CN117331217A - 一种紧凑型多光谱共孔径长焦成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学系统技术领域，具体涉及一种紧凑型多光谱共孔径长焦成像系统，本发明的中波红外、近红外电视和激光光斑监测三个波段共用主镜，次镜、折转反射镜和分光镜，分光镜反射近红外与激光，透射中波红外。经分光镜分光后独立为中波红外和近红外电视两个单波段光路，后端光路采用纯折射式系统，布置于主镜背后，CMOS黑白相机前设置滤光片，用于近红外成像与激光光斑监测切换。本发明能够在紧凑的尺寸重量约束下，实现中波红外、近红外电视与激光光斑监测共孔径成像，在球径460mm以内光电吊舱，三个波段焦距均可达1m以上。

Description

一种紧凑型多光谱共孔径长焦成像系统

技术领域

本发明属于光学系统技术领域，具体涉及一种紧凑型多光谱共孔径长焦成像系统。

背景技术

光电吊舱是先进战机的重要载荷之一，主要为载机提供光学搜索侦察、目标识别跟踪和目标指示定位等能力支持。由于被探测目标辐射特性以及目标伪装等因素，单一波段光学系统获得的信息量相对较少。在探测过程中，如果目标的辐射特性发生变化，成像系统很容易丢失目标或探测精度下降，可能形成假信号。双波段光学系统可以同时获得两个波段内目标的辐射信息，有效的避免了上述情况的发生。因此光电吊舱通常包含红外热像仪和电视摄像机等独立传感器组件。目前对传感器作用距离要求的持续提升促使红外热像仪和电视摄像机选择更长的焦距，更长的焦距意味着更大的通光口径，这与光电吊舱尺寸重量约束之间的矛盾愈加突出。

在共孔径成像方面，发表于期刊索引Proc.of SPIE Vol.6940,69400S,(2008)题为Third Generation Infrared Optics的文章公开了一种中波红外和长波红外的双波段共孔径成像系统，共用离轴三反系统，分光位于平行光路；发表于期刊索引Proc.of SPIEVol.9677 96771O-2题为Optical system design for the aerial camera with dualband,common optical path,long focal,oblique view and focusing的文章公开了一种中波红外和近红外共孔径成像系统，空间利用率低，且无激光监测成像，目前尚无紧凑型多光谱共孔径长焦成像系统，因此针对此的研究具有重要意义。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种紧凑型多光谱共孔径长焦成像系统，能够在紧凑的尺寸重量约束下，实现中波红外、近红外电视与激光光斑监测共孔径成像，在球径460mm以内光电吊舱，三个波段焦距均可达1m以上。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种紧凑型多光谱共孔径长焦成像系统，包括主镜、次镜、折转反射镜、分光镜、补偿平板、中波红外后端镜组、中波红外制冷探测器、近红外电视后端镜组、滤光片和CMOS黑白相机；

主镜、次镜、折转反射镜、分光镜、补偿平板、中波红外后端镜组和中波红外制冷探测器组成中波红外长焦成像系统；主镜、次镜、折转反射镜、分光镜、镜组、滤光片和CMOS黑白相机组成近红外波段和激光光斑监测波段长焦成像系统；

中波红外、近红外电视和激光光斑监测三个波段的光线共用主镜、次镜、折转反射镜和分光镜；分光镜反射近红外波段和激光光斑监测波段的光线，并透射中波红外波段的光线；所述分光镜反射的光线进入近红外电视后端镜组，所述分光镜透射的光线进入中波红外后端镜组；中波红外后端镜组和近红外电视后端镜组均采用纯折射式系统，均布置于主镜背后；CMOS黑白相机前设置所述滤光片，滤光片用于近红外成像与激光光斑监测切换。

进一步的，中波红外工作波段为3.7μm-4.8μm，近红外电视工作波段为0.6μm-0.9μm，激光工作波段为1.064μm。

进一步的，主镜面型为抛物面，次镜面型为二次曲面；折转反射镜将光路折转到主镜背后紧凑排布，主镜、次镜和折转反射镜构型为卡塞格林系统，紧凑型多光谱共孔径长焦成像系统的中心视场成完善像。

进一步的，分光镜为沿局部X轴旋转45度的平行平板，前表面镀分光膜，后表面镀增透膜，透射中波红外，反射近红外和激光。

进一步的，红外光路在一次像面后放置补偿平板，补偿平板为厚度和材料与分光镜完全相同的沿局部Y轴旋转45度的平行平板；分光镜与补偿平板的主要像差互相补偿。

进一步的，中波红外后端镜组用于实现三次成像；近红外电视后端镜组用于实现二次成像；中波红外后端镜组和近红外电视后端镜组中均设置有调焦镜。

进一步的，近红外电视后端镜组的镜片均镀有600-900nm与1064±50nm增透膜；

所述滤光片为两组，一组的工作波段为600-900nm，另一组的工作波段为1064±50nm；

所述紧凑型多光谱共孔径长焦成像系统基于切换滤光片分别实现600-900nm与1064±50nm的成像。

本发明的有益效果：

能够在紧凑的尺寸重量约束下，实现中波红外、近红外电视与激光光斑监测共孔径成像，在球径460mm以内光电吊舱，三个波段焦距均可达1m以上。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明一种紧凑型多光谱共孔径长焦成像系统示意图。

图2是共孔径卡塞格林系统光路追迹图。

图3是共孔径卡塞格林系统光路轴上传递函数图。

图4是红外光路追迹图。

图5是红外光路传递函数图。

图6是电视光路追迹图。

图7是近红外波段传递函数图。

图8是激光波段传递函数图。

其中：1、主镜；2、次镜；3、折转反射镜；4、分光镜；5、补偿平板；6、中波红外后端镜组；7、中波红外制冷探测器；8、近红外电视后端镜组；9、滤光片；10、CMOS黑白相机。

具体实施方式

下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。

还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本公开的基本构想，图式中仅显示与本公开中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。

在本发明的一个实施例中，提出一种紧凑型多光谱共孔径长焦成像系统，包括主镜1、次镜2、折转反射镜3、分光镜4、补偿平板5、中波红外后端镜组6、中波红外制冷探测器7、近红外电视后端镜组8、滤光片9和CMOS黑白相机10；

主镜1、次镜2、折转反射镜3、分光镜4、补偿平板5、中波红外后端镜组6和中波红外制冷探测器7组成中波红外长焦成像系统；主镜1、次镜2、折转反射镜3、分光镜4、镜组、滤光片9和CMOS黑白相机10组成近红外波段和激光光斑监测波段长焦成像系统；

中波红外、近红外电视和激光光斑监测三个波段的光线共用主镜1、次镜2、折转反射镜3和分光镜4；分光镜4反射近红外波段和激光光斑监测波段的光线，并透射中波红外波段的光线；分光镜4反射的光线进入近红外电视后端镜组8，分光镜4透射的光线进入中波红外后端镜组6；中波红外后端镜组6和近红外电视后端镜组8均采用纯折射式系统，均布置于主镜1背后；CMOS黑白相机10前设置滤光片9，滤光片9用于近红外成像与激光光斑监测切换。

在本实施例中，中波红外工作波段为3.7μm-4.8μm，近红外电视工作波段为0.6μm-0.9μm，激光工作波段为1.064μm。

在本实施例中，主镜1面型为抛物面，次镜2面型为二次曲面；折转反射镜3将光路折转到主镜1背后紧凑排布，主镜1、次镜2和折转反射镜3构型为卡塞格林系统，紧凑型多光谱共孔径长焦成像系统的中心视场成完善像。

在本实施例中，分光镜4为沿局部X轴旋转45度的平行平板，前表面镀分光膜，后表面镀增透膜，透射中波红外，反射近红外和激光。

在本实施例中，红外光路在一次像面后放置补偿平板5，补偿平板5为厚度和材料与分光镜4完全相同的沿局部Y轴旋转45度的平行平板；分光镜4与补偿平板5的主要像差互相补偿。

在本实施例中，中波红外后端镜组6用于实现三次成像；近红外电视后端镜组8用于实现二次成像；中波红外后端镜组6和近红外电视后端镜组8中均设置有调焦镜。

在本实施例中，近红外电视后端镜组8的镜片均镀有600-900nm与1064±50nm增透膜；

滤光片9为两组，一组的工作波段为600-900nm，另一组的工作波段为1064±50nm；

紧凑型多光谱共孔径长焦成像系统基于切换滤光片9分别实现600-900nm与1064±50nm的成像。

本实施例的中波红外(MWIR)、近红外电视(NIR)和激光光斑监测(LASER)三个波段共用主镜1，次镜2、折转反射镜3和分光镜4，分光镜4反射近红外波段，透射中波红外波段。经分光镜4分光后独立为中波红外和近红外电视两个单波段光路，后端光路采用纯折射式系统，布置于主镜1背后，CMOS黑白相机10前设置滤光片9，用于近红外成像与激光光斑监测切换。

本实施例的波段分布如下：

中波红外：3.7μm-4.8μm；

近红外：0.6μm-0.9μm；

激光：1.064μm。

主镜1为抛物面，次镜2为二次曲面，折转反射镜3将光路折转到主镜1背后紧凑排布，主镜1、次镜2和折转反射镜3构型卡塞格林系统，轴上成完善像。

分光镜4为沿局部X轴旋转45度的平行平板，前表面镀分光膜，后表面镀增透膜，透射中波红外(MWIR)，反射近红外和激光(LASER)。

红外光路在一次像面后放置补偿平板5，补偿平板5为厚度、材料与分光镜4完全相同的沿局部Y轴旋转45度的平行平板，两块平行平板主要像差互相补偿。

利用中波红外后端镜组6实现三次成像、利用近红外电视后端镜组8实现二次成像，两个光路均设置调焦镜。

近红外电视光路镜片镀600-900nm与1064±50nm增透膜，并设置滤光片9，通过切换滤光片9具有黑白(600-900nm)和激光光斑监测(1064±50nm)两个成像波段。

本实施例的技术指标如下。

A近红外/激光模式：

近红外/激光模式采用CMOS黑白相机10，分辨率1920×1080，像元尺寸4.5μm，光学系统设计参数如下：

1)工作波段：0.6μm～0.9μm/1064±20nm；

2)视场：0.43°×0.24°；

3)F数最大值：≤6.4；

4)MTF：>0.24@110lp/mm(轴上)

>0.16@110lp/mm(轴外)。

B中波红外模式：

中波红外模式采用中波制冷探测器，分辨率640×512，像元尺寸15μm，光学系统设计参数如下：

1)工作波段：3.7μm～4.8μm；

2)视场：0.54°×0.43°；

3)F数：5.5；

4)MTF：>0.18@29lp/mm(轴上)；

>0.15@29lp/mm(轴外)。

请参阅图1。一种紧凑型多光谱共孔径长焦成像系统，包括主镜1、次镜2、折转反射镜3、分光镜4、补偿平板5、中波红外后端镜组6、中波红外制冷探测器7、近红外电视后端镜组8、滤光片9和CMOS黑白相机10等组成。中波红外(MWIR)、近红外电视(NIR)和激光光斑监测(LASER)三个波段共用主镜1，次镜2、折转反射镜3和分光镜4，分光镜4反射近红外波段，透射中波红外波段。经分光镜4分光后独立为中波红外和近红外电视两个单波段光路，后端光路采用纯折射式系统，布置于主镜1背后，CMOS黑白相机10前设置滤光片9，用于近红外成像与激光光斑监测切换。

共用前组为纯反射式卡塞格林系统，经分光镜4分光后独立为中波红外和近红外/激光两个单视场光路，后端光路采用纯折射式系统，在紧凑结构空间条件下，合理的选择光学参数、平衡像差、公差优化，从而保证高质量成像。

请同时参阅图1和图2，共孔径卡式系统包含主镜1、次镜2和折转反射镜3三个光学元件，其中主镜1为旋转对称抛物面，次镜2为旋转对称二次曲面，折转反射镜3为平面反射镜。来自目标场景的光线经主镜1会聚后入射到次镜2，次镜2将主镜1焦距放大后成像于主镜1背后，折转反射镜3用来折转光路，方便后端电视光路和后端红外光路在主镜1背后布置。

如图3所示，轴上视场在共孔径卡式系统焦面处成完善像，MTF接近衍射极限，可以作为装配环节控制监测装调质量。

请同时参阅图1、图2和图4，分光镜4为沿局部X轴旋转45度的平行平板，前表面镀分光膜，后表面镀增透膜，透射中波红外(MWIR)，反射近红外和激光(LASER)。

如图4所示红外光路在一次像面后放置补偿平板5，补偿平板5为厚度、材料与分光镜4完全相同的沿局部Y轴旋转45度的平行平板，两块平行平板主要像差互相补偿。

如图4所示，利用中波红外后端镜组6实现三次成像，详情如下补偿平板5后为L型中继镜组，将一次像面成像在探测器焦平面上。探测器冷屏作为红外光学系统光阑，通过合理选择优化设计参数，使光学系统入瞳位于主镜1附近，从而最小化系统尺寸。中继镜组中选择一片透镜作为调焦镜组，补偿近景成像与高低温等造成的离焦。如图5所示，光学系统常温(20℃)下传函，轴上MTF>0.18@29lp/mm，轴外MTF>0.15@29lp/mm，接近衍射极限，满足设计要求。

如图6所示，利用近红外电视后端镜组8实现二次成像，折转反射镜3将光路转到主镜1背面后，可见光光线被反射到后端电视组件。在一次像面处设置视场光阑，一次像面后为L型中继镜组，将一次像面成像在相机焦平面上，并且合理选择参数，系统中设计可变光阑，并且使整个超小视场电视光学系统入瞳位于主镜1附近，最小化系统尺寸。中继镜组第一片透镜作为调焦镜组，补偿近景成像与高低温等造成的离焦。如图7所示，光学系统常温(20℃)下黑白波段传函如下图所示。由图可知，该光学系统轴上MTF优于0.24，轴外MTF大于0.16，接近衍射极限，满足设计要求。

如图6所示，设计要求覆盖光斑监测波段1064±30nm，通过切换滤光片9实现激光光斑监测功能。当电视光路工作在激光波段时，利用调焦镜补偿工作波段切换的离焦，补偿后的MTF见图8所示，图中MTF接近衍射极限，满足激光光斑监测需求。

以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种紧凑型多光谱共孔径长焦成像系统，其特征在于：包括主镜、次镜、折转反射镜、分光镜、补偿平板、中波红外后端镜组、中波红外制冷探测器、近红外电视后端镜组、滤光片和CMOS黑白相机；

主镜、次镜、折转反射镜、分光镜、补偿平板、中波红外后端镜组和中波红外制冷探测器组成中波红外长焦成像系统；主镜、次镜、折转反射镜、分光镜、镜组、滤光片和CMOS黑白相机组成近红外波段和激光光斑监测波段长焦成像系统；

中波红外、近红外电视和激光光斑监测三个波段的光线共用主镜、次镜、折转反射镜和分光镜；分光镜反射近红外波段和激光光斑监测波段的光线，并透射中波红外波段的光线；所述分光镜反射的光线进入近红外电视后端镜组，所述分光镜透射的光线进入中波红外后端镜组；中波红外后端镜组和近红外电视后端镜组均采用纯折射式系统，均布置于主镜背后；CMOS黑白相机前设置所述滤光片，滤光片用于近红外成像与激光光斑监测切换。

2.根据权利要求1所述的一种紧凑型多光谱共孔径长焦成像系统，其特征在于：中波红外工作波段为3.7μm-4.8μm，近红外电视工作波段为0.6μm-0.9μm，激光工作波段为1.064μm。

3.根据权利要求2所述的一种紧凑型多光谱共孔径长焦成像系统，其特征在于：主镜面型为抛物面，次镜面型为二次曲面；折转反射镜将光路折转到主镜背后紧凑排布，主镜、次镜和折转反射镜构型为卡塞格林系统，紧凑型多光谱共孔径长焦成像系统的中心视场成完善像。

4.根据权利要求3所述的一种紧凑型多光谱共孔径长焦成像系统，其特征在于：分光镜为沿局部X轴旋转45度的平行平板，前表面镀分光膜，后表面镀增透膜，透射中波红外，反射近红外和激光。

5.根据权利要求4所述的一种紧凑型多光谱共孔径长焦成像系统，其特征在于：红外光路在一次像面后放置补偿平板，补偿平板为厚度和材料与分光镜完全相同的沿局部Y轴旋转45度的平行平板；分光镜与补偿平板的主要像差互相补偿。

6.根据权利要求5所述的一种紧凑型多光谱共孔径长焦成像系统，其特征在于：中波红外后端镜组用于实现三次成像；近红外电视后端镜组用于实现二次成像；中波红外后端镜组和近红外电视后端镜组中均设置有调焦镜。

7.根据权利要求6所述的一种紧凑型多光谱共孔径长焦成像系统，其特征在于：近红外电视后端镜组的镜片均镀有600-900nm与1064±50nm增透膜；

所述滤光片为两组，一组的工作波段为600-900nm，另一组的工作波段为1064±50nm；

所述紧凑型多光谱共孔径长焦成像系统基于切换滤光片分别实现600-900nm与1064±50nm的成像。