CN114236796B - 可见光-中波红外无焦光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种可见光‑中波红外无焦光学系统，包括：反射式物镜组和透射式目镜组；反射式物镜组包括第一反射镜和第二反射镜；透射式目镜组包括场镜组和准直镜组；第一反射镜设置中心孔；第二反射镜放在第一反射镜的前方，与第一反射镜构成卡塞格林结构；场镜组放置在第一反射镜的中央，准直镜组放置在场镜组的后方；场镜组和准直镜组由透镜组成；光束经过第一反射镜和第二反射镜的两次反射后进入场镜组，场镜组用于缩小光束范围，使缩小范围的光束进入准直镜组，经准直镜组折射后以平行光出射。本发明实现了大口径、多波段、共口径成像，结构紧凑，适装性好；具有成像质量好，传递函数高，畸变小等优点。

Description

可见光-中波红外无焦光学系统
技术领域
本发明涉及光学技术领域，特别涉及一种可见光-中波红外无焦光学系统。
背景技术
无焦光学系统即为入射和出射波前均为平面波的光学系统，对光束没有汇聚和发散作用也称做望远镜系统。无焦光学系统除了用于传统的望远镜、激光扩束以外，还可以作为成像光学系统的一部分来使用。特别是在需要像移补偿或稳像的光学系统，利用无焦光学系统对光束的缩放作用，在无焦光学系统和成像光学系统之间设置小口径平面镜(即快速反射镜Fast Steering Mirror)，通过快速反射镜转动来消除探测器曝光期间内目标和图像之间相对运动，例如卫星、机载、车辆等动平台的光学系统。
当口径超过200mm时，受透镜材料限制，光学系统已不适合采用纯透射形式实现。采用离轴反射式无焦光路，虽然能够解决大口径、多波段、共孔径难题，但加工、装调难度大且加工成本高，同时体积尺寸较大。
对于大口径、多波段、共口径的无焦光学系统设计，传统透射式光学系统受材料所限，设计难度大、系统复杂且尺寸较大。而采用离轴反射式光路，则存在加工、装调难度大且加工成本高的问题，同时体积尺寸也难以控制。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的是提出一种大口径、多波段、共口径的可见光-中波红外无焦光学系统，通过采用开普勒望远镜结构形式的方式，有效控制了杂光，光学系统可以分别在可见光和中波红外波段实现色差校正、场曲和畸变校正，成像质量在两个波段均达到衍射极限。
为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：
本发明提供一种可见光-中波红外无焦光学系统，包括：反射式物镜组和透射式目镜组；
反射式物镜组包括第一反射镜和第二反射镜；透射式目镜组包括场镜组和准直镜组；
第一反射镜设置中心孔；第二反射镜放在第一反射镜的前方，与第一反射镜构成卡塞格林结构；场镜组放置在第一反射镜的中心孔处央，准直镜组放置在场镜组的后方；场镜组和准直镜组由透镜组成；
光束经过第一反射镜和第二反射镜的两次反射后进入场镜组，场镜组用于校正场曲和缩小光束范围，使缩小范围的光束进入准直镜组，准直镜组用于校正色差，经准直镜组折射后以平行光出射。
优选地，场镜组从光束入射方向依次包括：第一场镜、第二场镜和第三场镜，在第一场镜的后方为中间像面；光束经过第一场镜的折射后在中间像面上成像，光束再经过第二场镜和第三场镜的折射后进入准直镜组。
优选地，准直镜组从光束入射方向依次包括：第一准直透镜、第二准直透镜、第三准直透镜和第四准直透镜；第一准直透镜的前表面为凸球面，后表面为凹球面；第二准直透镜的前表面为凹球面，后表面为凸球面；第三准直透镜的前表面为凸球面，后表面为凸球面；第四准直透镜的前表面为凹球面，后表面为凸球面。
优选地，准直镜组的后方为出瞳，光束经过准直镜组的折射后变为平行光，平行光通过出瞳出射。
优选地，第一反射镜和第二反射镜为二次曲面、高次非球面或自由曲面。
优选地，第一反射镜和第二反射镜的材料分别为SiC、铝、微晶玻璃或铍铝合金。
优选地，透射式目镜组中的所有透镜为球面、二次曲面或高次非球面。
优选地，第一场镜的前表面为凸球面，后表面为凹球面；第二场镜的前表面为凹球面，后表面为凸球面；第三场镜的前表面为凹球面，后表面为凸球面；第一场镜和第三场镜的材料为BaF2，第二场镜的材料为ZnS。
优选地，第一准直镜的材料为ZnS，第二准直镜和第三准直镜的材料为BaF2，第四准直镜的材料为SPINEL。
本发明提供的可见光-中波红外无焦光学系统的入瞳直径为D1，出瞳直径为D2，则该光学系统的光束压缩比即为视放大率，也等于其角放大率，其计算公式为：Γ＝-D1/D2，本发明提供的光学系统视放大率满足条件：3≤Γ≤15，入瞳直径D1满足条件：200mm≤D1≤600mm。
与现有的技术相比，本发明具有如下有益效果：
1)大口径、多波段、共口径；
本发明提出的光学系统为同轴折反光学结构，利用不同光学材料的合理匹配，使系统能够同时对可见、中波红外波段进行高质量成像，从而具有大口径、多波段、共口径的优点。
2)结构紧凑，适装性好；
本发明主次镜在同一光轴上，中间像面处设置场镜组校正场曲，再通过准直镜组校正色差，结构紧凑，装配容易实现。
3)成像质量好，传递函数高，畸变小；
本发明利用光学镜组的合理设计及匹配，可实现较大的角放大倍率，成像质量在可见光和中波红外波段均接近衍射极限；畸变量较小，可见光波段仅为0.017％，中波红外波段仅为0.025％。
附图说明
图1是根据本发明实施例提供的可见光-中波红外无焦光学系统结构示意图。
图2是根据本发明实施例提供的可见光-中波红外无焦光学系统在可见光波段的MTF曲线示意图。
图3是根据本发明实施例提供的可见光-中波红外无焦光学系统在中波红外波段的MTF曲线示意图。
图4是根据本发明实施例提供的可见光-中波红外无焦光学系统在可见光波段的场曲和畸变曲线示意图。
图5是根据本发明实施例提供的可见光-中波红外无焦光学系统在中波红外波段的场曲和畸变曲线示意图。
图6是根据本发明实施例提供的可见光-中波红外无焦光学系统在宽波段的颜色离焦曲线示意图。
其中的附图标记包括：第一反射镜1、第二反射镜2、场镜组3、第一场镜31、第二场镜32、第三场镜33、准直镜组4、第一准直透镜41、第二准直透镜42、第三准直透镜43、第四准直透镜44、中间像面5和出瞳6。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
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。
图1示出了根据本发明实施例提供的可见光-中波红外无焦光学系统结构。
如图1所示，可见光-中波红外无焦光学系统结构包括：反射式物镜组、透射式目镜组、中间像面5和出瞳6。该光路可将来自目标的入射平行宽光束压缩呈平行细光束，无焦光学系统后放置成像物镜，实现光学系统成像，成像物镜可为单波段(可见光或中波红外)物镜，也可为多波段(可见光和中波红外)物镜。
反射式物镜组包括：第一反射镜1和第二反射镜2。
光学系统的入瞳或孔径光阑均位于第一反射镜1上，第二反射镜2位于第一反射镜1的前方，第一反射镜1与第二反射镜2的反射面相反。第一反射镜1和第二反射镜2均为二次曲面，其中，第一反射镜1为抛物面，光焦度为正；第二反射镜2为双曲面，光焦度为负。第一反射镜1和第二反射镜2也可以为高次非球面或自由曲面。第一反射镜1设置有中心孔。第一反射镜1和第二反射镜2采用SiC、铝、微晶玻璃、铍铝合金等材料。
透射式目镜组包括：场镜组3和准直镜组4。透射式目镜组中的所有透镜均为球面、二次曲面或高次非球面。场镜组3放置在第一反射镜1的中心孔中央，位于反射式物镜组的中间像面5处，用于校正物镜组和目镜组产生的场曲，同时控制出瞳位置。准直镜组4放置在场镜组3的后方。本发明实施例提供的场镜组3和准直镜组4中的透镜均为标准球面透镜。
场镜组3包括：第一场镜31、第二场镜32和第三场镜33。第一场镜31和第三场镜33均采用BaF2材料，第二场镜32采用ZnS材料。
准直镜组4包括：第一准直透镜41、第二准直透镜42、第三准直透镜43和第四准直透镜44。为了校正色差至少要选取3种材料，第一种材料氟化钡用于正透镜，第二种材料为硫化锌或硒化锌用作负透镜，第三种材料为尖晶石或蓝宝石或YAG晶体材料用作负透镜。在本发明提供的实施例中，第一准直镜41采用ZnS材料，第二准直镜42和第三准直镜43采用BaF2(氟化钡)材料，第四准直镜44采用SPINEL(尖晶石)材料。通过上述材料的使用，可在可见光波段和中波红外波段同时实现色差校正。
入射光经第一反射镜1和第二反射镜2的两次反射后，进入场镜组3内的第一场镜31。在中间像面5成像后经过第二场镜32和第三场镜33缩小光束范围，使得光束进入准直镜组4，经过准直镜组4的折射后，通过出瞳6以平行光出射，出瞳6既可为望远镜头的出瞳，也可作为后继的快速反射镜位置用于像移补偿。
可见光波段和中波红外波段成像非完全共焦，可见光为平面波，而中波红外为准平面波，或可见光为准平面波，中波红外为平面，本发明提供的实施例为前者。
本发明实施例提供的可见光-中波红外无焦光学系统技术指标如下：工作波段：可见光波段0.6μm-0.8μm，红外波段3.7μm-4.8μm；入瞳直径：250mm；视场角：Φ＝1.5°；视放大率：-7.500×(可见)；-7.466×(红外)。
图2示出了根据本发明实施例提供的可见光-中波红外无焦光学系统在可见光波段的MTF曲线。
图3示出了根据本发明实施例提供的可见光-中波红外无焦光学系统在中波红外波段的MTF曲线。
如图2和图3所示，在可见光波段和中波红外波段成像质量均已经达到衍射极限。
图4示出了根据本发明实施例提供的可见光-中波红外无焦光学系统在可见光波段的场曲和畸变曲线。
图5示出了根据本发明实施例提供的可见光-中波红外无焦光学系统在中波红外波段的场曲和畸变曲线。
如图4和图5所示，本发明提供的光学系统在可见光波段和中波红外波段的成像畸变较小。
图6示出了根据本发明实施例提供的可见光-中波红外无焦光学系统在宽波段的颜色离焦曲线。
如图6所示，本发明提供的光学系统在在可见光波段和中波红外波段的色差都进行了校正。
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 (8)

1.一种可见光-中波红外无焦光学系统，其特征在于，包括：反射式物镜组和透射式目镜组；
所述反射式物镜组包括第一反射镜和第二反射镜；所述透射式目镜组包括场镜组和准直镜组；
所述第一反射镜设置中心孔；所述第二反射镜放在所述第一反射镜的前方，与所述第一反射镜构成卡塞格林结构；所述场镜组放置在所述第一反射镜的中心孔处，所述准直镜组放置在所述场镜组的后方；所述场镜组和所述准直镜组由透镜组成；
光束经过所述第一反射镜和所述第二反射镜的两次反射后进入所述场镜组，所述场镜组用于校正场曲和缩小所述光束范围，使缩小范围的光束进入所述准直镜组，所述准直镜组用于校正色差，经所述准直镜组折射后以平行光出射；
所述准直镜组从所述光束入射方向依次包括：第一准直透镜、第二准直透镜、第三准直透镜和第四准直透镜；所述第一准直透镜的前表面为凸球面，后表面为凹球面；所述第二准直透镜的前表面为凹球面，后表面为凸球面；所述第三准直透镜的前表面为凸球面，后表面为凸球面；所述第四准直透镜的前表面为凹球面，后表面为凸球面；
所述场镜组从所述光束入射方向依次包括：第一场镜、第二场镜和第三场镜，所述第一场镜的前表面为凸球面，后表面为凹球面；所述第二场镜的前表面为凹球面，后表面为凸球面；所述第三场镜的前表面为凹球面，后表面为凸球面；
本发明提供的光学系统的工作波段为：可见光波段为0.6μm-0.8μm，红外波段为3.7μm-4.8μm；入瞳直径为250mm；视场角为1.5°；可见光波段和红外光波段的视放大率分别为-7.500×和-7.466×。
2.根据权利要求1所述的可见光-中波红外无焦光学系统，其特征在于，所述场镜组从所述光束入射方向依次包括：第一场镜、第二场镜和第三场镜，在所述第一场镜的后方为中间像面；所述光束经过所述第一场镜的折射后在所述中间像面上成像，所述光束再经过第二场镜和第三场镜的折射后进入所述准直镜组。
3.根据权利要求2所述的可见光-中波红外无焦光学系统，其特征在于，所述准直镜组的后方为出瞳，所述光束经过所述准直镜组的折射后变为平行光，所述平行光通过所述出瞳出射。
4.根据权利要求3所述的可见光-中波红外无焦光学系统，其特征在于，所述第一反射镜和第二反射镜为二次曲面、高次非球面或自由曲面。
5.根据权利要求4所述的可见光-中波红外无焦光学系统，其特征在于，所述第一反射镜和第二反射镜的材料分别为SiC、铝、微晶玻璃或铍铝合金。
6.根据权利要求5所述的可见光-中波红外无焦光学系统，其特征在于，所述透射式目镜组中的所有透镜为球面、二次曲面或高次非球面。
7.根据权利要求6所述的可见光-中波红外无焦光学系统，其特征在于，所述第一场镜和所述第三场镜的材料为BaF2，所述第二场镜的材料为ZnS。
8.根据权利要求7所述的可见光-中波红外无焦光学系统，其特征在于，所述第一准直镜的材料为ZnS，所述第二准直镜和所述第三准直镜的材料为BaF2，所述第四准直镜的材料为SPINEL。
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