CN117872571A - 一种双波段双视场共光路共焦面成像系统 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种双波段双视场共光路共焦面成像系统，包括自物侧至像侧依次设置的前固定组、变倍镜组、第一后固定组、第一反射镜、第二后固定组和焦平面探测器；其中，前固定组包括第一透镜和第二透镜；变倍镜组包括第三透镜和第四透镜；所述第一后固定组包括第五透镜、第六透镜、第七透镜和第八透镜；第二后固定组包括第九透镜、第十透镜和第十一透镜。本申请通过前固定组、变倍镜组、第一后固定组和第二后固定组的多透镜组的配合使用，提供了一种能够满足中波段和短波波段成像同时具有视场切换功能的成像系统。
Description
技术领域
本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种双波段双视场共光路共焦面成像系统。
背景技术
随着新一代多波段红外探测器技术的发展，多波段成像的使用变得越来越广泛，为了成功应用新一代探测器，必须设计出能够同时具备多波段成像能力的光学系统，在红外成像领域，应用广泛的光谱波段为中波红外（3μm-5μm）和短波红外（1μm-2μm）各个波段的成像有各自的优势，最好的方式是采用双波段红外探测器合并以上两个波段使它们优势互补。
光学系统采用双视场的设计能够使得光学系统有更多的应用，小焦距时视场角比较大容易发现目标；大焦距时视场角比较小，看的比较远，能够看清远处目标细节。
采用双波段双视场的设计形式，可选择的材料严重受限，能够在短波和中波波段同时透过的材料比较少，主要为蓝宝石、硫化锌、硒化锌和部分硫系玻璃。在校正双波段光学系统的色差的同时，还要修正由双视场带来的球差和像散等各类相差，使得中心与边缘视场都有足够的分辨率，光学设计难度极大。
专利号为CN 103207452B的中国专利公开一项名称为“双波段共光路共焦面成像系统”的技术方案,实现了红外中波和长波双波段共光路共焦面的成像系统。但是该系统为固定焦距，不能实现视场的切换。
专利号为CN 114924392 B的中国专利公开了一项名称为“一种中波制冷双视场红外镜头”的透射式光学方案，采用转毂切换大小视场，切换时间能够小于1秒钟。但是该系统只能在中波波段使用，无法用于短波波段的探测器。
发明内容
本申请提供一种双波段双视场共光路共焦面成像系统，可以双波段双视场共光路共焦面成像系统。
第一方面，本申请提供了一种双波段双视场共光路共焦面成像系统，包括自物侧至像侧依次设置的前固定组、变倍镜组、第一后固定组、第一反射镜、第二后固定组和焦平面探测器，所述前固定组、变倍镜组、第一后固定组和第二后固定组共光轴设置；
其中，所述前固定组包括第一透镜和第二透镜，所述第一透镜为弯月形正透镜，凸面朝向物侧，所述第二透镜为弯月形负透镜，凹面朝向像侧；
所述变倍镜组包括第三透镜和第四透镜，所述第三透镜为弯月形正透镜，凸面均朝向物侧，所述第四透镜为弯月形负透镜，所述第二透镜为弯月形负透镜，凹面朝向像侧；
所述第一后固定组包括第五透镜、第六透镜、第七透镜和第八透镜，所述第五透镜为弯月形正透镜，凸面朝向物侧，所述第六透镜为双凸透镜，所述第七透镜为弯月形负透镜，凹面朝向像侧，所述第八透镜为双凹负透镜；
所述第二后固定组包括第九透镜、第十透镜和第十一透镜，所述第九透镜为弯月形正透镜，凸面朝向物侧，所述第十透镜为弯月形负透镜，凹面朝向物侧，所述第十一透镜为弯月形正透镜，凸面朝向物侧。
结合第一方面，在一种实施方式中，所述变倍镜组在前固定组和第一后固定组之间沿着光轴方向移动，至少具有一短焦状态和一长焦状态。
结合第一方面，在一种实施方式中，所述第一透镜、第三透镜和第六透镜的第二表面为非球面，所述第二透镜的第二表面为衍射面，所述第四透镜、第八透镜和第九透镜的第一表面为非球面。
结合第一方面，在一种实施方式中，焦平面探测器包括窗口、冷光阑和焦平面阵列，所述冷光阑位于所述窗口和焦平面阵列之间，所述焦平面阵列为短波/中波红外双波段焦平面阵列。
结合第一方面，在一种实施方式中，所述第六透镜采用多硫化锌材质的材料制成，所述第五透镜、第七透镜和第八透镜采用不同种类的硫系材质的材料制成。
结合第一方面，在一种实施方式中，所述第十透镜采用硒化锌材质的材料制成，所述第九透镜和第十一透镜采用不同种类的硫系材料制成。
结合第一方面，在一种实施方式中，所述系统的光谱透过范围为1μm~2μm、3.7μm~4.8μm。
结合第一方面，在一种实施方式中，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜和第八透镜的中心线位于第一方向，所述第九透镜和第十透镜的中心线位于第二方向，所述第十一透镜的中心线位于第三方向，所述第二方向垂直于第一方向，所述第三方向平行于第一方向，所述第一反射镜位于第八透镜和第九透镜之间，所述第十透镜和第十一透镜之间设有第二反射镜，所述第一反射镜和第二反射镜的主表面与光轴之间呈45度夹角。
本申请实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
本申请通过前固定组、变倍镜组、第一后固定组和第二后固定组的多透镜组的配合使用，提供了一种能够满足中波段和短波波段同时成像同时具有视场切换功能的成像系统。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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申请的一些实施例，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他的附图。
图1为本申请实施例提供的双波段双视场共光路共焦面成像系统的构造示意图；
图2为本申请实施例提供的双波段双视场共光路共焦面成像系统的中波长焦300mm时系统MTF示意图；
图3为本申请实施例提供的双波段双视场共光路共焦面成像系统的中波短焦75mm时系统MTF示意图；
图4为本申请实施例提供的双波段双视场共光路共焦面成像系统的短波长焦300mm时系统MTF示意图；
图5为本申请实施例提供的双波段双视场共光路共焦面成像系统的短波短焦75mm时系统MTF示意图。
图中：1、第一透镜，2、第二透镜，3、第三透镜，4、第四透镜，5、第五透镜，6、第六透镜，7、第七透镜，8、第八透镜，9、第一反射镜，10、第九透镜，11、第十透镜，12、第二反射镜,13、第十一透镜，14、窗口，15、冷光阑，16、焦平面阵列。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
本申请实施例提供了一种双波段双视场共光路共焦面成像系统，其能解决现有的成像系统不能同时具备视场转换以及多波段成像功能的技术问题。
有鉴于此，请参考图1，本申请提供了一种双波段双视场共光路共焦面成像系统，包括自物侧至像侧依次设置的前固定组、变倍镜组、第一后固定组、第一反射镜9、第二后固定组和焦平面探测器，所述前固定组、变倍镜组、第一后固定组和第二后固定组共光轴设置；其中，所述前固定组包括第一透镜1和第二透镜2，所述第一透镜1为弯月形正透镜，凸面朝向物侧，所述第二透镜2为弯月形负透镜，凹面朝向像侧；所述变倍镜组包括第三透镜3和第四透镜4，所述第三透镜3为弯月形正透镜，凸面均朝向物侧，所述第四透镜4为弯月形负透镜，所述第二透镜2为弯月形负透镜，凹面朝向像侧；所述第一后固定组包括第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7和第八透镜8，所述第五透镜5为弯月形正透镜，凸面朝向物侧，所述第六透镜6为双凸透镜，所述第七透镜7为弯月形负透镜，凹面朝向像侧，所述第八透镜8为双凹负透镜；所述第二后固定组包括第九透镜10、第十透镜11和第十一透镜13，所述第九透镜10为弯月形正透镜，凸面朝向物侧，所述第十透镜11为弯月形负透镜，凹面朝向物侧，所述第十一透镜13为弯月形正透镜，凸面朝向物侧。
本申请通过前固定组、变倍镜组、第一后固定组和第二后固定组的多透镜组的配合使用，采用二次成像设计提供了一种能够满足中波段和短波波段同时成像同时具有视场切换功能的成像系统，光透过前固定组入射后，经过变倍镜组和第一固定组进行聚焦成像在第一反射镜9的一次像面上，第二后固定组将第一反射镜9的一次像面上的目标进行转像，聚焦到二次像面上，二次像面与焦平面阵列16重合。
本申请中，所述前固定组、变倍镜组、第一后固定组和第二后固定组用于消除入射光的像差，所述前固定组和所述变倍镜组用于校正两个波段的色差，所述第一后固定组和第二后固定组用于对变倍过程中的引入的像差进行消除。
在一实施例中，所述前固定组采用双胶合第一透镜1和第二透镜2，所述变倍镜组采用两片分离式镜片，采用两片透镜可以很好地将光学系统的孔径减小；所述第一后固定组采用四片分离式镜片，所述第二后固定组采用三片分离式镜片。
在一实施例中，所述第二后固定组包括第九透镜10、第十透镜11和第十一透镜13，所述第十透镜11和第十一透镜13之间设有第二反射镜12。所述第一反射镜9和第二反射镜12的主表面均与光轴之间呈45°夹角。光透过前固定组入射后，经过变倍镜组和第一固定组进行聚焦，成像在第一反射镜9的一次像面上，第二后固定组将第一反射镜9的一次像面上的目标进行转像，聚焦到第二反射镜12的二次像面上，二次像面与焦平面阵列16重合。光线经过第一发射镜9反射，由于入射角度和出射角度相等，使得光路发生90°偏转，有利于减小光学系统长度，第一反射镜9和第二反射镜12与其他透镜之间应保证足够的间隔，避免遮挡光线。
在一实施例中，所述第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7和第八透镜8的中心线位于第一方向，所述第九透镜10和第十透镜11的中心线位于第二方向，所述第十一透镜13的中心线位于第三方向，所述第二方向垂直于第一方向，所述第三方向平行于第一方向，光路自第一反射镜9处转折，再自第二反射镜12处转折折回，采用转折光路，有效缩小了成像系统镜头的体积。
在一实施例中，所述变倍镜组在前固定组和第一后固定组之间沿着光轴方向移动，至少具有一短焦状态和一长焦状态。如图1所示，当变倍镜组处于A位置时，成像系统处于长焦状态，焦距为300mm，当变倍镜组在B位置时，成像系统处于短焦状态，焦距为75mm；如图2-图5所示，分别为中波长、短波长处于长短焦状态下的MTF（Modulation TransferFunction调制传递函数）示意图。本申请实施例提供的双波段双视场共光路共焦面成像系统，中波波段长焦像质MTF在探测器截止频率处全视场MTF达到0.4，中波波段短焦像质MTF在探测器截止频率处全视场MTF达到0.3，短波波段长焦像质MTF在探测器截止频率处全视场MTF达到0.3，短波波段短焦像质MTF在探测器截止频率处全视场MTF达到0.4。
本申请中，所述第一透镜1的焦距满足以下条件：
f短<f1<f长；
其中，f短为最短焦状态下成像系统的焦距；f长为最长焦状态下成像系统的焦距；f1为第一透镜1的焦距。
在一实施例中，所述第一透镜1、第三透镜3和第六透镜6的第二表面为非球面，所述第二透镜2的第二表面为衍射面，所述第四透镜4、第八透镜8和第九透镜10的前表面为非球面，本申请提供的双波段双视场共光路共焦面成像系统，可以采用非球面透镜实现，镜片加工实现成本较低。其中，所述第一表面为沿着光路朝向物侧的一面，所述第二表面为沿着光路朝向像面的一侧。
在一实施例中，本申请提供的光学系统F数可以兼容F4.0的中波和短波光学探测器，所述焦平面探测器为制冷型探测器，包括窗口14、冷光阑15和焦平面阵列16，所述冷光阑15位于所述窗口14和焦平面阵列16之间，所述窗口和像面之间设有光阑，所述光阑用于过滤大部分的杂散光，所述窗口14为蓝宝石材料制成，所述焦平面阵列16为短波/中波红外双波段焦平面阵列16。设于光阑15和第十一透镜13之间的窗口14用于焦平面阵列16。并且窗口14和焦平面阵列16之间设有光阑15，光阑15有利于过滤带大部分的杂散光。
在一实施例中，所述前固定组和所述变倍镜组的透镜均采用硫系玻璃制成，能够同时校正两个波段的色差。
在一实施例中，所述第六透镜6采用多硫化锌材质的材料制成，所述第五透镜5、第七透镜7和第八透镜8采用不同种类的硫系材质的材料制成，第一后固定组采用四片透镜能够保证同时校正不同焦距光学系统的球差。
在一实施例中，所述第十透镜11采用硒化锌材质的材料制成，所述第九透镜10和第十一透镜13采用不同种类的硫系材料制成，采用这种材料组合能够有效校正光学系统的畸变。
本申请的前固定组和变倍镜组以及第一后固定组和第二后固定组的大部分透镜采用硫系玻璃，有效减轻了光学系统的质量，同时可以修正双波段带来的色差和双视场带来的像差，同时由于采用二次成像的方式使得前固定组的口径不大。
本申请提供的双波段双视场共焦面成像系统，光谱的透过范围为3.7μm~4.8μm、1μm~2μm，3.7μm~4.8μm处于中波红外光谱波段范围内，1μm~2μm处于短波红外的光谱波段范围内，因此，本申请提供的成像系统具备中波红外和短波红外的两个波段的成像能力。再通过焦平面探测器合并以上两个波段使这两个波段的光谱成像能力互补。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
1.一种双波段双视场共光路共焦面成像系统，其特征在于，包括自物侧至像侧依次设置的前固定组、变倍镜组、第一后固定组、第一反射镜、第二后固定组和焦平面探测器，所述前固定组、变倍镜组、第一后固定组和第二后固定组共光轴设置；
其中，所述前固定组包括第一透镜和第二透镜，所述第一透镜为弯月形正透镜，凸面朝向物侧，所述第二透镜为弯月形负透镜，凹面朝向像侧；
所述变倍镜组包括第三透镜和第四透镜，所述第三透镜为弯月形正透镜，凸面均朝向物侧，所述第四透镜为弯月形负透镜，所述第二透镜为弯月形负透镜，凹面朝向像侧；
所述第一后固定组包括第五透镜、第六透镜、第七透镜和第八透镜，所述第五透镜为弯月形正透镜，凸面朝向物侧，所述第六透镜为双凸透镜，所述第七透镜为弯月形负透镜，凹面朝向像侧，所述第八透镜为双凹负透镜；
所述第二后固定组包括第九透镜、第十透镜和第十一透镜，所述第九透镜为弯月形正透镜，凸面朝向物侧，所述第十透镜为弯月形负透镜，凹面朝向物侧，所述第十一透镜为弯月形正透镜，凸面朝向物侧。
2.如权利要求1所述的双波段双视场共光路共焦面成像系统，其特征在于，所述变倍镜组在前固定组和第一后固定组之间沿着光轴方向移动，至少具有一短焦状态和一长焦状态。
3.如权利要求1所述的双波段双视场共光路共焦面成像系统，其特征在于，所述第一透镜、第三透镜和第六透镜的第二表面为非球面，所述第二透镜的第二表面为衍射面，所述第四透镜、第八透镜和第九透镜的第一表面为非球面。
4.如权利要求1所述的双波段双视场共光路共焦面成像系统，其特征在于，焦平面探测器包括窗口、冷光阑和焦平面阵列，所述冷光阑位于所述窗口和焦平面阵列之间，所述焦平面阵列为短波/中波红外双波段焦平面阵列。
5.如权利要求1所述的双波段双视场共光路共焦面成像系统，其特征在于，所述第六透镜采用多硫化锌材质的材料制成，所述第五透镜、第七透镜和第八透镜采用不同种类的硫系材质的材料制成。
6.如权利要求1所述的双波段双视场共光路共焦面成像系统，其特征在于，所述第十透镜采用硒化锌材质的材料制成，所述第九透镜和第十一透镜采用不同种类的硫系材料制成。
7.如权利要求1所述的双波段双视场共光路共焦面成像系统，其特征在于，所述系统的光谱透过范围为1μm~2μm、3.7μm ~4.8μm。
8.如权利要求1所述的双波段双视场共光路共焦面成像系统，其特征在于，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜和第八透镜的中心线位于第一方向，所述第九透镜和第十透镜的中心线位于第二方向，所述第十一透镜的中心线位于第三方向，所述第二方向垂直于第一方向，所述第三方向平行于第一方向，所述第一反射镜位于第八透镜和第九透镜之间，所述第十透镜和第十一透镜之间设有第二反射镜，所述第一反射镜和第二反射镜的主表面与光轴之间呈45度夹角。
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