CN113075756A - 一种双波段透射式光学系统镜头 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光学成像技术领域，涉及一种双波段透射式光学系统镜头，包括沿入射方向依次设置的薄膜衍射主镜、薄膜分光镜和衍射透镜；薄膜衍射主镜与衍射透镜共轭，其上刻有互相匹配的刻画结构，用以减轻光学系统重量；薄膜分光镜将经由薄膜衍射主镜汇聚的光束分束，减小光学系统体积和重量；薄膜衍射主镜和薄膜分光镜的镜框和镜组连接座之间采用镜框与镜筒之间精密配合，通过压圈轻微压紧镜框实现初步定位，然后通过注胶孔在镜框外表面周边注胶固定的方式，防止衍射薄膜透镜和薄膜分光镜受力变形，使镜头整体能够满足航空载荷的轻小型化要求。

Description

一种双波段透射式光学系统镜头
技术领域
本发明属于光学成像技术领域，具体涉及一种利用激光和红外双波段透射式光学系统实现激光波段以及红外波段成像的镜头。
背景技术
目前，航空相机向着大口径、轻量化的趋势发展，大视场红外相机能覆盖宽阔的监视区域，提高相机的空间分辨率，能够提供目标更为准确的位置、姿态和几何形状信息，采用激光合成孔径成像技术可突破衍射极限，对远距离目标实现前斜视高数据率高分辨率成像，采用激光/红外主被动相结合型探测系统，可发挥两者的优势，大幅提高机载相机的侦查能力。
一般激光/红外双波段相机的镜头采用为折反式和透射式。折反式镜头的主镜结构可以实现大口径，但是使得光学系统的体积重量都较大，难以满足航空载荷结构紧凑和轻量化的要求。而大口径的透射式镜头加工难度较大，重量和体积也很难满足航空载荷的轻小型化要求。
因此，如何能够提供一种结构形式简单且满足轻量化要求的激光/红外双波段镜头是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明为了解大口径的透射式镜头加工难度较大，重量和体积上很难满足航空载荷的轻小型化的要求，提出了一种双波段透射式光学系统镜头，该镜头采用薄膜衍射镜、衍射透镜和薄膜分光镜，实现激光/红外透射式双波段镜头的轻量化要求。为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：
一种双波段透射式光学系统，包括：沿入射方向依次设置的薄膜衍射主镜、薄膜分光镜和衍射透镜；
薄膜衍射主镜与衍射透镜共轭，其上刻有互相匹配用以减轻光学系统重量的刻画结构；薄膜分光镜将经由薄膜衍射主镜汇聚的光束分束。
优选地，薄膜衍射主镜靠近入射方向的前表面为平面，靠近出射方向的后表面具有刻画结构，使其在短波段和红外波段光束的中心波长处分别具有相同的高衍射效率；衍射透镜的刻画结构使衍射透镜与薄膜衍射主镜具有相同的色散、相反的光焦度，用于校正薄膜衍射主镜产生的像差。
优选地，薄膜衍射主镜的刻画结构为连续型菲涅尔环，在薄膜衍射主镜的刻画结构的外周有用于安装夹持的平面结构。
优选地，薄膜分光镜厚度为微米量级，对短波段光束具有高反射率，对红外波段光束具有高透过率。
优选地，还包括用于对短波段光束进行成像的激光透镜组和对红外波段光束进行成像的红外透镜组。
优选地，衍射透镜位于红外透镜组内，衍射透镜的刻画结构为连续型菲涅尔环；刻画结构所在的透镜表面为平面、球面或者非球面。
优选地，红外透镜组件还包括用于折叠光路的第一折转镜和第二折转镜。
一种光学镜头，包括镜头外壳和上述双波段透射式光学系统。
优选地，镜头外壳包括镜头基座和固定在镜头基座内的镜组连接座；镜组连接座呈梯型，相对的两端分别固定薄膜衍射主镜和薄膜分光镜；镜头基座为回转对称结构，成直角的相邻两侧面内分别固定激光透镜组和红外透镜组，其中轴线分别与经分束后的短波段光束和红外波段光束的中轴线重合。
优选地，镜组连接座包括镜座、加工在镜座上的主镜筒和分光镜筒，主镜筒和分光镜筒的中心轴线夹角为30°-60°。
优选地，主镜筒内径与用于固定薄膜衍射主镜的主镜框外径为配合关系；在配合位置处的主镜框周身上开设有一圈主镜凹槽，主镜凹槽位于薄膜衍射主镜框厚度的中心位置，其宽度小于薄膜衍射主镜框的厚度，深度为0.2mm。
优选地，分光镜筒内径与用于固定薄膜分光镜的分光镜框外径为配合关系；在配合位置处的分光镜框周身上开设有一圈分光镜凹槽，分光镜凹槽位于分光镜框厚度的中心位置，其宽度小于分光镜框的厚度，深度为0.2mm。
优选地，主镜凹槽和分光镜凹槽内，分别均布有开口方向沿薄膜衍射主镜和薄膜分光镜半径方向的螺纹孔，螺纹孔用于涂胶，防止薄膜衍射主镜和薄膜分光镜受力变形。
优选地，螺纹孔的数量至少为4个。
本发明能够取得以下技术效果：
1、采用衍射薄膜透镜作为光学系统的主镜，利用薄膜分光镜对光束进行分光，可以有效地减小双波段共口径光学系统的重量。经由薄膜衍射主镜会聚的光束经过一个薄膜分光镜进行分光，重量仅为传统分光镜的百分之一量级。
2、薄膜分光镜对光束进行分光时，对较短波段具有高反射率，对较长红外波段具有高透过率，并由于没有自身吸收而减小了能量的损耗。
3、通过设置薄膜衍射主镜刻画结构，使薄膜衍射主镜的光焦度与镜片厚度无关；通过设置衍射透镜的刻画结构，使衍射透镜与薄膜衍射主镜具有相同的色散、相反的光焦度，可以有效地校正薄膜衍射主镜产生的像差，从而降低整个光学系统的重量。
4、薄膜衍射主镜和薄膜分光镜的镜框和镜组连接座之间采用镜框与镜筒之间精密配合，通过压圈轻微压紧镜框实现初步定位，然后通过注胶孔在镜框外表面周边注胶固定的方式，防止衍射薄膜透镜和薄膜分光镜受力变形。
附图说明
图1是本发明一个实施例的一种光学镜头的结构示意图；
图2是图1的俯视图；
图3是图2的沿A-A剖视图；
图4是图2的沿B-B剖视图；
图5是本发明一个实施例的薄膜衍射主镜组件、薄膜分光镜组件、镜组连接座装配结构示意图；
图6是本发明一个实施例的镜组连接座结构示意图；
图7是本发明一个实施例的原理光路图；
图8是本发明一个实施例的薄膜衍射主镜的截面图。
附图标记：
薄膜衍射主镜1、主镜框11、主镜凹槽12、
薄膜分光镜2、分光镜框21、分光镜凹槽22、
激光透镜组3、
红外透镜组4、第一折转镜41、红外透镜筒42、衍射透镜43、第二折转镜44、
镜组连接座5、
主镜筒51、主镜压圈511、
分光镜筒52、分光镜压圈521、分光镜隔圈522、
螺纹孔53、安装法兰54、
镜头基座6。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
本发明的目的是提供一种实现激光/红外透射式双波段、大口径轻量化要求的镜头的。下面将对本发明提供的一种双波段透射式光学系统镜头，通过具体实施例来进行详细说明。
本发明的成像原理为：激光发射装置发射出激光，照射到目标景物反射，与目标景物的红外辐射光一同进入光学镜头中，经过薄膜衍射主镜1汇聚后照射到薄膜分光镜2上，激光回波经薄膜分光镜2反射，进入激光透镜组3，最终进入激光光纤定位器中。红外辐射光透过薄膜分光镜2，进入红外透镜组4，最终进入红外探测器中。
参照如图7示出的光路，沿光束入射方向依次设有薄膜衍射主镜1、薄膜分光镜2和衍射透镜43，其中薄膜衍射主镜1与衍射透镜43共轭，通过设计薄膜衍射主镜1和衍射透镜43上的刻画结构，使其相互匹配，能够减轻光学系统重量；
薄膜分光镜2用来将经由薄膜衍射主镜1汇聚的光束分束，同时选择合适的薄膜分光镜2能够减小光学系统体积和重量。
在本发明的一个优选实施例中，薄膜衍射主镜1沿入射方向的前表面为平面，后表面为具有刻画结构的衍射面，通过合理设计刻画结构，一方面使其在短波段和红外波段的中心波长处具有相同的高衍射效率，另一方面使得薄膜衍射主镜1的光焦度仅与刻画结构有关，与透镜厚度无关，由此降低光学系统的重量。同时，薄膜衍射主镜1刻画结构的外周有用于安装夹持的平面结构。
如图8所示的薄膜衍射主镜截面图，表面设计有刻画结构，刻画结构为连续型菲涅尔环，其刻画深度与波长相关，在本发明的一个优选实施例中，刻画深度设计为18.08μm，薄膜衍射主镜1厚度为20μm。
在本发明的一个优选实施例中，通过设计与薄膜衍射主镜1的刻画结构相匹配的衍射透镜43的刻画结构，使衍射透镜43与薄膜衍射主镜1具有相同的色散、相反的光焦度，能够校正薄膜衍射主镜1产生的像差，而无需引入其它透镜对薄膜衍射主镜1的像差进行矫正，由此减小光学系统的重量。
在本发明的一个优选实施例中，选用的薄膜分光镜2厚度为10-40μm，重量为相同口径下传统分光镜重量的百分之一，在其一侧镀反射膜，提高对短波段光束的反射率；另一侧镀增透膜，提高对红外波段光束的透过率；使经由薄膜衍射主镜1汇聚的光分为两路，一路为短波段反射光，进入激光透镜组3，一路为红外波段透射光，进入红外透镜组4。
在本发明的另一个实施例中，薄膜衍射主镜1和薄膜分光镜2的材料为聚酰亚胺；进入红外透镜组4的红外波段光可以为短波红外光、中波红外和长波红外的任意一种。
在本发明的一个优选实施例中，衍射透镜43为红外透镜组4中入射方向第5片透镜，其刻画结构表面为平面；红外透镜组4还包括用于折叠光路的第一折转镜41、第二折转镜44。
图1示出了双波段透射式光学系统镜头外壳结构，包括镜头基座6和固定在镜头基座6内的镜组连接座5；
镜头基座6为回转对称结构，对称端分别用来固定激光透镜组3和红外透镜组4，使激光透镜组3和红外透镜组4的中轴线分别与经分束后的短波段光束和红外波段光束的中轴线重合；
参见图6，镜组连接座5呈梯型，在其相对的两端分别加工主镜筒51和分光镜筒52用来固定薄膜衍射主镜1和薄膜分光镜2，主镜筒51和分光镜筒52的中心轴线夹角为40°。
在本发明的一个优选实施例中，薄膜衍射主镜1的刻画结构外侧的平面结构与主镜框11的端面通过光学胶进行胶接固定，薄膜分光镜2的外圈通过光学胶进行胶接固定在分光镜框21上，主镜框11和分光镜框21与主镜筒51和分光镜筒52为间隙配合，分别在配合位置处的主镜框11和分光镜框21周身，镜框厚度中心位置处开设一圈主镜凹槽12和分光镜凹槽22，主镜凹槽12和分光镜凹槽22的宽度小于各自胶接的镜框的厚度，深度为0.2mm。
在主镜凹槽12和分光镜凹槽22内，分别均布有开口方向沿薄膜衍射主镜1和薄膜分光镜2半径方向的螺纹孔53，对螺纹孔53进行注胶，能够防止薄膜衍射主镜1和薄膜分光镜2受力变形；
螺纹孔53的数量至少为4个。
参见图5，在安装薄膜衍射主镜1时，薄膜衍射主镜1利用各一个的主镜压圈511压紧；安装薄膜分光镜2时，通过安装在左右的分光镜隔圈522和分光镜压圈521压紧。
在本发明的另一个实施例中，镜组连接座5外圈加工有安装法兰54与镜头基座6连接。
在本发明的一个优选实施例中，结合图2和图3，镜头基座6成直角的两个端面上分别加工有与激光透镜组3装配件和红外透镜筒42相适配的装配孔，使激光透镜组3和红外透镜组4的中轴线分别与经薄膜分光镜2分束后的短波段光束和红外波段光束的中轴线重合。
经分光后的红外波段光束进入如图4所示的红外透镜组4，经过第一折转镜41、位于红外镜筒42中的衍射透镜43和第二折转镜44后进入红外探测器成像；
经分光后的短波段光束进入激光透镜组3，最终进入激光光纤定位器中。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (14)

1.一种双波段透射式光学系统，其特征在于，包括沿入射方向依次设置的薄膜衍射主镜、薄膜分光镜和衍射透镜；
所述薄膜衍射主镜与所述衍射透镜共轭，其上刻有互相匹配用以减轻所述光学系统重量的刻画结构；
所述薄膜分光镜将经由所述薄膜衍射主镜汇聚的光束分束。
2.根据权利要求1所述的双波段透射式光学系统，其特征在于，所述薄膜衍射主镜靠近入射方向的前表面为平面，靠近出射方向的后表面具有所述刻画结构，使其在短波段光束和红外波段光束的中心波长处分别具有相同的高衍射效率；所述衍射透镜的所述刻画结构使所述衍射透镜与所述薄膜衍射主镜具有相同的色散、相反的光焦度，用于校正所述薄膜衍射主镜产生的像差。
3.根据权利要求2所述的双波段透射式光学系统，其特征在于，所述薄膜衍射主镜的所述刻画结构为连续型菲涅尔环，在所述薄膜衍射主镜的所述刻画结构的外周有用于安装夹持的平面结构。
4.根据权利要求1所述的双波段透射式光学系统，其特征在于，所述薄膜分光镜厚度为微米量级，对所述短波段光束具有高反射率，对所述红外波段光束具有高透过率。
5.根据权利要求3所述的双波段透射式光学系统，其特征在于，还包括用于对所述短波段光束进行成像的激光透镜组和对所述红外波段光束进行成像的红外透镜组。
6.根据权利要求5所述的双波段透射式光学系统，其特征在于，所述衍射透镜位于所述红外透镜组内，所述衍射透镜的刻画结构为连续型菲涅尔环；所述刻画结构所在的透镜表面为平面、球面或者非球面。
7.根据权利要求6所述的双波段透射式光学系统，其特征在于，所述红外透镜组件还包括用于折叠光路的第一折转镜和第二折转镜。
8.一种光学镜头，其特征在于，包括镜头外壳和如权利要求1-7任意一项所述的双波段透射式光学系统。
9.根据权利要求8所述的光学镜头，其特征在于，所述镜头外壳包括镜头基座和固定在所述镜头基座内的镜组连接座；
所述镜组连接座呈梯型，相对的两端分别固定薄膜衍射主镜和薄膜分光镜；
所述镜头基座为回转对称结构，成直角的相邻两侧面内分别固定激光透镜组和红外透镜组，其中轴线分别与经分束后的短波段光束和红外波段光束的中轴线重合。
10.根据权利要求9所述的光学镜头，其特征在于，所述镜组连接座包括镜座、加工在所述镜座上的主镜筒和分光镜筒，所述主镜筒和所述分光镜筒的中心轴线夹角为30°-60°。
11.根据权利要求10所述的光学镜头，其特征在于，所述主镜筒内径与用于固定所述薄膜衍射主镜的主镜框外径为配合关系；在所述配合位置处的所述主镜框周身上开设有一圈主镜凹槽，所述主镜凹槽位于所述薄膜衍射主镜框厚度的中心位置，其宽度小于所述薄膜衍射主镜框的厚度，深度为0.2mm。
12.根据权利要求11所述的光学镜头，其特征在于，所述分光镜筒内径与用于固定所述薄膜分光镜的分光镜框外径为配合关系；在所述配合位置处的所述分光镜框周身上开设有一圈分光镜凹槽，所述分光镜凹槽位于所述分光镜框厚度的中心位置，其宽度小于所述分光镜框的厚度，深度为0.2mm。
13.根据权利要求12所述的光学镜头，其特征在于，在所述主镜凹槽和所述分光镜凹槽内，分别均布有开口方向沿所述薄膜衍射主镜和所述薄膜分光镜半径方向的螺纹孔，所述螺纹孔用于涂胶，防止所述薄膜衍射主镜和所述薄膜分光镜受力变形。
14.根据权利要求13所述的光学镜头，其特征在于，所述螺纹孔的数量至少为4个。
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