CN214151221U - 一种共光路宽窄视场组合的红外双波段成像光学系统 - Google Patents
一种共光路宽窄视场组合的红外双波段成像光学系统 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型公开了一种共光路宽窄视场组合的红外双波段成像光学系统，从物方到像方，依次包括离轴四反无焦系统、分光组和红外双波段定焦后组；离轴四反无焦系统包括四个光学元件，分光组包括可分别切入切出光路的三个分光镜；光束通过离轴四反无焦系统的四个光学元件后入射分光组切入光路的不同分光镜，再经过红外双波段定焦后组到达探测器靶面，分别形成中波红外窄视场和长波红外宽视场组合成像、中波红外宽视场和长波红外窄视场组合成像、中波红外和长波红外窄视场组合成像；分光组无分光镜切入光路时，长波、中波红外经红外双波段定焦后组透射到达探测器靶面，形成中波红外和长波红外宽视场组合成像。
Description
技术领域
本实用新型涉及光学技术领域，尤其涉及一种共光路宽窄视场组合的红外双波段成像光学系统。
背景技术
现有技术中，红外双波段光学系统成像体制大部分基于传统红外系统的定焦或变焦结构形式，中波红外和长波红外只能同时以某一相同视场成像，不能实现双波段不同视场组合成像，例如：中国专利申请《共光路红外双波段共焦面变焦光学系统》(专利公布号CN103197407A)提出了一种焦距460mm/153mm/46mm三档变焦，适配320×256 30微米F2.5制冷型中长波红外双色探测器；中国文献《制冷红外双波段变焦光学系统设计》(长春理工大学学报(自然科学版)，2020，43(04)：25-30)公开的光学系统，其采用焦平面阵列为320×256，像元尺寸为30μm的中长波双波段红外制冷型探测器同时接收中长波段的红外辐射，焦距80～240mm内连续变化，视场角1.4°～4.4°，F 数为2.2。
实用新型内容
本实用新型的目的是，提供一种共光路宽窄视场组合的红外双波段成像光学系统，在维持红外双波段探测系统紧凑性的同时，实现中波红外和长波红外不同宽视场、窄视场组合成像。
本实用新型为达目的所采用的技术方案是：
本实用新型提供一种共光路宽窄视场组合的红外双波段成像光学系统，从物方到像方，依次包括离轴四反无焦系统、分光组和红外双波段定焦后组；
离轴四反无焦系统包括四个光学元件，分光组包括可分别切入切出光路的三个分光镜；光束通过离轴四反无焦系统的四个光学元件后入射分光组切入光路的不同分光镜，再经过红外双波段定焦后组到达探测器靶面，分别形成中波红外窄视场和长波红外宽视场组合成像、中波红外宽视场和长波红外窄视场组合成像、中波红外和长波红外窄视场组合成像；
分光组无分光镜切入光路时，长波、中波红外经红外双波段定焦后组透射到达探测器靶面，形成中波红外和长波红外宽视场组合成像。
接上述技术方案，离轴四反无焦系统包括：
主镜为离轴抛物面，主镜焦距f1与通光口径D1的比值0.5≤f1/D1≤0.65；
次镜为离轴双曲面，次镜焦距f2与通光口径D2的比值0.7≤f2/D2≤0.8；
三镜为平面反射镜，与水平入射光轴成45°夹角放置；
四镜为离轴抛物面，四镜焦距f4与通光口径D4的比值1≤f4/D4≤1.2。
接上述技术方案，分光组的每个分光镜切入光路时，均与水平入射光轴成45°夹角。
接上述技术方案，红外双波段定焦后组包括主物镜透镜组群、弯月形式的物镜、二次成像透镜组群以及正光焦度双凸形式的透镜，其F数与红外双色探测器相匹配，在分光组不切入的情况下，在中波红外宽视场及长波红外宽视场双波段成像。
接上述技术方案，红外双波段定焦后组还包括折转反射镜，对中波红外及长波红外能量全反射，其放置在主物镜透镜组群与弯月形式的物镜之间，并与水平入射光轴成45°夹角，将水平光轴折转90°。
接上述技术方案，二次成像透镜组群包括共光轴的三个透镜，其光焦度分别为正、负、正，且至少有一个透镜具有非球面。
接上述技术方案，离轴四反无焦系统的出射光轴与入射光轴成90°夹角。
本实用新型产生的有益效果是：本实用新型的共光路宽窄视场组合的红外双波段成像光学系统中，光束通过离轴四反无焦系统的四个光学元件后入射分光组切入光路的不同分光镜，再经过红外双波段定焦后组分别形成中波红外窄视场和长波红外宽视场组合成像、中波红外宽视场和长波红外窄视场组合成像、中波红外和长波红外窄视场组合成像；分光组无分光镜切入光路时，长波、中波红外经红外双波段定焦后组透射到达探测器靶面，构成中波红外和长波红外宽视场通道，形成中波红外和长波红外宽视场组合成像。整个系统光路布局巧妙，通过切换不同的分光元件，改变探测通道波段及视场，探测通道灵活多变，功能多样；此外，光学系统折反式组合设计，结构紧凑，符合装备小型化、多功能集成化需求。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：
图1本专利光学系统构成示意图；
图2本专利工作模式一光学路示意图，其中a为窄视场中波红外光，b 为宽视场长波红外光；
图3本专利工作模式二光学路示意图，其中c为窄视场长波红外光，d 宽视场中波红外光；
图4本专利工作模式三光学路示意图，其中e为窄视场中波红外光、窄视场长波红外光；
图5本专利工作模式四光学路示意图，其中f为宽视场中波红外光、宽视场长波红外光；
图6本专利光学系统窄视场中波红外传递函数图；
图7本专利光学系统宽视场中波红外传递函数图；
图8本专利光学系统窄视场长波红外传递函数图；
图9本专利光学系统宽视场长波红外传递函数图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
图1所示共光路宽窄视场组合的红外双波段成像光学系统光路示意图中，顺着光线走向左侧为物方侧，右侧为像方侧。本实用新型的共光路宽窄视场组合的红外双波段成像光学系统，从物方到像方依次包括离轴四反无焦系统 01、可切换的分光组02和红外双波段定焦后组03。分光组02采用切换的分光元件方式实现中波红外和长波红外两种不同波段、宽视场和窄视场之间的两两组合。本实用新型中分光组02的分光元件的切换位置设定四个档位，可分别实现反射中波红外及透射长波红外、反射长波红外及透射中波红外、反射中波红外及反射长波红外和透射中波红外及透射长波红外四种状态，与之对应实现了四种中波红外和长波红外的宽窄视场组合，分别为：中波红外窄视场成像及长波红外宽视场成像、中波红外宽视场成像及长波红外窄视场成像、中波红外窄视场成像及长波红外窄视场成像和中波红外宽视场成像及长波红外宽视场成像。
离轴四反无焦系统01包括主镜011、次镜012、三镜013和四镜014四个反射光学元件。离轴四反无焦系统01针对中波红外和长波红外双波段扩束，扩束比的倍率对应宽视场和窄视场，为兼顾体积与搜索效率、识别效果，一般3～4倍为宜，其中主镜011为离轴抛物面，主镜焦距f1与通光口径D1的比值0.5≤f1/D1≤0.65；次镜012为离轴双曲面，次镜焦距f2与通光口径D2的比值0.7≤f2/D2≤0.8；三镜013为平面反射镜，与水平入射光轴成45°夹角放置；四镜014为离轴抛物面，四镜焦距f4与通光口径D4的比值1≤f4/D4≤1.2。离轴四反无焦系统01巧妙折叠光路，出射光轴与入射光轴成90°夹角，充分利用空间尺寸。离轴四反无焦系统01为窄视场中波红外与窄视场长波红外共用。
另外，本实用新型中的分光组02包括三种分光元件，可受控一次切换一种分光元件以与水平入射光轴成45°夹角移入光路，这三种切入光路的分光元件特性分别为：反射中波红外及透射长波红外的分光镜、反射长波红外及透射中波红外的分光镜、反射中波红外及反射长波红外的分光镜。这三种分光组的切入状态与都不切入至光路组合共构成了四种状态，实现了四种中波红外和长波红外的宽窄视场组合，分别为：中波红外窄视场成像及长波红外宽视场成像、中波红外宽视场成像及长波红外窄视场成像、中波红外窄视场成像及长波红外窄视场成像和中波红外宽视场成像及长波红外宽视场成像。
另外，本实用新型中的红外双波段定焦后组03相当于一个定焦物镜，包括主物镜透镜组群031、弯月形式的物镜三033、二次成像透镜组群034以及正光焦度双凸形式的透镜七035，其F数与红外双色探测器相匹配，在前述分光组02不切入的情况下实现中波红外宽视场及长波红外宽视场双波段成像。
另外，本实用新型的红外双波段定焦后组03还包括折转反射镜032，可对中波红外及长波红外能量全反射，放置在红外双波段定焦后组03的主物镜透镜组群031与弯月形式的物镜三033之间，与水平入射光轴成45°夹角，将水平光轴折转90°，以利于整个光学系统的紧凑。
另外，二次成像透镜组群034从物体侧依次包括具有正光焦度透镜四 0341、负光焦度透镜五0342和正光焦度透镜六0343，为简化系统、提高透过率和改善像质，该二次成像透镜组群034的透镜至少一个面是非球面。
离轴四反无焦系统01、分光组02和红外双波段定焦后组03的组合构成红外双波段成像窄视场通道；分光组02和红外双波段定焦后组03组合构成红外双波段宽视场通道。当可切换的分光组02切入反射中波红外透射长波红外的分光镜时，中波红外经过离轴四反无焦系统01反射、可切换分光组02 反射和红外双波段后组03透射到达探测器靶面，构成中波红外窄视场通道；与此同时，长波红外经可切换分光组02透射和红外双波段后组03透射到达探测器靶面，构成长波红外宽视场通道，实现中波红外窄视场和长波红外宽视场组合成像，对应工作模式一，光路如图1工作模式一光学路示意图所示。
当分光组02切入反射长波红外透射中波红外的分光镜时，长波红外经过离轴四反无焦系统01反射、分光组02反射和红外双波段定焦后组03透射到达探测器靶面，构成长波红外窄视场通道；与此同时，中波红外经可切换分光组02透射和红外双波段定焦后组03透射到达探测器靶面，构成中波红外宽视场通道，实现中波红外宽视场和长波红外窄视场组合成像，对应工作模式二，光路如图2工作模式二光学路示意图所示。
当可切换的分光组02切入反射中波红外反射长波红外的分光镜时，长波红、中波外经过离轴四反无焦系统01反射、分光组02反射和红外双波段定焦后组03透射到达探测器靶面，构成中波红外和长波红外窄视场通道，实现中波红外和长波红外窄视场组合成像，对应工作模式三，光路如图3工作模式三光学路示意图所示。
当可切换的分光组02切入透射中波红外透射长波红外分光镜时(空档，对应分光组02中三个分光镜均切出光路)，长波、中波红外经红外双波段定焦后组03透射到达探测器靶面，构成中波红外和长波红外宽视场通道，实现中波红外和长波红外宽视场组合成像，对应工作模式四，光路如图4工作模式四光学路示意图所示。
该光学系统实施例1具体设计参数如表1。
表1具体实施例1的光学系统设计参数表
表1中，曲率半径是指每个镜片表面的曲率半径，厚度或间隔是指镜片厚度或相邻镜片表面距离，材料是镜片所用材料，空气是指两个透镜之间介质为空气。*代表非球面，表中第2列的数字为镜片的表面编号，如5、6表示分光组02每次切入光路镜片的前、后表面。
为使光学系统获得比较好的像质，离轴四反无焦系统中使用三片非球面，分别位于第一片主镜011、第二片次镜012和第四片反射镜014；红外双波段定焦后组使用一个非球面设计，为第四片透镜0341的第二面，表2是其非球面系数。
表2具体实施例中使用非球面系数
非球面方程定义如下：
最后应当说明的是：本实用新型并不仅限于上述实施方式，在本领域的技术人员应当理解，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下进行修改或者等同替换。
图6～图9为本实用新型专利光学系统的光学传递函数仿真数据图。其中：图6为窄视场中波红外通道在20lp/mm时的传递函数曲线图；图7为宽视场中波红外通道在20lp/mm时的传递函数曲线图；图8为窄视场长波红外通道在20lp/mm时的传递函数曲线图；图9为宽视场长波红外通道在20lp/mm 时的传递函数曲线图。
综上，本实用新型相较于目前主流红外双波成像光学系统，共光路宽窄视场组合的红外双波段成像光学系统技术优势主要体现在三个方面：(1)提高复杂环境适应能力，能同时获得不同宽窄视场组合的中波、长波两个大气窗口的红外辐射信息，兼具中波红外和长波红外成像探测优点，可利用目标在不同红外波段图像里固有的、较强的差异性和互补性，获取目标更多的有效信息。充分发挥中波分辨率高和长波探测灵敏度高的特点，大幅提升红外光学系统对复杂环境的适应能力；(2)提升效率，提高对目标的探测识别成功率，中波红外和长波红外成像四种不同宽窄视场组合，充分利用双波段焦平面探测器同步获取分离波段信息的能力，具备中波红外、长波红外分别以不同宽窄视场同步探测功能，操作者无需在宽视场和窄视场之间反复变焦搜索并识别感兴趣的目标，有效提升搜索跟踪系效率，减少建立跟踪的时间，提高跟踪精度，降低虚警率等；(3)布局紧凑，有利于小型化、多功能化设计。系统光路布局巧妙，通过切换不同的分光元件，改变探测通道波段及视场，探测通道灵活多变，功能多样；光学系统折反式组合设计，结构紧凑，符合装备小型化、多功能集成化需求。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。
Claims (7)
1.一种共光路宽窄视场组合的红外双波段成像光学系统，其特征在于，从物方到像方，依次包括离轴四反无焦系统(01)、分光组(02)和红外双波段定焦后组(03)；
离轴四反无焦系统(01)包括四个光学元件，分光组(02)包括可分别切入切出光路的三个分光镜；光束通过离轴四反无焦系统(01)的四个光学元件后入射分光组(02)切入光路的不同分光镜，再经过红外双波段定焦后组(03)到达探测器靶面，分别形成中波红外窄视场和长波红外宽视场组合成像、中波红外宽视场和长波红外窄视场组合成像、中波红外和长波红外窄视场组合成像；
分光组(02)无分光镜切入光路时，长波、中波红外经红外双波段定焦后组(03)透射到达探测器靶面，形成中波红外和长波红外宽视场组合成像。
2.根据权利要求1所述的共光路宽窄视场组合的红外双波段成像光学系统，其特征在于，离轴四反无焦系统(01)包括：
主镜(011)为离轴抛物面，主镜焦距f1与通光口径D1的比值0.5≤f1/D1≤0.65；
次镜(012)为离轴双曲面，次镜焦距f2与通光口径D2的比值0.7≤f2/D2≤0.8；
三镜(013)为平面反射镜，与水平入射光轴成45°夹角放置；
四镜(014)为离轴抛物面，四镜焦距f4与通光口径D4的比值1≤f4/D4≤1.2。
3.根据权利要求1所述的共光路宽窄视场组合的红外双波段成像光学系统，其特征在于，分光组(02)的每个分光镜切入光路时，均与水平入射光轴成45°夹角。
4.根据权利要求1所述的共光路宽窄视场组合的红外双波段成像光学系统，其特征在于，红外双波段定焦后组(03)包括主物镜透镜组群(031)、弯月形式的物镜(033)、二次成像透镜组群(034)以及正光焦度双凸形式的透镜(035)，其F数与红外双色探测器相匹配，在分光组(02)不切入的情况下，在中波红外宽视场及长波红外宽视场双波段成像。
5.根据权利要求1所述的共光路宽窄视场组合的红外双波段成像光学系统，其特征在于，红外双波段定焦后组(03)还包括折转反射镜(032)，对中波红外及长波红外能量全反射，其放置在主物镜透镜组群(031)与弯月形式的物镜(033)之间，并与水平入射光轴成45°夹角，将水平光轴折转90°。
6.根据权利要求4所述的共光路宽窄视场组合的红外双波段成像光学系统，其特征在于，二次成像透镜组群(034)包括共光轴的三个透镜，其光焦度分别为正、负、正，且至少有一个透镜具有非球面。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的共光路宽窄视场组合的红外双波段成像光学系统，其特征在于，离轴四反无焦系统的出射光轴与入射光轴成90°夹角。
Priority Applications (1)
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| CN202022721023.5U CN214151221U (zh) | 2020-11-23 | 2020-11-23 | 一种共光路宽窄视场组合的红外双波段成像光学系统 |
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Cited By (1)
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| CN112305739A (zh) * | 2020-11-23 | 2021-02-02 | 湖北久之洋红外系统股份有限公司 | 共光路宽窄视场组合的红外双波段成像光学系统 |
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2020
- 2020-11-23 CN CN202022721023.5U patent/CN214151221U/zh active Active
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| CN112305739A (zh) * | 2020-11-23 | 2021-02-02 | 湖北久之洋红外系统股份有限公司 | 共光路宽窄视场组合的红外双波段成像光学系统 |
| CN112305739B (zh) * | 2020-11-23 | 2024-01-26 | 湖北久之洋红外系统股份有限公司 | 共光路宽窄视场组合的红外双波段成像光学系统 |
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