CN117631074A - 一种中波红外与长波红外多光谱成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明一种中波红外与长波红外多光谱成像系统，属于中波红外与长波红外多光谱成像领域；包括分离入射光束的分光镜、沿分光镜透射光路设置的长波红外多光谱成像系统、沿分光镜反射光路设置的中波红外多光谱成像系统；长波红外多光谱成像系统沿光路依次设置有分光镜、四片长波红外折射镜、长波红外多光谱滤光片、长波红外探测器窗口、长波红外探测器冷光阑、长波红外探测器成像面；中波红外多光谱成像系统沿光路依次设置有分光镜、中波红外反射镜、六片中波红外折射镜、中波红外多光谱滤光片、中波红外探测器窗口、中波红外探测器冷光阑、中波红外探测器成像面。本发明通过合理的滤光片布局设计，滤光片实现了小型化设计，有效提升了系统的紧凑化。
Description
技术领域
本发明属于中波红外与长波红外多光谱成像领域，具体涉及一种中波红外与长波红外多光谱成像系统。
背景技术
为实现全天时目标场景探测，更加准确的探测与识别目标，需要成像系统具备多光谱信息获取能力。中波红外及长波红外成像利用目标及场景的辐射特性，具备全天时成像能力。通过对中波红外及长波红外光谱的细分，可更加准确的获取目标场景的谱段信息，从而提升目标识别能力。
由于波段差异较大，且受探测器工作波段等限制，中波红外与长波红外成像系统通常使用独立的成像光路进行探测成像。而远距目标探测系统具有成像口径大、焦距长的特点，为实现成像系统的紧凑化，远距成像系统多采用共用望远镜组和两波段独立会聚成像光路的方式进行成像。由于光路组成较为复杂，为实现成像系统的小型化、高灵敏度探测能力，要求会聚成像光路进行紧凑化、高透过率设计。
中波红外及长波红外波段范围较宽，且红外光学材料可选择性较少，成像系统像差校正难度较大，通常需要增加光学镜片数量及非球面数量保证较好的成像质量，但光学镜片数量的增加，降低了成像系统的透过率，不利于远距目标的探测；非球面数量的增加，增加了光学元件加工，装调难度，不利于成像系统的工程化应用。
多光谱成像系统需要在成像光路中加入不同谱段范围的滤光元件，以实现对目标场景不同谱段信息的获取，而滤光元件尺寸直接决定了多光谱切换机构的尺寸，因此多光谱成像系统滤光元件尺寸需进行小尺寸设计。
发明内容
要解决的技术问题：
为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种中波红外与长波红外多光谱成像系统，在进行像差优化分配、光学材料合理搭配的基础上，利用4片长波红外透镜实现长波红外会聚成像，6片中波红外透镜实现中波红外会聚成像，且中波红外及长波红外光路中仅使用3个非球面，系统具有良好的加工性和装调性。本发明通过合理的滤光片布局设计，滤光片实现了小型化设计，有效提升了系统的紧凑化。
本发明的技术方案是：一种中波红外与长波红外多光谱成像系统，包括分离入射光束的分光镜1、沿分光镜透射光路设置的长波红外多光谱成像系统、沿分光镜反射光路设置的中波红外多光谱成像系统；
所述长波红外多光谱成像系统沿光路依次设置有分光镜1、第一长波红外折射镜2、第二长波红外折射镜3、第三长波红外折射镜4、第四长波红外折射镜5、长波红外多光谱滤光片6、长波红外探测器窗口7、长波红外探测器冷光阑8、长波红外探测器成像面9；
所述中波红外多光谱成像系统沿光路依次设置有分光镜1、中波红外反射镜10、第一中波红外折射镜11、第二中波红外折射镜12、第三中波红外折射镜13、第四中波红外折射镜14、第五中波红外折射镜15、第六中波红外折射镜16、中波红外多光谱滤光片17、中波红外探测器窗口18、中波红外探测器冷光阑19、中波红外探测器成像面20。
本发明的进一步技术方案是：所述分光镜1为平面镜，中波红外反射镜10为平面反射镜，长波红外多光谱滤光片6、中波红外多光谱滤光片17为平面镜，第一长波红外折射镜2、第三长波红外折射镜4、第一中波红外折射镜11、第三中波红外折射镜13、第四中波红外折射镜14、第六中波红外折射镜16为凸透镜，第二长波红外折射镜3、第四长波红外折射镜5、第二中波红外折射镜12、第五中波红外折射镜15为凹透镜。
本发明的进一步技术方案是：所述第一长波红外折射镜2后表面、第二长波红外折射镜3前表面、第三长波红外折射镜4后表面、第一中波红外折射镜11后表面、第二中波红外折射镜12后表面、第四中波红外折射镜14后表面为非球面，其他表面均为球面。
本发明的进一步技术方案是：所述分光镜1沿入射方向的前表面设有反射波段范围为3.7～4.8μm和透射波段范围为8～12.5μm的分光膜层。
本发明的进一步技术方案是：所述分光镜1后表面、第一长波红外折射镜2、第二长波红外折射镜3、第三长波红外折射镜4、第四长波红外折射镜5镜面设有透过波段范围为8～12.5μm的材料，长波红外多光谱滤光片6镜面设有8～12.5μm内任意范围的分光波段，中波红外反射镜10、第一中波红外折射镜11、第二中波红外折射镜12、第三中波红外折射镜13、第四中波红外折射镜14、第五中波红外折射镜15、第六中波红外折射镜16镜面设有透过波段范围为3.7～4.8μm的材料，中波红外多光谱滤光片17镜面设有3.7～4.8μm内任意范围的分光波段。
本发明的进一步技术方案是：所述中波红外多光谱成像系统的光学参数为，
本发明的进一步技术方案是：所述中波红外多光谱滤光片设置有不同波段范围的滤光片，通过切换实现多光谱探测。
本发明的进一步技术方案是：所述长波红外多光谱成像系统的光学参数为，
本发明的进一步技术方案是：所述长波红外多光谱滤光片设置有不同波段范围的滤光片，通过切换实现多光谱探测。
本发明的进一步技术方案是：所述分光镜1、第一长波红外折射镜2、第二长波红外折射镜3、第三长波红外折射镜4、第二中波红外折射镜12、第五中波红外折射镜15、长波红外多光谱滤光片6、中波红外多光谱滤光片17上的材料为单晶锗，第一中波红外折射镜11、第三中波红外折射镜13、第四中波红外折射镜14、第六中波红外折射镜16上的材料为单晶硅，第四长波红外折射镜5上的材料为硒化锌。
有益效果
本发明的有益效果在于：本发明提供了一个工作波段范围在3.7～4.8μm和8～12.5μm的高透过率、紧凑化中波红外与长波红外多光谱成像系统。其中，分光镜实现中波红外与长波红外波段的分离，中波红外反射镜使成像系统更加紧凑，长波红外多光谱滤光片、中波红外多光谱滤光片可分别通过切换多个滤光片，实现多光谱的成像。
本发明通过对成像系统光学材料进行合理搭配，并对各光学元件像差补偿进行合理分配，同时对滤光片布局进行合理设计，减小滤光片尺寸，以更好的满足紧凑化、远距目标多光谱探测需求，实现中波红外及长波红外多光谱成像系统紧凑化、高透过率设计。
附图说明
图1是本发明高透过率、紧凑化中波红外与长波红外多光谱成像系统结构图。
附图标记说明：1、分光镜，2、第一长波红外折射镜，3、第二长波红外折射镜，4、第三长波红外折射镜，5、第四长波红外折射镜，6、长波红外多光谱滤光片，7、长波红外探测器窗口，8、长波红外探测器冷光阑，9、长波红外探测器成像面，10、中波红外反射镜，11、第一中波红外折射镜，12、第二中波红外折射镜，13、第三中波红外折射镜，14、第四中波红外折射镜，15、第五中波红外折射镜，16、第六中波红外折射镜，17、中波红外多光谱滤光片，18、中波红外探测器窗口，19、中波红外探测器冷光阑，20、中波红外探测器成像面。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
基于现有技术中中波红外与长波红外成像系统通常使用独立的成像光路进行探测成像，而远距目标探测系统具有成像口径大、焦距长的特点，为实现成像系统的紧凑化，远距成像系统多采用共用望远镜组和两波段独立会聚成像光路的方式进行成像，造成体积大、透光率底等问题。本发明提供一种中波红外与长波红外多光谱成像系统，包括分离入射光束的分光镜1、沿分光镜透射光路设置的长波红外多光谱成像系统、沿分光镜反射光路设置的中波红外多光谱成像系统；所述长波红外多光谱成像系统入射方向的光轴依次设置有分光镜1、第一长波红外折射镜2、第二长波红外折射镜3、第三长波红外折射镜4、第四长波红外折射镜5、长波红外多光谱滤光片6、长波红外探测器窗口7、长波红外探测器冷光阑8、长波红外探测器成像面9；所述中波红外多光谱成像系统沿入射方向的光轴依次设置有分光镜1、中波红外反射镜10、第一中波红外折射镜11、第二中波红外折射镜12、第三中波红外折射镜13、第四中波红外折射镜14、第五中波红外折射镜15、第六中波红外折射镜16、中波红外多光谱滤光片17、中波红外探测器窗口18、中波红外探测器冷光阑19、中波红外探测器成像面20。
所述分光镜1实现中波红外与长波红外波段的分离，中波红外反射镜10使成像系统更加紧凑，长波红外多光谱滤光片6、中波红外多光谱滤光片17可分别通过切换多个滤光片，实现多光谱的成像，得到一种高透过率、紧凑化中波红外与长波红外多光谱成像系统。
具体的，分光镜1为平面镜，中波红外反射镜10为平面反射镜，长波红外多光谱滤光片6、中波红外多光谱滤光片17为平面镜，第一长波红外折射镜2、第三长波红外折射镜4、第一中波红外折射镜11、第三中波红外折射镜13、第四中波红外折射镜14、第六中波红外折射镜16为凸透镜，第二长波红外折射镜3、第四长波红外折射镜5、第二中波红外折射镜12、第五中波红外折射镜15为凹透镜。第一长波红外折射镜2后表面、第二长波红外折射镜3前表面、第三长波红外折射镜4后表面、第一中波红外折射镜11后表面、第二中波红外折射镜12后表面、第四中波红外折射镜14后表面为非球面，其他表面均为球面。
具体的，所述分光镜1沿入射方向的前表面设有反射波段范围为3.7～4.8μm和透射波段范围为8～12.5μm的分光膜层，分光镜1后表面、第一长波红外折射镜2、第二长波红外折射镜3、第三长波红外折射镜4、第四长波红外折射镜5镜面设有透过波段范围为8～12.5μm的材料，长波红外多光谱滤光片6镜面设有8～12.5μm内任意范围的分光波段，中波红外反射镜10、第一中波红外折射镜11、第二中波红外折射镜12、第三中波红外折射镜13、第四中波红外折射镜14、第五中波红外折射镜15、第六中波红外折射镜16镜面设有透过波段范围为3.7～4.8μm的材料，中波红外多光谱滤光片17镜面设有3.7～4.8μm内任意范围的分光波段。
分光镜1实现中波红外与长波红外波段的分离，中波红外反射镜使成像系统更加紧凑，长波红外多光谱滤光片、中波红外多光谱滤光片可分别通过切换多个滤光片，实现多光谱的成像。
中波红外反射镜使中波红外成像光路更加紧凑，反射镜材料可设置为玻璃、晶体、金属、半导体以及合成材料，分光镜1、第一长波红外折射镜2、第二长波红外折射镜3、第三长波红外折射镜4、第二中波红外折射镜12、第五中波红外折射镜15、长波红外多光谱滤光片6、中波红外多光谱滤光片17上的材料为单晶锗，第一中波红外折射镜11、第三中波红外折射镜13、第四中波红外折射镜14、第六中波红外折射镜16上的材料为单晶硅，第四长波红外折射镜5上的材料为硒化锌。
具体的，镜头中波红外曲率半径及厚度等参数如表1所示，长波红外曲率半径及厚度等参数如表2所示。
表1
表2
本发明能够实现的目标为：中波红外工作波段3.7～4.8μm，长波红外工作波段为8～12.5μm，中波红外与长波红外多光谱成像系统焦距均为62.5mm，成像口径均为25mm，成像系统F数均为2.5，成像视场均为12°，多光谱滤光片尺寸21mm，可通过切换不同波段的滤光片，实现多光谱探测，中波红外与长波红外成像系统透过率均可达到0.90以上。
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不脱离本发明的原理和宗旨的情况下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。
Claims (10)
1.一种中波红外与长波红外多光谱成像系统，其特征在于：包括分离入射光束的分光镜(1)、沿分光镜透射光路设置的长波红外多光谱成像系统、沿分光镜反射光路设置的中波红外多光谱成像系统；
所述长波红外多光谱成像系统沿光路依次设置有分光镜(1)、第一长波红外折射镜(2)、第二长波红外折射镜(3)、第三长波红外折射镜(4)、第四长波红外折射镜(5)、长波红外多光谱滤光片(6)、长波红外探测器窗口(7)、长波红外探测器冷光阑(8)、长波红外探测器成像面(9)；
所述中波红外多光谱成像系统沿光路依次设置有分光镜(1)、中波红外反射镜(10)、第一中波红外折射镜(11)、第二中波红外折射镜(12)、第三中波红外折射镜(13)、第四中波红外折射镜(14)、第五中波红外折射镜(15)、第六中波红外折射镜(16)、中波红外多光谱滤光片(17)、中波红外探测器窗口(18)、中波红外探测器冷光阑(19)、中波红外探测器成像面(20)。
2.根据权利要求1所述一种中波红外与长波红外多光谱成像系统，其特征在于：所述分光镜(1)为平面镜，中波红外反射镜(10)为平面反射镜，长波红外多光谱滤光片(6)、中波红外多光谱滤光片(17)为平面镜，第一长波红外折射镜(2)、第三长波红外折射镜(4)、第一中波红外折射镜(11)、第三中波红外折射镜(13)、第四中波红外折射镜(14)、第六中波红外折射镜(16)为凸透镜，第二长波红外折射镜(3)、第四长波红外折射镜(5)、第二中波红外折射镜(12)、第五中波红外折射镜(15)为凹透镜。
3.根据权利要求2所述一种中波红外与长波红外多光谱成像系统，其特征在于：所述第一长波红外折射镜(2)后表面、第二长波红外折射镜(3)前表面、第三长波红外折射镜(4)后表面、第一中波红外折射镜(11)后表面、第二中波红外折射镜(12)后表面、第四中波红外折射镜(14)后表面为非球面，其他表面均为球面。
4.根据权利要求3所述一种中波红外与长波红外多光谱成像系统，其特征在于：所述分光镜(1)沿入射方向的前表面设有反射波段范围为3.7～4.8μm和透射波段范围为8～12.5μm的分光膜层。
5.根据权利要求4所述一种中波红外与长波红外多光谱成像系统，其特征在于：所述分光镜(1)后表面、第一长波红外折射镜(2)、第二长波红外折射镜(3)、第三长波红外折射镜(4)、第四长波红外折射镜(5)镜面设有透过波段范围为8～12.5μm的材料，长波红外多光谱滤光片(6)镜面设有8～12.5μm内任意范围的分光波段，中波红外反射镜(10)、第一中波红外折射镜(11)、第二中波红外折射镜(12)、第三中波红外折射镜(13)、第四中波红外折射镜(14)、第五中波红外折射镜(15)、第六中波红外折射镜(16)镜面设有透过波段范围为3.7～4.8μm的材料，中波红外多光谱滤光片(17)镜面设有3.7～4.8μm内任意范围的分光波段。
6.根据权利要求5所述一种中波红外与长波红外多光谱成像系统，其特征在于：所述中波红外多光谱成像系统的光学参数为，
7.根据权利要求6所述一种中波红外与长波红外多光谱成像系统，其特征在于：所述中波红外多光谱滤光片设置有不同波段范围的滤光片，通过切换实现多光谱探测。
8.根据权利要求5所述一种中波红外与长波红外多光谱成像系统，其特征在于：所述长波红外多光谱成像系统的光学参数为，
9.根据权利要求8所述一种中波红外与长波红外多光谱成像系统，其特征在于：所述长波红外多光谱滤光片设置有不同波段范围的滤光片，通过切换实现多光谱探测。
10.根据权利要求1-9任一项所述一种中波红外与长波红外多光谱成像系统，其特征在于：所述分光镜(1)、第一长波红外折射镜(2)、第二长波红外折射镜(3)、第三长波红外折射镜(4)、第二中波红外折射镜(12)、第五中波红外折射镜(15)、长波红外多光谱滤光片(6)、中波红外多光谱滤光片(17)上的材料为单晶锗，第一中波红外折射镜(11)、第三中波红外折射镜(13)、第四中波红外折射镜(14)、第六中波红外折射镜(16)上的材料为单晶硅，第四长波红外折射镜(5)上的材料为硒化锌。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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