的夹角为128°。
5.根据权利要求4所述的共孔径可见长波红外双色光学系统，其特征在于：所述主镜(1)为二次抛物面镜，所述次镜(2)为二次双曲面镜。
6.根据权利要求5所述的共孔径可见长波红外双色光学系统，其特征在于：可见光波段成像系统后工作距为8.5mm，长波红外波段成像系统后工作距为8.5mm。
7.根据权利要求6所述的共孔径可见长波红外双色光学系统，其特征在于：长波红外波段成像系统中第六透镜(10)、第七透镜(11)和第八透镜(12)及长波红外像面(13)的中心轴偏离分色镜中心轴向下2.44mm。
8.根据权利要求7所述的共孔径可见长波红外双色光学系统，其特征在于：所述主镜(1)与次镜(2)的中心间隔是92.56mm，次镜(2)与分色镜(3)的中心间隔是177.54mm，分色镜(3)的厚度是6mm，分色镜(3)与第一透镜(4)的中心间隔是50mm，第一透镜(4)的厚度是10.51mm，第一透镜(4)与第二透镜(5)的间隔是7.42mm，第二透镜(5)的厚度8mm，第二透镜(5)与第三透镜(6)的间隔是5mm，第三透镜(6)的厚度是13.1mm，第三透镜(6)与第四透镜(7)的间隔是5.54mm，第四透镜(7)的厚度是18.04mm，第四透镜(7)与第五透镜(8)的间隔是8.67mm，第五透镜(8)的厚度是7.35mm；分色镜(3)与第六透镜(10)的中心间隔是49.81mm，第六透镜(10)的厚度是10mm，第六透镜(10)与第七透镜(11)的间隔是26mm，第七透镜(11)的厚度是8mm，第七透镜(11)与第八透镜(12)的间隔是19.31mm，第八透镜(12)的厚度是5.88mm。
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