CN116107064A - 一种单镜头分孔径共焦面光学成像系统 - Google Patents

一种单镜头分孔径共焦面光学成像系统 Download PDF

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一种单镜头分孔径共焦面光学成像系统，沿光轴由物侧至像侧依次包括遮光阑、楔形镜、透镜一、透镜二、透镜三及胶合透镜、保护窗；在透镜一与透镜二之间设有遮光片一，在胶合透镜与保护窗之间设有遮光片二。本发明相比较传统的共焦面分幅成像，结构简单，所用的光学元件少，成像质量好，极大减小了传统共焦面分幅成像系统的外形尺寸。

Description

一种单镜头分孔径共焦面光学成像系统
技术领域
本发明属于光学系统技术领域，具体涉及一种单镜头分孔径共焦面光学成像系统。
背景技术
分幅成像是将一个场景在成像过程中分为多个相同的场景图像，再通过对场景图像进行光谱、振幅、偏振等维度的分割，获取多个光谱、振幅或偏振图像。分幅成像通常采用半透反棱镜（振幅分光）或光瞳面分孔径光束的方式，分幅后的图像通过多个光电接收器进行接收，其原理如图1、图2所示。这两种分幅方式需要多个光电接收器而导致尺寸大，结构复杂。
共焦面是指将分幅图像成像在同一平面内，使用时采用一个光电接收器采集同一平面内图像，见图3。现有的共焦面采用阵列透镜的方式，其结构如图4所示。图4中，物镜将场景成像在中间像面，经目镜准直为平行光，目镜后方的光瞳面位置放置多个阵列透镜，经阵列透镜后形成多个场景图像。为了避免多个场景图像在成像面出现混叠，在物镜后方的中间像面放置视场光阑，限制成像范围。图4的共焦面分幅成像设计复杂，后端需要微小的阵列透镜，前方需要匹配望远系统和视场光阑，使得分幅成像系统结构复杂，外形尺寸庞大，难以小型化。
发明内容
本发明的目的是提供一种单镜头分孔径共焦面光学成像系统，相比较传统的共焦面分幅成像，结构简单，所用的光学元件少，成像质量好，极大减小了传统共焦面分幅成像系统的外形尺寸。
本发明采取的技术方案是：
一种单镜头分孔径共焦面光学成像系统，沿光轴由物侧至像侧依次包括遮光阑、楔形镜、透镜一、透镜二、透镜三及胶合透镜、保护窗；在透镜一与透镜二之间设有遮光片一，在胶合透镜与保护窗之间设有遮光片二。
进一步的，所述遮光阑孔径为22~30mm，遮光阑沿光轴与楔形镜距离17~24mm。
进一步的，所述楔形镜由两个楔形块对接而成，端部厚度4~8mm，斜面与垂直面夹角6~10°，楔形镜沿光轴与透镜一的距离为5~8mm。
进一步的，所述透镜一为平凹负透镜，物侧面半径为18~21mm，像侧面为平面，沿光轴中心厚度2~6mm，透镜一沿光轴与透镜二距离3~5.2mm。
进一步的，所述透镜二为弯月正透镜，物侧面半径和像侧面半径分别为30.5~32mm、24~27mm，沿光轴中心厚度6~10mm，透镜二沿光轴与透镜三距离1~1.5mm。
进一步的，所述透镜三为双凸正透镜，物侧面半径和像侧面半径分别为110~120mm、40~45mm，沿光轴中心厚度9~12mm，透镜三沿光轴与胶合透镜距离1.3~1.7mm。
进一步的，所述胶合透镜物侧面半径、中间面半径分别为41~46mm、49~55mm，像侧面为平面；物测面至中间面中心厚度为9~14mm，中间面至像侧面中心厚度为2~7mm。
进一步的，所述遮光片一为矩形，长度为30~35mm，宽度为4~5mm，沿光轴与透镜一距离1mm。
进一步的，所述遮光片二为直角梯形，高度为42~48mm，上底宽度为19mm，下底宽度为42mm。
进一步的，所述楔形镜采用HZK9B材质，透镜一采用HBAK8材质，透镜二采用HZK9B材质，透镜三采用HZK9B材质，胶合透镜采用HZK9B和HZF88材质。
本发明的有益效果：
本发明在系统中设计了两块对接的楔形镜，每块端部宽、中间窄，可以将分孔径的光向两侧平移，将中心场景成像至分幅区域中心；再通过透镜一、透镜二、透镜三及胶合透镜的尺寸及间隔优化组合，构成了单一的成像物镜（目前技术达到同样效果需要多个成像物镜才能实现，造成系统尺寸过大），同时，该成像物镜的入瞳位于镜头前端，采用一个物镜和楔形镜组就能实现分幅；另外，设置了两个遮光片，遮光片一、遮光片二共同作用避免图像串扰，以及设计的像方视场为光电接收器全幅面，包含共焦面分幅区域的总和。以上各个部件共同发挥作用，不仅使得光路大幅简化，实现了小型化，而且减少了各分幅图像的混叠，成像效果更好。
附图说明
图1是振幅分光示意图；
图2是孔径分光示意图；
图3是共焦面分幅图像示意图；
图4是基于阵列透镜的共焦面分幅成像；
图5是本发明单镜头分孔径共焦面分幅光学成像系统；
图6是楔形镜示意图；
图7是分幅成像光路图（单个楔形镜支路的效果），楔形镜对光瞳处的上半部分光束进行分光折转，经过镜头后的下视场下边缘光束接近垂直入射像面；
图5中，1、遮光阑，2、楔形镜，3、透镜一，4、透镜二，5、透镜三，6、胶合透镜，7、保护窗，8、遮光片一，9、遮光片二。
具体实施方式
实施例1：如图5~图7所示，一种单镜头分孔径共焦面光学成像系统，沿光轴由物侧至像侧依次包括遮光阑1、楔形镜2、透镜一3、透镜二4、透镜三5及胶合透镜6、保护窗7；在透镜一3与透镜二4之间设有遮光片一8，在胶合透镜6与保护窗7之间设有遮光片二9。
所述遮光阑1孔径为22mm，遮光阑1沿光轴与楔形镜2距离17mm。
所述楔形镜2由两个楔形块对接而成，端部厚度4mm，斜面与垂直面夹角6°，楔形镜2沿光轴与透镜一3的距离为5mm。
所述透镜一3为平凹负透镜，物侧面半径为18mm，像侧面为平面，沿光轴中心厚度2mm，透镜一3沿光轴与透镜二4距离3mm。
所述透镜二4为弯月正透镜，物侧面半径和像侧面半径分别为30.5mm、24mm，沿光轴中心厚度6mm，透镜二4沿光轴与透镜三5距离1mm。
所述透镜三5为双凸正透镜，物侧面半径和像侧面半径分别为110mm、40mm，沿光轴中心厚度9mm，透镜三5沿光轴与胶合透镜6距离1.3mm。
所述胶合透镜6物侧面半径、中间面半径分别为41mm、49mm，像侧面为平面；物测面至中间面中心厚度为9mm，中间面至像侧面中心厚度为2mm。
所述遮光片一8为矩形，长度为30mm，宽度为4mm，沿光轴与透镜一3距离1mm。
所述遮光片二9为直角梯形，高度为42mm，上底宽度为19mm，下底宽度为42mm。
所述楔形镜2采用HZK9B材质，透镜一3采用HBAK8材质，透镜二4采用HZK9B材质，透镜三5采用HZK9B材质，胶合透镜6采用HZK9B和HZF88材质。
实施例2：如图5~图7所示，一种单镜头分孔径共焦面光学成像系统，沿光轴由物侧至像侧依次包括遮光阑1、楔形镜2、透镜一3、透镜二4、透镜三5及胶合透镜6、保护窗7；在透镜一3与透镜二4之间设有遮光片一8，在胶合透镜6与保护窗7之间设有遮光片二9。
所述遮光阑1孔径为26mm，遮光阑1沿光轴与楔形镜2距离20mm。
所述楔形镜2由两个楔形块对接而成，相接面涂黑漆密接在一起，端部厚度5mm，斜面与垂直面夹角8°，楔形镜2沿光轴与透镜一3距离6mm。
所述透镜一3为平凹负透镜，物侧面半径为19.75mm，像侧面为平面，沿光轴中心厚度3mm，透镜一3沿光轴与透镜二4距离4.11mm。
所述透镜二4为弯月正透镜，物侧面半径和像侧面半径分别为31.9mm、25mm，沿光轴中心厚度7mm，透镜二4沿光轴与透镜三5距离1mm。
所述透镜三5为双凸正透镜，物侧面半径和像侧面半径分别为117mm、42mm，沿光轴中心厚度10mm，透镜三5沿光轴与胶合透镜6距离1.6mm。
所述胶合透镜6物侧面半径、中间面半径分别为44mm、51mm，像侧面为平面。物测面至中间面中心厚度为10mm，中间面至像侧面中心厚度为4mm。
所述遮光片一8为矩形，长度为32mm，宽度为4mm，沿光轴与透镜一3距离1mm。
所述遮光片二9为直角梯形，高度为46mm，上底宽度为19mm，下底宽度为42mm。
所述楔形镜2采用HZK9B材质，透镜一3采用HBAK8材质，透镜二4采用HZK9B材质，透镜三5采用HZK9B材质，胶合透镜6采用HZK9B和HZF88材质。
实施例3：如图5~图7所示，一种单镜头分孔径共焦面光学成像系统，沿光轴由物侧至像侧依次包括遮光阑1、楔形镜2、透镜一3、透镜二4、透镜三5及胶合透镜6、保护窗7；在透镜一3与透镜二4之间设有遮光片一8，在胶合透镜6与保护窗7之间设有遮光片二9。
所述遮光阑1孔径为30mm，遮光阑1沿光轴与楔形镜2距离24mm。
所述楔形镜2由两个楔形块对接而成，端部厚度8mm，斜面与垂直面夹角10°，楔形镜2沿光轴与透镜一3的距离为8mm。
所述透镜一3为平凹负透镜，物侧面半径为21mm，像侧面为平面，沿光轴中心厚度6mm，透镜一3沿光轴与透镜二4距离5.2mm。
所述透镜二4为弯月正透镜，物侧面半径和像侧面半径分别为32mm、27mm，沿光轴中心厚度10mm，透镜二4沿光轴与透镜三5距离1.5mm。
所述透镜三5为双凸正透镜，物侧面半径和像侧面半径分别为120mm、45mm，沿光轴中心厚度12mm，透镜三5沿光轴与胶合透镜6距离1.7mm。
所述胶合透镜6物侧面半径、中间面半径分别为46mm、55mm，像侧面为平面；物测面至中间面中心厚度为14mm，中间面至像侧面中心厚度为7mm。
所述遮光片一8为矩形，长度为35mm，宽度为5mm，沿光轴与透镜一3距离1mm。
所述遮光片二9为直角梯形，高度为48mm，上底宽度为19mm，下底宽度为42mm。
所述楔形镜2采用HZK9B材质，透镜一3采用HBAK8材质，透镜二4采用HZK9B材质，透镜三5采用HZK9B材质，胶合透镜6采用HZK9B和HZF88(平凹状部分)材质。
本发明可应用于多光谱成像、全偏振光学成像、高动态成像、双目立体成像等方面，相比较传统方法，如专利文献CN 105352603A，本申请实施例3系统尺寸（三个实施例中，实施例3系统尺寸最大）可缩小50%以上，光学元件数量减少60%以上，因而可应用于多种微型化需求的平台。

Claims (10)

1.一种单镜头分孔径共焦面光学成像系统，其特征在于，沿光轴由物侧至像侧依次包括遮光阑（1）、楔形镜（2）、透镜一（3）、透镜二（4）、透镜三（5）及胶合透镜（6）、保护窗（7）；在透镜一（3）与透镜二（4）之间设有遮光片一（8），在胶合透镜（6）与保护窗（7）之间设有遮光片二（9）。
2.如权利要求1所述的一种单镜头分孔径共焦面光学成像系统，其特征在于，所述遮光阑（1）孔径为22~30mm，遮光阑（1）沿光轴与楔形镜（2）距离17~24mm。
3.如权利要求1所述的一种单镜头分孔径共焦面光学成像系统，其特征在于，所述楔形镜（2）由两个楔形块对接而成，端部厚度4~8mm，斜面与垂直面夹角6~10°，楔形镜（2）沿光轴与透镜一（3）的距离为5~8mm。
4.如权利要求1所述的一种单镜头分孔径共焦面光学成像系统，其特征在于，所述透镜一（3）为平凹负透镜，物侧面半径为18~21mm，像侧面为平面，沿光轴中心厚度2~6mm，透镜一（3）沿光轴与透镜二（4）距离3~5.2mm。
5.如权利要求1所述的一种单镜头分孔径共焦面光学成像系统，其特征在于，所述透镜二（4）为弯月正透镜，物侧面半径和像侧面半径分别为30.5~32mm、24~27mm，沿光轴中心厚度6~10mm，透镜二（4）沿光轴与透镜三（5）距离1~1.5mm。
6.如权利要求1所述的一种单镜头分孔径共焦面光学成像系统，其特征在于，所述透镜三（5）为双凸正透镜，物侧面半径和像侧面半径分别为110~120mm、40~45mm，沿光轴中心厚度9~12mm，透镜三（5）沿光轴与胶合透镜（6）距离1.3~1.7mm。
7.如权利要求1所述的一种单镜头分孔径共焦面光学成像系统，其特征在于，所述胶合透镜（6）物侧面半径、中间面半径分别为41~46mm、49~55mm，像侧面为平面；物测面至中间面中心厚度为9~14mm，中间面至像侧面中心厚度为2~7mm。
8.如权利要求1所述的一种单镜头分孔径共焦面光学成像系统，其特征在于，所述遮光片一（8）为矩形，长度为30~35mm，宽度为4~5mm，沿光轴与透镜一（3）距离1mm。
9.如权利要求1所述的一种单镜头分孔径共焦面光学成像系统，其特征在于，所述遮光片二（9）为直角梯形，高度为42~48mm，上底宽度为19mm，下底宽度为42mm。
10.如权利要求1所述的一种单镜头分孔径共焦面光学成像系统，其特征在于，所述楔形镜（2）采用HZK9B材质，透镜一（3）采用HBAK8材质，透镜二（4）采用HZK9B材质，透镜三（5）采用HZK9B材质，胶合透镜（6）采用HZK9B和HZF88材质。
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