CN213209271U - 一种两通道探测组件 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种两通道探测组件，包括开设有相平行的红外探测通道和可见光探测通道的探测框架；所述红外探测通道内设有红外探测光学组件，红外探测器位于红外探测通道末端的红外成像焦点处，或者位于红外成像焦点经反射镜组反射的光路上；所述可见光探测通道内设有可见光探测光学组件，可见光探测器固定光探测光学组件末端出口的上方，可见光探测通道中心线与可见光探测器的探测器靶面中心相垂直。本实用新型能够在飞行中进行红外、可见光的两种探测，能够在大范围、较大视场的情况下，获得高精度的成像拍摄；适应于飞行中红外、可见光的分别或同时探测。

Description

一种两通道探测组件

技术领域

本实用新型属于探测器技术领域，涉及一种两通道探测组件。

背景技术

近些年来，红外技术和无人机的应用蓬勃发展，无论在国民经济领域还是在国防军事上其重要性日益突出。红外图像主要反映目标的热辐射信息。不同温度的物体在红外波段有明显特征，温度越低，颜色越深。红外光学系统探测的的是目标的自身辐射，相比可见光光学系统，具有全天候观测、不受环境影响、穿透力强的优点。比如采用无人机红外与可见光同步遥感技术进行环境监察，可以有效地检查出河流两岸隐蔽在草丛中的正在排水的暗口。随着应用需求的提高，对飞行探测技术提出了更高的精度要求。

发明内容

本实用新型解决的技术问题在于提供一种两通道探测组件，能够在飞行中进行红外、可见光的两种探测，能够在大范围、较大视场的情况下，获得高精度的成像拍摄。

本实用新型是通过以下技术方案来实现：

一种两通道探测组件，包括开设有相平行的红外探测通道和可见光探测通道的探测框架；所述红外探测通道内设有红外探测光学组件，红外探测器位于红外探测通道末端的红外成像焦点处，或者位于红外成像焦点经反射镜组反射的光路上；

所述可见光探测通道内设有可见光探测光学组件，可见光探测器固定光探测光学组件末端出口的上方，可见光探测通道中心线与可见光探测器的探测器靶面中心相垂直。

所述的红外探测器位于红外检测通道的末端，中空的红外检测通道的中心线与红外探测器的探测器靶面中心相对准；所述的红外检测通道内开设有多个物镜固定台，物镜固定在圈架上并通过圈架嵌套在物镜固定台上；

所述的物镜包括依次设置在红外检测通道头部的第一物镜、第二物镜和第三物镜，以及设置在红外检测通道尾部的第四物镜；第三物镜与第四物镜之间留有后截距所需的间距；探测器靶面位于第四物镜的成像焦点处。

所述的红外检测通道末端的红外成像焦点处设有第一反射镜，第二反射镜与第一反射镜以轴对称的方式设置，红外探测器固定在红外检测通道下方的探测框架上，并位于第二反射镜的反射光路上。

所述的圈架通过螺纹嵌套在红外检测通道内，物镜固定台上、圈架外侧均设有相匹配的螺纹。

固定所述第一物镜、第二物镜、第三物镜的圈架直径依次递减，且用于嵌套相应圈架的物镜固定台依次设置。

所述第一物镜作为接收光线的光阑，其与红外检测通道之间还用密封胶进行密封；所述第二物镜凸面为非球面，以校正第一物镜引入的球差；所述第三物镜的凸面与第二物镜的凹面相贴合，以校正色差；所述第四物镜的凸面为非球面，通过旋转圈架可调整第三物镜与第四物镜之间的后截距间距。

所述的可见光探测通道内开设有聚光腔和反射腔，反射腔内设有直角反射棱镜，可见光探测器固定在反射腔的出口处；所述的聚光腔内开设有多个透镜固定台，透镜固定在圈架上并通过其嵌套在透镜固定台上；

所述的透镜包括依次设置在聚光腔头部的第一透镜和第二透镜，以及设置在聚光腔尾部并相贴合的第三透镜、第四透镜和第五透镜；第二透镜与第三透镜之间设有小孔光阑；探测器靶面与第四透镜的成像焦点镜面对称。

所述的第一透镜为弯月形薄透镜，第二透镜为厚透镜；第三透镜为校正色差的胶合镜，第四透镜为校正场曲的厚透镜，第五透镜为校正球差的薄透镜；改变第二透镜与第四透镜之间的距离可校正像散。

所述的第一透镜为双单透镜或多单透镜。

所述的直角反射棱镜的出射面上还设有滤光片；所述的直角反射棱镜通过固定胶与反射腔的侧壁相固定；所述的滤光片通过固定胶与直角反射棱镜的出射面相固定。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：

本实用新型提供的两通道探测组件，其中红外光学物镜采用四片式结构，而且物镜光学表面引入非球面设计可以减小F数，提高视场边沿的成像质量，还可以使轴外视场的高级球差和轴上的孔径高级球差同时减小，可以在较大视场的情况下，获得较高的成像质量。

进一步的，通过在可见光的透镜光路中插入一个小孔光阑，即在强光环境下通过小孔光阑可以显著地减小光通量，当外部光强变弱时小孔光阑再退出光路，以提高弱光成像效果；本实用新型的透镜设置透镜趋于对称型，而对称系统垂轴像差很容易校正，只需要考虑球差、色差、场曲、像散的校正；还通过后半系统的厚透镜的结构变化校正场曲，利用薄透镜的弯曲校正球差，改变两块厚透镜间的距离可以校正像散，并在厚透镜中引入胶合面来校正色差；从而能够兼顾50～100000lux范围内的成像质量，在一定的气象条件下通过较大视场，获得较高的成像质量；适应于飞行中红外、可见光的分别或同时探测。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的探测框架结构示意图；

图3为探测通道及其探测光学组件示意图；

图4为本实用新型的红外光学组件示意图；

图5为本实用新型的红外组件结构示意图；

图6为本实用新型的可见光学组件示意图；

图7为本实用新型的可见组件结构示意图。

其中，11为探测框架，12为第一反射镜，13为第二反射镜，14为红外探测光学组件，15为可见光探测光学组件；101为红外探测通道，102为可见光探测通道；1401为第一物镜，1402为第二物镜，1403为第三物镜，1404 为第四物镜，1405为红外探测器，1406为红外探测通道，1407为圈架，1408 为探测器靶面；1501为第一透镜，1502为第二透镜，1503为第三透镜，1504 为第四透镜，1505为第五透镜，1506为可见光探测器，1507为滤光片，1508 为直角反射棱镜，1509为小孔光阑。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步详细描述，所述是对本实用新型的解释而不是限定。

参见图1-图7，一种两通道探测组件，包括开设有相平行的红外探测通道101和可见光探测通道102的探测框架11；所述红外探测通道101内设有红外探测光学组件14，红外探测器1405位于红外探测通道101末端的红外成像焦点处，或者位于红外成像焦点经反射镜组反射的光路上；

所述可见光探测通道102内设有可见光探测光学组件15，可见光探测器 1506固定在可见光探测光学组件15末端出口的上方，可见光探测通道102 中心线与可见光探测器1506的探测器靶面中心相垂直。

参见图4、图5，其中红外探测器1405的设置为：所述的红外探测器1405 位于红外检测通道1406的末端，中空的红外检测通道1406的中心线与红外探测器1405的探测器靶面1408中心相对准；所述的红外检测通道1406内开设有多个物镜固定台，物镜固定在圈架1407上并通过圈架1407嵌套在物镜固定台上；

所述的物镜包括依次设置在红外检测通道1406头部的第一物镜1401、第二物镜1402和第三物镜1403，以及设置在红外检测通道1406尾部的第四物镜1404；第三物镜1403与第四物镜1404之间留有后截距所需的间距；探测器靶面1408位于第四物镜1404的成像焦点处。

参见图1，另外一种红外探测器1405的设置为：所述的红外检测通道1406 末端的红外成像焦点处设有第一反射镜12，第二反射镜13与第一反射镜12 以轴对称的方式设置，红外探测器1405固定在红外检测通道1406下方的探测框架11上，并位于第二反射镜13的反射光路上。

具体的，所述的圈架1407通过螺纹嵌套在红外检测通道1406内，物镜固定台上、圈架1407外侧均设有相匹配的螺纹。

具体的，固定所述第一物镜1401、第二物镜1402、第三物镜1403的圈架1407直径依次递减，且用于嵌套相应圈架1407的物镜固定台依次设置。

参见图进一步的，所述第一物镜1401作为接收光线的光阑，其与红外检测通道1406之间还用密封胶进行密封；所述第二物镜1402凸面为非球面，以校正第一物镜1401引入的球差；所述第三物镜1403的凸面与第二物镜 1402的凹面相贴合，以校正色差；所述第四物镜1404的凸面为非球面，通过旋转圈架1407可调整第三物镜1403与第四物镜1404之间的后截距间距。

进一步的，所述的可见光探测通道102内开设有聚光腔和反射腔，反射腔内设有直角反射棱镜1508，可见光探测器1506固定在反射腔的出口处；所述的聚光腔内开设有多个透镜固定台，透镜固定在圈架上并通过其嵌套在透镜固定台上；

参见图6、图7所述的透镜包括依次设置在聚光腔头部的第一透镜1501 和第二透镜1502，以及设置在聚光腔尾部并相贴合的第三透镜1503、第四透镜1504和第五透镜1505；第二透镜1502与第三透镜1503之间设有小孔光阑1509；探测器靶面与第四透镜1504的成像焦点镜面对称。

具体的，所述的第一透镜1501为弯月形薄透镜，第二透镜1502为厚透镜；第三透镜1503为校正色差的胶合镜，第四透镜1504为校正场曲的厚透镜，第五透镜1505为校正球差的薄透镜；改变第二透镜1502与第四透镜1504 之间的距离可校正像散。

具体的，所述的直角反射棱镜1508的出射面上还设有滤光片1507，所述的直角反射棱镜1508通过固定胶与反射腔的侧壁相固定；所述的滤光片 1507通过固定胶与直角反射棱镜1508的出射面相固定。

下面给出具体的实施例。

为了满足飞行中的可见光、红外高精度探测，本实用新型的两通道组件需要在100m高度对下方30m区域覆盖拍摄；而由于光学设计很难兼顾大光谱范围成像的质量，为了兼顾50～100000lux范围内的成像，以及成像的质量考虑提出以下参数要求：照度范围：50～100000lux、帧频：≥5fps、单帧曝光时间：≤40ms、图像畸变：≤5％、视场角：不小于24°×18°(横向×纵向)。

下面进行红外光学组件的说明。

1)红外光学系统参数要求

针对成像要求，采用1028×768分辨率的热像仪可以满足分辨力的要求；在高度超过100m时，单位像素空间分辨率不大于0.42m；其他的光学系统参数要求如下：帧频：≥5fps；单帧曝光时间：≤40ms；在视场边缘处，图像畸变：≤5％；视场角不小于24°×18°(横向×纵向)；可采用一个24°×18°视场对其全面覆盖，当置信度为0.8时，探测组件的可靠度大于等于0.99。

基于以上条件所设计的光学系统要求：视场：24°×18°、口径：Φ＝34、积分时间：10ms、在视场边缘处，图像畸变≤5％。

则焦距计算为：

接收传感器(热像仪)分辨率为1024×768，像元大小为14μm，计算得到靶面的尺寸为14.336mm×10.752mm，靶面对角线为17.92mm，设计要求的视场大小为24°×18°，利用公式(1)计算光学系统的焦距：

式中：

f'——光学系统焦距，单位mm；

d——靶面高度，单位mm；

ω——半视场角，单位°。

利用公式(1)计算得出其焦距为f'＝33.72mm。

入瞳直径计算为：

光学系统F数取为1，利用公式(2)计算系统的入瞳直径：

式中：

D——入瞳直径，单位mm。

f'——当前视场焦距，单位mm；

F^#——系统的F数

利用公式(2)计算得出其入瞳直径

根据以上的计算，光学系统设计要求的外部参数如下：

1)焦距：f'＝33.72mm；

2)波长范围：8～14μm；

3)视场：2ω＝24°×18°；

4)F数：1。

2)光学系统设计

鉴于光学成像的视场较大，光学物镜采用四片式结构以满足成像要求。为了减小F数，提高视场边沿的成像质量，物镜光学表面采用非球面，该结构可以使轴外视场的高级球差和轴上的孔径高级球差同时减小，可以在较大视场的情况下，获得较高的成像质量。

光学系统设计结果如图4所示，系统光学有效口径32mm，光学总长小于50mm。第一物镜采用锗材料，作为系统的光阑，用以接收大范围的光线；第二物镜用以校正第一物镜引入的球差，同样采用锗材料，其凸面为非球面。第三物镜采用硫化锌材料，用以校正系统的色差。第四物镜采用锗材料，其凸面为非球面，用以调整系统的后截距，保证最终的成像质量。像质评价检测表明系统的MTF>0.3(35lp/mm)，最大视场点列斑15μm，约等于一个像元大小；最大畸变小于5％。

3)透过率计算

系统透过率按照公式(3)计算

τ＝τ₁ ^N1×τ₂ ⁿ (3)

式中：

τ-总透过率

τ₁-与空气接触面的透过率，99％；

N1-透射面数，4个；

τ₂-由吸收系数计算出的光学材料透过率，90％；

n-材料总厚度，12mm；

4)公差分析

光学透镜材料误差、面型误差、厚度误差和间隔误差会影响到系统的成像质量，用反转灵敏度法，对上述误差进行计算，重点对光学零件面型和间隔进行了公差分析，分析结果表明系统对光圈，材料均不敏感，加工和装调工艺简单可行。

5)光机结构布置

参见图5，在红外探测通道1406末端设置红外探测器1405，红外探测通道1406的中心线与红外探测器1405的探测器靶面1408中心相对准；物镜固定在圈架1407上并通过圈架1407嵌套在红外探测通道1406内；第一物镜 1401、第二物镜1402和第三物镜1403设置在红外探测通道1406头部，第四物镜1404设置在红外探测通道1406尾部；第三物镜1403与第四物镜1404 之间留出间距，以调整后截距所需的间距。

下面给出可见光组件的说明。

1)可见光光学系统参数要求

由于光学设计很难兼顾大光谱范围成像的质量，为了兼顾50～100000lux 范围内的成像，以及成像的质量考虑提出以下参数要求：照度范围： 50～100000lux、帧频：≥5fps、单帧曝光时间：≤40ms、图像畸变：≤5％、视场角：不小于24°×18°(横向×纵向)。

为了提高弱光成像效果，在空间允许的条件下，尽可能减小F数，这将导致强光下成像抗饱和能力下降，仅靠摄像机本身的动态范围调整是难以应对的；因此提出在光路中插入一个小孔光阑，即在强光环境下通过小孔光阑可以显著地减小光通量，当外部光强变弱时小孔光阑再退出光路。

焦距计算：

接收传感器靶面的尺寸为15.1312mm×10.5984mm(对角线为17.664)，视场为24°×18°，利用公式(1)计算可见光的焦距：

式中：

f'——当前视场焦距，单位mm；

d——靶面高度，单位mm；

ω——半视场角，单位°。

利用公式(1)计算得出其焦距为f'＝33.24mm。

入瞳直径计算：

利用公式(2)计算系统的入瞳直径：

式中：

D——入瞳直径，单位mm；

f'——当前视场焦距，单位mm；

F^#——F数。

利用公式(2)，取F＝1.8计算得出其入瞳直径D＝φ18mm。

根据以上的计算，可见光光学系统设计参数如下：

焦距：f'＝32.66mm；波长范围：0.65～0.85μm；视场：2ω＝24°×18°；

F数：1.8。

2)可见光成像方案

本实用新型的可见光成像装置，属于较大孔径和较大视场光学系统，故以三片型透镜作为设计基础。三片型透镜的F数可以设计到4～5，视场角可以设计到400到500。

而为了减小F数，提高视场边沿的成像质量，对三片型透镜进行优化，增加一块透镜；前半部系统由一个弯月形薄透镜和一个厚透镜组成，后半系统由一个厚透镜和薄透镜组成，此时的四片透镜趋于对称型。

由于对称系统垂轴像差很容易校正，只需要考虑球差、色差、场曲、像散的校正。因此，通过后半系统的厚透镜的结构变化校正场曲，利用薄透镜的弯曲校正球差，改变两块厚透镜间的距离可以校正像散，并在厚透镜中引入胶合面来校正色差。

为了进一步满足更大相对孔径，并保证成像质量，将弯月形薄透镜进一步设计为双单/多单透镜，该结构可以使轴外视场的高级球差和轴上的孔径高级球差同时减小，可以在较大视场的情况下，获得较高的成像质量。因此，本实用新型以对称型四片结构为基础，在其后半部的厚透镜中引入胶合镜以校正色差，该结构可以使轴外视场的高级球差和轴上的孔径高级球差同时减小，可以在较大视场的情况下，获得较高的成像质量。

所组成的光学透镜要求工作波段为0.4～0.8μm，光学系统有效口径 16.7mm，光学总长60mm；可见光波段系统的MTF接近0.4(150lp/mm)，点列斑<4μm，畸变小于3.5％。

3)透过率计算

系统透过率按照公式(3)计算

τ＝τ₁ ^N1×τ₂ ⁿ×τ₃ (3)

式中：

τ—总透过率；

τ₁—与空气接触面的透过率，99％；

N1—透射面数，10个；

τ₂—由吸收系数计算出的光学材料透过率，99％；

n—材料总厚度，3.57cm；

τ₃—滤光镜透过率92％；

4)单位像素空间分辨率验证

当目标距离为1km，像元尺寸为3.45μm时，检测得到目标在探测器靶面占N＝1lp时的目标大小0.208m，故单个像素空间分辨率为0.104m。

本实用新型能够在飞行中进行红外、可见光的两种探测，能够在大范围、较大视场的情况下，获得高精度的成像拍摄；适应于飞行中红外、可见光的分别或同时探测。

以上给出的实施例是实现本实用新型较优的例子，本实用新型不限于上述实施例。本领域的技术人员根据本实用新型技术方案的技术特征所做出的任何非本质的添加、替换，均属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种两通道探测组件，其特征在于，包括开设有相平行的红外探测通道(101)和可见光探测通道(102)的探测框架(11)；所述红外探测通道(101)内设有红外探测光学组件(14)，红外探测器(1405)位于红外探测通道(101)末端的红外成像焦点处，或者位于红外成像焦点经反射镜组反射的光路上；

所述可见光探测通道(102)内设有可见光探测光学组件(15)，可见光探测器(1506)固定在可见光探测光学组件(15)末端出口的上方，可见光探测通道(102)中心线与可见光探测器(1506)的探测器靶面中心相垂直。

2.如权利要求1所述的两通道探测组件，其特征在于，所述的红外探测器(1405)位于红外检测通道(1406)的末端，中空的红外检测通道(1406)的中心线与红外探测器(1405)的探测器靶面(1408)中心相对准；所述的红外检测通道(1406)内开设有多个物镜固定台，物镜固定在圈架(1407)上并通过圈架(1407)嵌套在物镜固定台上；

所述的物镜包括依次设置在红外检测通道(1406)头部的第一物镜(1401)、第二物镜(1402)和第三物镜(1403)，以及设置在红外检测通道(1406)尾部的第四物镜(1404)；第三物镜(1403)与第四物镜(1404)之间留有后截距所需的间距；探测器靶面(1408)位于第四物镜(1404)的成像焦点处。

3.如权利要求2所述的两通道探测组件，其特征在于，所述的红外检测通道(1406)末端的红外成像焦点处设有第一反射镜(12)，第二反射镜(13)与第一反射镜(12)以轴对称的方式设置，红外探测器(1405)固定在红外检测通道(1406)下方的探测框架(11)上，并位于第二反射镜(13)的反射光路上。

4.如权利要求2或3所述的两通道探测组件，其特征在于，所述的圈架(1407)通过螺纹嵌套在红外检测通道(1406)内，物镜固定台上、圈架(1407)外侧均设有相匹配的螺纹。

5.如权利要求2或3所述的两通道探测组件，其特征在于，固定所述第一物镜(1401)、第二物镜(1402)、第三物镜(1403)的圈架(1407)直径依次递减，且用于嵌套相应圈架(1407)的物镜固定台依次设置。

6.如权利要求2或3所述的两通道探测组件，其特征在于，所述第一物镜(1401)作为接收光线的光阑，其与红外检测通道(1406)之间还用密封胶进行密封；所述第二物镜(1402)凸面为非球面，以校正第一物镜(1401)引入的球差；所述第三物镜(1403)的凸面与第二物镜(1402)的凹面相贴合，以校正色差；所述第四物镜(1404)的凸面为非球面，通过旋转圈架(1407)可调整第三物镜(1403)与第四物镜(1404)之间的后截距间距。

7.如权利要求1所述的两通道探测组件，其特征在于，所述的可见光探测通道(102)内开设有聚光腔和反射腔，反射腔内设有直角反射棱镜(1508)，可见光探测器(1506)固定在反射腔的出口处；所述的聚光腔内开设有多个透镜固定台，透镜固定在圈架上并通过其嵌套在透镜固定台上；

所述的透镜包括依次设置在聚光腔头部的第一透镜(1501)和第二透镜(1502)，以及设置在聚光腔尾部并相贴合的第三透镜(1503)、第四透镜(1504)和第五透镜(1505)；第二透镜(1502)与第三透镜(1503)之间设有小孔光阑(1509)；探测器靶面与第四透镜(1504)的成像焦点镜面对称。

8.如权利要求7所述的两通道探测组件，其特征在于，所述的第一透镜(1501)为弯月形薄透镜，第二透镜(1502)为厚透镜；第三透镜(1503)为校正色差的胶合镜，第四透镜(1504)为校正场曲的厚透镜，第五透镜(1505)为校正球差的薄透镜；改变第二透镜(1502)与第四透镜(1504)之间的距离可校正像散。

9.如权利要求7所述的两通道探测组件，其特征在于，所述的第一透镜(1501)为双单透镜或多单透镜。

10.如权利要求7所述的两通道探测组件，其特征在于，所述的直角反射棱镜(1508)的出射面上还设有滤光片(1507)；所述的直角反射棱镜(1508)通过固定胶与反射腔的侧壁相固定；所述的滤光片(1507)通过固定胶与直角反射棱镜(1508)的出射面相固定。

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