CN114089511B - 甚宽波段透射式望远光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种甚宽波段透射式望远光学系统，从物方到像方依次包括窗口、物镜组和目镜组；第一物镜为双凸硫化锌正透镜，第二物镜为凸面向物方的弯月形硒化锌负透镜，第三物镜为双凸氟化钡正透镜，第四物镜为双凹氟化镁负透镜，第五物镜为双凹氟化钙负透镜，第六物镜为双凸硫化锌正透镜；第一目镜为双凸氟化钡正透镜，第二目镜为双凹氟化钙负透镜，第三目镜为双凸硫化锌正透镜。本发明通过合理的材料搭配以及使用易于加工的全球面，使得像差得到良好的校正；系统物镜组六片透镜和目镜组三片透镜，共九片透镜，结构简单，并且在从可见光、短波红外到中波红外波段都具有良好的成像质量，能够适用于多波段共孔径光电侦查、探测、吊舱等系统。
Description
技术领域
本发明属于望远光学系统技术领域，具体涉及一种甚宽波段透射式望远光学系统。
背景技术
成像探测系统具有隐蔽性好、抗干扰能力强以及在一定程度上识别伪装目标的能力，因而在军事上广泛应用于侦查、探测、警戒等领域。但是随着伪装技术的发展，侦察识别目标难度增大，单一波段的可见光、近红外或中波红外探测已经难以满足各种需求。利用探测不同波长的图像信息可提高装备的侦查能力，有效剔除目标的伪装信息，提高目标的探测与识别能力、识别速率，降低虚警率，提升伪装识别能力，且多波段集成光学系统实现多个工作波段成像系统的共孔径设计、可进一步缩小系统体积重量。
对于可见光、短波红外、中波红外光学系统，能用的光学材料种类较少，甚宽波段光学系统色差难以校正，通常采用两种办法来解决：1)在折射系统中引入衍射光学，利用衍射光学元件具有负色散特性，消除色差，但只能在特定几个波段具有较高的衍射效率；2)采用反射式系统，这种构型不会引入色差，但反射式系统存在结构复杂、装调困难等不利因素，衍射元件加工困难、衍射效率低。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种甚宽波段透射式望远光学系统，实现从可见光、短波红外到中波红外的甚宽波段的色差校正。
为实现上述目的，本发明提供了一种甚宽波段透射式望远光学系统，从物方到像方依次包括窗口、物镜组和目镜组；物镜组包括第一物镜、第二物镜、第三物镜、第四物镜、第五物镜、第六物镜；目镜组包括第一目镜、第二目镜、第三目镜；无限远目标光束依次经过窗口、物镜组会聚成像，再经过目镜组成像在无限远；
其中，第一物镜为双凸硫化锌正透镜，第二物镜为凸面向物方的弯月形硒化锌负透镜，第三物镜为双凸氟化钡正透镜，第四物镜为双凹氟化镁负透镜，第五物镜为双凹氟化钙负透镜，第六物镜为双凸硫化锌正透镜；
第一目镜为双凸氟化钡正透镜，第二目镜为双凹氟化钙负透镜，第三目镜为双凸硫化锌正透镜。
接上述技术方案，所有透镜均为全球面透镜。
接上述技术方案，硫化锌、硒化锌、氟化钙透镜的基底上设置非球面。
接上述技术方案，工作波段包括可见光、短波红外、中波红外以及激光测距1064nm与1550nm波段。
接上述技术方案，工作波段为0.6～0.85μm、1.064/1.55μm、1.1～1.7μm、以及3.7～4.8μm。
接上述技术方案，窗口的材料为蓝宝石。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
1、本发明的甚宽波段透射式望远光学系统，通过合理的材料搭配，以及使用易于加工的全球面，使得像差得到良好的校正；系统物镜组六片透镜和目镜组三片透镜，共九片透镜，结构简单，并且在从可见光、短波红外到中波红外波段都具有良好的成像质量，能够适用于多波段共孔径光电侦查、探测、吊舱等系统。
2、在硫化锌、硒化锌、氟化钙等光学材料基底上设置非球面，可以减少透镜片数，进一步提高成像质量。
附图说明
图1为本发明的光学系统示意图；
图2为本发明透镜及透镜面示意图；
图3为本发明的光学系统二维图；
图4为本发明的光学系统中波红外波段16lp/mm时MTF图；
图5为本发明的光学系统可见光电视波段50lp/mm时MTF图；
图6为本发明的光学系统短波红外波段50lp/mm时MTF图；
图7为本发明的光学系统中波红外波段点列图；
图8为本发明的光学系统可见光电视波段点列图；
图9为本发明的光学系统短波红外波段点列图。
图中：W1-窗口，L1-第一物镜，L2-第二物镜，L3-第三物镜，L4-第四物镜，L5-第五物镜，L6-第六物镜，L7-第一目镜，L8-第二目镜，L9-第三目镜。
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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明公开了一种甚宽波段透射式望远光学系统，第一物镜、第二物镜、第三物镜、第四物镜、第五物镜、第六物镜组成望远系统物镜组，第一目镜、第二目镜、第三目镜组成望远目镜组。该望远系统工作波段涵盖可见光、短波红外、中波红外，放大倍率为2.5倍，选择使用了蓝宝石、氟化镁、氟化钡、氟化钙、硫化锌和硒化锌等多波段光学材料，透镜使用球面，完成了从可见光到短波红外、中波红外甚宽波段内的色差校正和波段间像差校正。
该系统结构简单，实现甚宽波段透镜完全共用，在可见光到短波红外、中波红外均具有良好的成像质量，在常用的激光测距1064nm、1550nm工作波段经过2.5倍扩束后平行性良好、透射波前RMS达到λ/40；通过甚宽波段的复消色差、二次成像等技术的组合，在保证中波红外100％冷光阑效率同时控制整个系统的有效通光口径，满足适用于多波段、多功能、共孔径光学系统需求。
本发明实施例的甚宽波段透射式望远光学系统，如图1所示，包含窗口W1和九片透镜，九片透镜分为物镜组和目镜组。物镜组包括第一物镜L1、第二物镜L2、第三物镜L3、第四物镜L4、第五物镜L5、第六物镜L6共六片透镜；目镜组包括第一目镜L7、第二目镜L8、第三目镜L9共三片透镜。无限远目标光束依次经过窗口、物镜组六片透镜会聚成像，再经过目镜组三片透镜成像在无限远。
图2为本发明透镜及透镜面示意图，光学透镜材料均为可见光、短波红外和中波红外波段光学系统常用的材料，如蓝宝石、氟化镁、氟化钡、氟化钙、硫化锌和硒化锌等多波段光学材料。物镜组六片透镜采用“4+2”的结构形式，其中第一物镜为一片双凸硫化锌正透镜，第二物镜为一片凸面向物方的弯月形硒化锌负透镜，第三物镜为一片双凸氟化钡正透镜，第四物镜为一片双凹氟化镁负透镜，第五物镜为一片双凹氟化钙负透镜，第六物镜为一片双凸硫化锌正透镜。目镜组共三片透镜，第一目镜为双凸氟化钡正透镜，第二目镜为双凹氟化钙负透镜，第三目镜为双凸硫化锌正透镜。
该系统的光学透镜材料均为甚宽波段光学系统常用的光学材料等，并实现甚宽波段色差校正、复消色差设计。需要说明的是，甚宽波段工作的光学材料比较少，且光学材料在从可见光、短波红外到中波红外波段的性能差异特别大，如何选择合适的光学材料，同时校正甚宽波段的色差，是本光学系统设计的难点。
本实施例的可见光、短波红外、中波红外多波段望远光学系统只采用全球面设计，且光学系统的通光口径得到较好的控制，结构简单，可广泛应用于多波段共孔径光电侦查、探测、吊舱等系统，武装直升机和舰载机目标指示系统，水面舰船的预警、火控和近程反导系统及目标探测和追踪等领域。该望远系统亦可以在硫化锌、硒化锌、氟化钙等光学材料基底上设置非球面以提升成像质量。国内硫化锌、硒化锌、氟化钙等光学材料基底上设置非球面的加工技术已经相当成熟，通过非球面的使用还可以减少透镜片数、进一步提高成像质量，本发明的甚宽波段透射式望远光学系统，在可见光、短波红外和中波红外波段都具有较好的成像质量。
为了更详细说明，下面给出本发明光学系统结构的具体参数：表1表示甚宽波段透射式望远光学系统结构参数(透镜曲率半径、厚度、透镜间隔及材料)；
表1甚宽波段透射式望远光学系统结构参数
图3为本发明的光学系统二维图；图4为本发明的光学系统中波红外波段16lp/mm时MTF图；图5为本发明的光学系统可见光电视波段50lp/mm时MTF图；图6为本发明的光学系统短波红外波段50lp/mm时MTF图；图7为本发明的光学系统中波红外波段点列图；
图8为本发明的光学系统可见光电视波段点列图；图9为本发明的光学系统短波红外波段点列图。
本发明公开的甚宽波段透射式望远光学系统，选择使用蓝宝石、氟化镁、氟化钡、氟化钙、硫化锌和硒化锌等多波段光学材料，仅使用全球面实现甚宽波段透射光学系统内的色差校正和波段间像差校正，即通过合理的材料搭配以及全球面透镜的使用，完成了可见光、短波红外到中波红外波段内的色差校正和波段间像差校正。
该望远系统工作波段0.6～0.85μm、1.064/1.55μm、1.1～1.7μm、3.7～4.8μm，放大倍率为2.5倍，该系统结构简单，在可见光、短波红外和中波红外均具有良好的成像质量，能够适用于多波段共孔径光电侦查、探测、吊舱等系统。
综上，本发明的甚宽波段透射式望远光学系统，通过合理的材料搭配，以及使用易于加工的全球面，使得像差得到良好的校正。系统物镜组六片透镜和目镜组三片透镜，共九片透镜，结构简单，并且在从可见光、短波红外到中波红外波段都具有良好的成像质量。
本领域的技术人员容易理解，以上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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种甚宽波段透射式望远光学系统，其特征在于，从物方到像方依次包括窗口、物镜组和目镜组；物镜组由六片透镜组成，从物方到像方依次为第一物镜、第二物镜、第三物镜、第四物镜、第五物镜和第六物镜；目镜组由三片透镜组成，从物方到像方依次为第一目镜、第二目镜和第三目镜；无限远目标光束依次经过窗口、物镜组会聚成像，再经过目镜组成像在无限远；
其中，第一物镜为双凸硫化锌正透镜，第二物镜为凸面向物方的弯月形硒化锌负透镜，第三物镜为双凸氟化钡正透镜，第四物镜为双凹氟化镁负透镜，第五物镜为双凹氟化钙负透镜，第六物镜为双凸硫化锌正透镜；
第一目镜为双凸氟化钡正透镜，第二目镜为双凹氟化钙负透镜，第三目镜为双凸硫化锌正透镜。
2.根据权利要求1所述的甚宽波段透射式望远光学系统，其特征在于，所有透镜均为全球面透镜。
3.根据权利要求1所述的甚宽波段透射式望远光学系统，其特征在于，硫化锌、硒化锌、氟化钙透镜的基底上设置非球面。
4.根据权利要求1所述的甚宽波段透射式望远光学系统，其特征在于，工作波段包括可见光、短波红外、中波红外以及激光测距1064nm与1550nm波段。
5.根据权利要求4所述的甚宽波段透射式望远光学系统，其特征在于，工作波段为0.6～0.85μm、1.064/1.55μm、1.1～1.7μm、以及3.7～4.8μm。
6.根据权利要求1所述的甚宽波段透射式望远光学系统，其特征在于，窗口的材料为蓝宝石。
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