CN206282023U - 一种短波、长波红外双波段共焦面大相对孔径光学系统 - Google Patents
一种短波、长波红外双波段共焦面大相对孔径光学系统 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型提供一种采用材料较少、体积小巧、结构紧凑、并能有效消除双波段系统中波段间与波段内色差的大相对孔径光学系统。该光学系统包括从物侧到焦面依次排列固联的前固定镜组、光阑、中间固定镜组、后固定镜组和探测器；前固定镜组、光阑、中间固定镜组和后固定镜组的中心轴线同轴；所述前固定镜组具有正光焦度，包括在自物侧至焦面方向中心轴线上同轴依次排列的第一正透镜、第一负透镜和第二负透镜；中间固定镜组具有负的光焦度，包括自物侧至焦面方向中心轴线上同轴依次排列的第二正透镜和第三负透镜；光阑固定位在第三负透镜与第二正透镜之间；后固定镜组为第三正透镜。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种短波红外与长波红外两个波段的光学系统设计，具体涉及一种仅使用透射元件的共光路共焦面且包含短波红外0.9μm～1.7μm与长波红外8μm～12μm两个波段的光学系统设计。
背景技术
与可见光成像相同，近红外成像通常也是对目标或背景反射辐射的探测。但由于后者波长更长，受大气散射影响较小，工作距离可以更远，而且后者还具有更好的烟雾穿透能力，就使得近红外成像具有更好的环境适应性；长波红外成像主要是对物体自身辐射特征的探测，是探测特定背景中目标红外特征的理想波段，同时，长波红外波段也具有较好的大气、烟雾等的穿透能力。因而，结合有近红外与长波段红外双波段的成像光学系统，使用近红外探测背景，长波红外探测目标，获得目标与背景的更多信息，可以有效改善系统环境适应性、提高目标背景成像对比度、对抗红外隐身手段，实现目标探测识别辨认。近年来，集成有近红外、长波红外的双波段焦平面探测器的不断发展，也对相应光学系统设计提出了迫切需求。
现有技术中采用的近红外-长波红外共光路共焦面光学系统主要是透射式系统、反射式系统和折反式系统。在采用透射元件的设计中，由于涉及到0.9μm～1.7μm与8μm～12μm将近十倍宽的两个波段，可选用的光学材料较少，这就导致整个系统波段间的色差和波段内的色差难以同时消除；在采用反射元件的设计中，现有技术多采用三反式设计结构，虽然反射式设计不存在色差及天然消热差的特性，但三反式设计加工、装调都较为困难，且相对孔径一般较大；而折反式设计为上述两种设计的折衷，好处是色差较易校正，缺点是存在中心遮拦，且需要杂散光抑制措施。另外，反射系统的中心遮拦还会影响辐射能量利用率。因此设计出具有较小F数(F#即为光圈数是入瞳口径与焦距之比的倒数，即F＝f/D)的近红外-长波红外大相对孔径光学系统，难度较大；对于一些文献公开的短波红外-长波红外双波段大相对孔径光学系统，要么相对孔径较小，要么系统结构复杂。
2011年，刊载于SPIE Vol.8012第801224-1～18页的美国文献《Refractive LensDesign for Simultaneous SWIR and LWIR Imaging》公开了一种短波红外与长波红外共孔径共焦面集成的光学系统。该系统针对对角线长20mm、25μm像元的非制冷短波-长波红外双波段焦面探测器，焦距50mm，F数为1，共采用了5种红外材料，11片透镜，且至少含有两面非球面，这就导致整个光学系统装调工艺复杂，系统透过率偏低，加工成本偏高，另外该镜头总长达240mm，总长较长，不利于光学系统的小型化集成。
2013年，刊载于Optical Engineering第56卷第6期，第061308-1～11页的美国文献《Optical design of common aperture，common focal plane，multispectralopticsformilitary applications》公开了若干种短波-长波红外共孔径共焦面集成的光学系统。文中公开的透射式光学系统，在焦距为50mm的情况下，F数为1.4或1.6，且都至少采用了三面非球面，有的设计还使用了金刚石(diamond)、碘化铯(CsI)、溴化铯(CsBr)等加工困难或理化性质不稳定的材料，使得整个光学系统缺乏工程可实现性；另外一种采用折反式结构的镜头设计，则在焦距为50mm下，F数达到了1.3。该镜头虽然仅采用了两片多光谱ZnS透镜，但镜头各光学反射面、透射面均在两片ZnS透镜上加工实现，且镜头中还含有曼金镜元件，这些将导致整个光学系统公差严格，加工难度较大，而较大的中心遮拦，也降低了整个系统的光能利用率，在很大程度上抵消了该镜头小F数的优势；另外，该文献中还公布了一种三反的光学设计，整个光学系统焦距为50mm，F数为1.9，虽然整个系统无中心遮拦、紧凑性好，但比之透射式系统仍具有较大体积，且三个反射面均为Zernike面，也加大三反系统加工与装调的难度。
实用新型内容
本实用新型的目的是针对上述现有技术存在的不足之处，提供一种采用材料较少，体积小巧，结构紧凑，并能有效消除双波段系统中波段间与波段内色差，尤其是0.9～1.7μm短波红外与8～12μm长波红外双波段的大相对孔径光学系统。
该短波、长波红外双波段共焦面大相对孔径光学系统，包括从物侧到焦面依次排列固联的前固定镜组、光阑、中间固定镜组、后固定镜组和探测器；所述前固定镜组、光阑、中间固定镜组和后固定镜组的中心轴线同轴；所述前固定镜组具有正光焦度，包括在自物侧至焦面方向中心轴线上同轴依次排列的第一正透镜、第一负透镜和第二负透镜；所述中间固定镜组具有负的光焦度，包括自物侧至焦面方向中心轴线上同轴依次排列的第二正透镜和第三负透镜；所述光阑固定位在第三负透镜与第二正透镜之间；所述后固定镜组为第三正透镜；
定义波段间色散系数其中，n1.3μm为材料在波长为1.3μm处的折射率，n10μm为材料在波长为10μm处的折射率；
设所述短波、长波红外双波段共焦面大相对孔径光学系统光焦度为前固定镜组光焦度为第一正透镜的波段间色散系统为c501，第二负透镜503的波段间色散系数为c503时，c501和c503满足以下条件式：
c501＞0.05；c503＞0.1；
使得能够有效校正前固定镜组内的波段内色差与波段间色差，保证双波段共焦面光学系统的色差校正能力；
设中间固定镜组光焦度为第三负透镜光焦度时，和满足以下条件式：
使得能够校正前固定镜组剩余的球差、彗差，平衡光学系统场曲，维持高的光学性能，并能够实现光学系统的小型化；
设后固定镜组光焦度为第三正透镜的波段间色散系数为c201时，和c201满足以下条件式：
使得能够对前固定镜组与中间固定镜组从短波红外波段到长波红外波段产生的波段间色差良好地进行校正，且对与因采用摄远型结构而产生的像差良好地进行校正，并能有效校正光学系统剩余场曲。
基于以上方案，本实用新型还进一步作了如下优化：
所有透镜均采用与镜筒材料线膨胀系数相匹配的透镜材料，用以通过手动或机电主动的方式控制调焦镜组进行调焦补偿。
上述光阑为固定光阑或可变光阑。
在后固定镜组与探测器之间还增设滤光片。进一步的，滤光片可采用滤光片镜框或滤光片轮方式安装，其中滤光片轮用以通过手动或电动切换具备不同透过波段的滤光片，完成对目标或场景的多谱段成像。
上述中间固定镜组与后固定镜组的间距能够容许根据需要插入相应的分光元件或不同波段的滤光片，即在不能获得相应双波段探测器时插入相应的分光元件进行宽波段分焦面成像、或者在需要对双波段范围内分波段成像时插入相应于不同波段的滤光片以实现共焦面多波段的成像。
本实用新型相比于现有技术具有如下有益效果：
本实用新型仅采用透射元件，体积小巧，结构紧凑，材料种类少，透过率高。本实用新型所述系统的三个透镜组镜片总数仅为五片，具有较好的公差特性及可加工特性。
本实用新型利用光学系统设计中的摄远式结构与场镜原理，针对0.9μm～1.7μm与8μm～12μm双波段，在50mm焦距的位置时，对同一景物进行双波段成像时，无需调焦，各波段各视场的调制传递函数MTF都能保持截止频率为251p/mm时在0.55以上。光学系统最大光圈F数为1，总长小于75mm，在0.9μm～1.7μm与8μm～12μm双波段范围同时消除了各波段内色差和波段间色差。0.9μm～1.7μm与8μm～12μm双波段光学系统使一个光学系统兼具两种波段的探测能力，能够有效实现探测手段的小型化轻量化和集成化，同时也能减轻光学调试的难度。
来自无穷远物侧的平行光通过采用在短波红外波段色散能力较弱、长波红外波段强的色散能力较强的材料的第一正透镜，会聚入射于第一负透镜上，初步校正系统彗差、场曲，进一步的，光线会聚入射进入采用在短波红外色散能力弱、长波红外色散能力强的材料的第二负透镜，校正前固定镜组镜组内的波段间色差与波段内色差，并压缩光束宽度，减小后组口径；经前固定组压缩的光束仍会聚顺次进入由第二正透镜和第三负透镜组合构成的中间固定镜组，与前固定镜组构成摄远结构，压缩光学系统总长，同时，校正前组剩余球差、彗差；光线经具有负折射力的中间固定镜组发散进入采用在短波红外波段色散能力强、长波红外波段色散能力弱的材料的第三正透镜，进一步平衡前边剩余的色差、场曲及畸变等像差，出射光束以会聚形式入射于探测器表面，完成整个成像过程。
本实用新型采用光阑位于第一正透镜靠近物面一侧的方式，可有效控制光学系统各镜片口径，使光学系统紧凑结构、体积小巧，同时，还可使光学系统像面相对照度分布更为均匀。
本实用新型采用与镜筒材料线膨胀系数匹配较好的透镜材料组合，在周围环境温度变化时可以通过手动或机电主动的方式控制调焦镜组进行调焦，补偿因镜筒材料温度变化造成的热胀冷缩而导致的离焦。
本实用新型光学设计结构中，中间固定镜组与后固定镜组之间具有较大间隔，可以使得在不能获得相应双波段探测器时，插入相应的分光元件进行宽波段分焦面成像；也可在需要对双波段范围内分波段成像时，插入相应于不同波段的滤光片，以实现共焦面多波段的成像。本实用新型适用于各类光电瞄准吊舱和转塔、军警民用监控、搜索与跟踪瞄准等用途。
附图说明
图1是本实用新型实施例一的光学系统结构示意图。
图中：1焦面，2后固定镜组，3中间固定镜组，4光阑，5前固定镜组，6物侧。
图2是对应本实用新型实施例一的光学系统结构在短波红外波段的调制传递函数示意图。
图3是对应本实用新型实施例一的光学系统结构在长波红外波段的调制传递函数示意图。
图4是本实用新型实施例二的光学系统结构示意图。
图中：1焦面，F滤光片，2后固定镜组，3中间固定镜组，4光阑，5前固定镜组，6物侧。
具体实施方式
为了进一步清楚阐述本技术方案的特点，下面提供具体实施方式并与附图相结合，对本实用新型进行说明，但不应当将其理解为对本实用新型的限定。
实施例一：
图1描述了短波红外、长波红外双波段共焦面大相对孔径光学系统的一个实施实例。在图1所描述短波红外、长波红外共焦面大相对孔径光学系统中，所述透镜结构主要包括：从物侧6到焦面1依次排列固联的前固定镜组5、光阑4、中间固定镜组3和后固定镜组2。其中，前固定镜组5具有正折射力，为三分离三片式结构，由采用ZnS材料的第一正透镜501、采用CdTe材料的第一负透镜502和采用BaF2材料的第二负透镜503组成；中间固定镜组3含两片透镜，具有负折射力，由采用ZnSe材料的第二正透镜301和采用CdTe材料的第三负透镜303配对组合；后固定镜组2具有正折射力，为单片式结构，采用用ZnSe材料。光学系统光阑4位于前固定镜组与中间固定镜组之间，与后固定镜组2、前固定镜组5和中间固定镜组3共同构成完整的成像系统。
本实施例光学系统采用了摄远型结构与场镜原理，共包含三个镜组，此时焦距为50mm，从物侧6到焦面1依次排列前固定镜组5、光阑4、中间固定镜组3和后固定镜组2。所述物侧6之后为由具有正折射力的前固定组5，为摄远结构中的正光焦度前组，由第一正透镜501、第一负透镜502和第二负透镜503；由第二正透镜301和第三负透镜302构成的中间固定镜组为摄远结构中的负光焦度后组；光学系统后固定镜组为单片式结构，为整个光学系统的场镜组，由第三正透镜201构成。
本实施实例中，来自无穷远的物侧6的平行光通过采用在短波红外波段色散能力较弱、长波红外波段强的色散能力较强的ZnS材料的第一正透镜501，会聚入射于第一负透镜502上，初步校正系统彗差、场曲，进一步的，光线会聚入射进入采用在短波红外色散能力弱、长波红外色散能力强的BaF2材料的第二负透镜503，校正前固定镜组镜组内的波段间色差与波段内色差，并压缩光束宽度，减小后组口径；经前固定组压缩的光束仍会聚顺次进入由第二正透镜301和第三负透镜302组合构成的中间固定镜组，与前固定镜组构成摄远结构，压缩光学系统总长，同时，校正前组剩余球差、彗差；光线经具有负折射力的中间固定镜组发散进入采用在短波红外波段色散能力强、长波红外波段色散能力弱的ZnSe材料的第三正透镜201，进一步平衡前边剩余的色差、场曲及畸变等像差，出射光束以会聚形式入射到探测器的焦面1，完成整个成像过程。
本实施实例中，光阑置于第二负透镜503与第二正透镜301之间，一方面可以控制光学系统各镜片口径不至过大，使光学系统保持紧凑的结构、小巧的体积；光阑置于第二负透镜503与第二正透镜301之间，增加了本实用新型光学结构的对称性，有利于轴外像差的校正；更进一步的，光阑4可以为固定光阑或可变光阑，采用可变光阑时，可以通过手动或电动的方式调节光学系统光圈大小，以适应不同的使用环境，满足不同的使用要求。
本实施实例中，前固定镜组5作为摄远结构中的正光焦度前组，焦距约为151.78mm，是由焦距约为38.39mm，采用在短波红外波段色散能力较弱、长波红外波段色散能力较强的ZnS材料的第一正透镜501、焦距约为-146.67mm，采用在短波红外色散能力强、长波红外色散能力弱的CdTe材料的第一负透镜502和焦距约为-49.64mm，采用在短波红外色散能力弱、长波红外色散能力强的BaF2材料的第二负透镜503组成，承担系统主要光焦度，同时，压缩中间固定镜组口径。通过如此的光焦度分配与材料组合，能够有效校正前固定镜组内的波段内色差与波段间色差，保证双波段共焦面光学系统的色差校正能力。另外，第一正透镜501靠近物侧表面与第二负透镜靠近焦面侧表面采用非球面，用于校正光学系统轴外像差。
本实施实例中，中间固定镜组3作为摄远结构中的负光焦度后组，焦距约为-123.71mm，由焦距约为24.87mm、第二正透镜301；焦距约为-15.96mm、采用CdTe材料的第三负透镜302。其中，第二正透镜301采用了在短波红外波段色散能力强、长波红外波段色散能力弱的ZnSe材料，与前固定组配合主要校正前固定组未能校正的长波红外波段内的彗差和场曲，二者的互补也使光学系统具有较小的剩余单色像差；而第三负透镜302采用了在短波红外波段色散能力强、长波红外波段色散能力弱的CdTe材料，主要用于校正系统残余的短波红外色差。所述中间固定镜组3中，第二正透镜靠近物方侧表面及第三负透镜靠近像方侧表面采用非球面，主要用于校正球差、彗差。
本实施实例中，后固定镜组2为单片式结构，焦距约为26.02mm，采用ZnSe材料。后固定镜组2位在靠近像面的位置，起到类似场镜的作用，可以进一步平衡前边剩余的色差、场曲及畸变等像差。
本实施实例中，镜筒材料采用线膨胀系数为236×10-7/K的铝合金材料与组成各镜组的材料配合，在周围环境温度变化时可以通过手动或电动的方式控制调焦镜组进行调焦，补偿因镜筒材料温度变化造成的热胀冷缩而导致的离焦。
本实施实例将该光学设计结构应用于0.9μm～1.7μm与8μm～12μm双波段焦平面探测器上，像元尺寸为20μm×20μm，对角线长度为16mm，像元数为640×480，实施实例采用最大光圈数F#1。其中，F#即为光圈数是入瞳口径与焦距之比的倒数，即F＝f/D。
本实施例中，从前固定组5靠近物侧6一侧的面到像面1的总长小于75mm，各透镜最大口径约56mm，焦距为50mm，相对孔径为焦距与入瞳口径之比，为光圈数F#的倒数。采用光圈数最大为F#1，其中，F#为光圈数是入瞳口径与焦距之比的倒数，即F＝f/D。具有较小的体积、较轻的重量和较大的相对孔径。
参见图2、图3，可以看出本实用新型光学系统成像效果，进一步地，可以表明系统色差校正良好。
本实施例的短波红外、长波红外双波段共焦面光学系统在产业上的可用性：对于监视低照度环境的跟瞄监控摄像机有用，特别适于不论昼夜条件都要求提供鲜明目标图像的吊舱或转塔用相机、搜索跟踪用相机和观瞄监控用相机等。
实施例二：
本实施例中的短波、长波红外共焦面大相对孔径光学系统满足上述实施例一中各项技术条件的同时，在后固定镜组2与焦面1之间增加了滤光片F。具体光学透镜结构示意图参看图4。
本实施例中，滤光片F可以是一系列具备不同透过波段的滤光片，分别固联位于滤光片镜框，或滤光片轮，或其他可保证成像系统工作过程中实现滤光片切换的机构上，配合短波、长波双波段成像组件，通过手动或电动切换具备不同透过波段的滤光片，完成对目标或场景的多谱段成像。
本实施例的短波红外、长波红外双波段共焦面光学系统在产业上的可用性：对于需要同时获得目标物或场景不同波段信息的多谱段相机有用，特别适于伪装揭露、特征识别、生物检测、材料分类等要求提供多谱段图像的民用或军警用相机等。
以上利用实施实例对本实用新型的描述，其意图是示例性的，不对本实用新型的保护范围起限制作用。因此，对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本实用新型所提出的权利要求范围的条件内，可对所描述的本实用新型进行特征替换或修改。
Claims (6)
1.一种短波、长波红外双波段共焦面大相对孔径光学系统，其特征在于：包括从物侧(6)到焦面(1)依次排列固联的前固定镜组(5)、光阑(4)、中间固定镜组(3)、后固定镜组(2)和探测器；所述前固定镜组(5)、光阑(4)、中间固定镜组(3)和后固定镜组(2)的中心轴线同轴；所述前固定镜组(5)具有正光焦度，包括在自物侧至焦面方向中心轴线上同轴依次排列的第一正透镜(501)、第一负透镜(502)和第二负透镜(503)；所述中间固定镜组(3)具有负的光焦度，包括自物侧至焦面方向中心轴线上同轴依次排列的第二正透镜(301)和第三负透镜(302)；所述光阑(4)固定位在第三负透镜(503)与第二正透镜(301)之间；所述后固定镜组(2)为第三正透镜(201)；
定义波段间色散系数其中，n1.3μm为材料在波长为1.3μm处的折射率，n10μm为材料在波长为10μm处的折射率；
设所述短波、长波红外双波段共焦面大相对孔径光学系统光焦度为前固定镜组光焦度为第一正透镜的波段间色散系统为c501，第二负透镜503的波段间色散系数为c503时，c501和c503满足以下条件式：
使得能够有效校正前固定镜组内的波段内色差与波段间色差，保证双波段共焦面光学系统的色差校正能力；
设中间固定镜组光焦度为第三负透镜光焦度时，和满足以下条件式：
使得能够校正前固定镜组剩余的球差、彗差，平衡光学系统场曲，维持高的光学性能，并能够实现光学系统的小型化；
设后固定镜组光焦度为第三正透镜的波段间色散系数为c201时，和c201满足以下条件式：
使得能够对前固定镜组与中间固定镜组从短波红外波段到长波红外波段产生的波段间色差良好地进行校正，且对与因采用摄远型结构而产生的像差良好地进行校正，并能有效校正光学系统剩余场曲。
2.根据权利要求1所述的短波、长波红外双波段共焦面大相对孔径光学系统，其特征在于：所有透镜均采用与镜筒材料线膨胀系数相匹配的透镜材料，用以通过手动或机电主动的方式控制调焦镜组进行调焦补偿。
3.根据权利要求1所述的短波、长波红外双波段共焦面大相对孔径光学系统，其特征在于：所述光阑为固定光阑或可变光阑。
4.根据权利要求1所述的短波、长波红外双波段共焦面大相对孔径光学系统，其特征在于：在后固定镜组与探测器之间还增设滤光片。
5.根据权利要求4所述的短波、长波红外双波段共焦面大相对孔径光学系统，其特征在于：所述滤光片采用滤光片镜框或滤光片轮方式安装，其中滤光片轮用以通过手动或电动切换具备不同透过波段的滤光片，完成对目标或场景的多谱段成像。
6.根据权利要求1所述的短波、长波红外双波段共焦面大相对孔径光学系统，其特征在于：所述中间固定镜组与后固定镜组的间距能够容许根据需要插入相应的分光元件或不同波段的滤光片，即在不能获得相应双波段探测器时插入相应的分光元件进行宽波段分焦面成像、或者在需要对双波段范围内分波段成像时插入相应于不同波段的滤光片以实现共焦面多波段的成像。
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