CN215219295U - 一种三波段共孔径光学系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种三波段共孔径光学系统，包括：第一共光路透镜组，第一分光镜，第一成像透镜组，第二共光路透镜组，第二分光镜，第二成像透镜组和第三成像透镜组；成像光路第一分光镜用于将来自成像光路第一共光路透镜组的光线分为第一分路光线和第二分路光线，成像光路第一分路光线入射至成像光路第一成像透镜组；成像光路第二共光路透镜组用于将入射的成像光路第二分路光线分为第三支路光线和第四支路光线，成像光路第三支路光线入射至成像光路第二成像透镜组，成像光路第四支路光线入射至成像光路第三成像透镜组。本实用新型的光学系统采用多波段共孔径方式，具有集成度高、体积紧凑、重量轻等优点，适合手持平台应用。

Description

一种三波段共孔径光学系统

技术领域

本实用新型涉及红外技术领域，尤其涉及一种三波段共孔径光学系统。

背景技术

在传统的多波段非制冷手持热像仪中，可见光成像、激光测距和红外成像等不同波段的光学系统分别采用各自的光学系统单独成像。系统具有集成度低、尺寸大、重量重、光学有效口径难以做大等诸多缺陷。

实用新型内容

本实用新型实施例提供一种结构型式简单、高集成度、低成本、高性能的三波段共孔径光学系统，用以克服传统多波段分孔径集成光学系统集成度低、尺寸大、重量重、光学有效口径难以做大等缺陷。

本实用新型实施例提出一种三波段共孔径光学系统，包括：第一共光路透镜组1，第一分光镜2，第一成像透镜组3，第二共光路透镜组4，第二分光镜5，第二成像透镜组6和第三成像透镜组7；

所述第一分光镜2用于将来自所述第一共光路透镜组1的光线分为第一分路光线和第二分路光线，所述第一分路光线入射至所述第一成像透镜组3；

所述第二共光路透镜组4用于将入射的所述第二分路光线分为第三支路光线和第四支路光线，所述第三支路光线入射至所述第二成像透镜组6，所述第四支路光线入射至所述第三成像透镜组7；

所述第一成像透镜组3、第二成像透镜组6和第三成像透镜组7分别接入相应的接收器，以通过相应的接收器进行成像。

在一示例中，所述第一共光路透镜组1包含至少第一共光路子透镜11和第二共光路子透镜12，且所述第一共光路透镜组1至少包含一个非球面；

所述第一共光路子透镜11和第二共光路子透镜12的材料为如下材料之一：溴化钾KBR、多光谱硫化锌ZNS；

所述第一共光路子透镜11和第二共光路子透镜12的前表面镀有保护膜；

所述第一共光路子透镜11和第二共光路子透镜12的焦距范围为[50，400]。

在一示例中，所述第一分光镜2采用分光镜或分光棱镜；

所述第一分光镜2的材料为如下材料之一：硒化锌ZNSE、ZNS和锗GE。

在一示例中，所述第一成像透镜组3为红外成像透镜组，所述第一成像透镜组3的镜片为含有正光焦度的平凸、双凸或正弯月透镜组，且所述第一成像透镜组3中至少包含两个非球面；

所述第一成像透镜组3至少包括顺次设置的第一红外成像透镜31，第二红外成像透镜32，第三红外成像透镜33；

所述第一成像透镜组3的镜片材料为如下材料之一：GE和硒化锌；

所述第一成像透镜组3的焦距范围为[50，300]。

在一示例中，所述第二共光路透镜组4包含至少1片透镜；

所述第二共光路透镜组4的镜片为含有负光焦度的平凸、双凸或正弯月透镜组；

所述第二共光路透镜组4的镜片材料为如下材料之一：ZF6玻璃、K9玻璃；

所述第二共光路透镜组4的焦距范围为[-300，50]。

在一示例中，所述第二分光镜5为可见光/激光分光镜；

所述第二分光镜5为分光镜或分光棱镜；

所述第二分光镜5的镜片材料为如下材料之一：K9玻璃、二氧化硅。

在一示例中，所述第二成像透镜组6为激光成像透镜组，所述第二成像透镜组6至少包括顺次设置的第一激光成像透镜61和第二激光成像透镜62，且所述第二成像透镜组6至少包含一个非球面；

所述第二成像透镜组6的镜片材料为如下材料之一：ZF6玻璃、K9玻璃和二氧化硅；

所述第二成像透镜组6的焦距范围为[10，150]。

在一示例中，所述第三成像透镜组7为可见光成像透镜组；

所述第三成像透镜组7至少包含一片双胶合透镜或三胶合透镜，且所述第三成像透镜组7至少包含一个非球面；

所述第三成像透镜组7至少有一片正透镜材料为CAF2；

所述第三成像透镜组7的焦距范围为[10，200]。

在一示例中，红外成像光路，激光成像光路以及可见光成像光路的光阑均设置在所述第二共光路子透镜12上。

在一示例中，所述光学系统的光学总长L与所述光学系统的系统焦距f之间满足：0.8f≤L≤3f。

本实用新型实施例的光学系统采用多波段共孔径方式，具有集成度高、体积紧凑、重量轻等优点，适合手持平台应用，克服了传统多波段分孔径集成光学系统集成度低、尺寸大、重量重、光学有效口径难以做大等缺陷。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本实用新型的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本实用新型的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本实用新型的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本实用新型实施例光学系统基本结构示意图；

图2为本实用新型实施例光学系统红外畸变曲线；

图3为本实用新型实施例光学系统激光畸变曲线；

图4为本实用新型实施例光学系统可见光畸变曲线；

图5为本实用新型实施例光学系统红外MTF示意图；

图6为本实用新型实施例光学系统激光MTF示意图；

图7为本实用新型实施例光学系统可见光MTF示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本实用新型第一实施例提供一种三波段共孔径光学系统，如图1所示，包括：第一共光路透镜组1，第一分光镜2，第一成像透镜组3，第二共光路透镜组4，第二分光镜5，第二成像透镜组6和第三成像透镜组7；

所述第一分光镜2用于将来自所述第一共光路透镜组1的光线分为第一分路光线和第二分路光线，所述第一分路光线入射至所述第一成像透镜组3；

所述第二共光路透镜组4用于将入射的所述第二分路光线分为第三支路光线和第四支路光线，所述第三支路光线入射至所述第二成像透镜组6，所述第四支路光线入射至所述第三成像透镜组7；

所述第一成像透镜组3、第二成像透镜组6和第三成像透镜组7分别接入相应的接收器，以通过相应的接收器进行成像。

如图1所示，本示例中的共孔径光学系统包括第一共光路透镜组1，第一分光镜2，第一成像透镜组3，第二共光路透镜组4，第二分光镜5，第二成像透镜组6和第三成像透镜组7。其中第一共光路透镜组1，第一分光镜2，第一成像透镜组3组成第一成像光路，第一共光路透镜组1，第一分光镜2，第二共光路透镜组4，第二分光镜5，第二成像透镜组6和第三成像透镜组7，分别组成第二成像光路和第三成像光路，第一成像透镜组3、第二成像透镜组6和第三成像透镜组7分别接入相应的接收器，以通过相应的接收器进行成像。其中第一成像光路可以是红外成像光路，第二成像光路可以是激光成像光路，第三成像光路可以是可见光成像光路。本示例中第一成像光路的F数满足：0.8≤F#≤1.4，第一成像光路的焦距满足：10≤f′≤100；第二成像光路和第三成像光路的F数满足4≤F#≤10，第二成像光路和第三成像光路的焦距满足：8≤f′≤200。

本实用新型系统用于长波8-12μm波段，与640×512，15μm及更小靶面尺寸的非制冷红外探测器、可见光0.4-0.6μm波段，与1920×1080，3.45μm及更小靶面尺寸的ccd和1570μm波段，光敏面大小为0.5mm的雪崩二极管匹配使用。采用本实用新型多波段共孔径方式，具有集成度高、体积紧凑、重量轻等优点，适合手持平台应用，克服了传统多波段分孔径集成光学系统集成度低、尺寸大、重量重、光学有效口径难以做大等缺陷。

在一示例中，所述第一共光路透镜组1包含至少第一共光路子透镜11和第二共光路子透镜12，且所述第一共光路透镜组1至少包含一个非球面；

所述第一共光路子透镜11和第二共光路子透镜12的材料为如下材料之一：溴化钾KBR、多光谱硫化锌ZNS；

所述第一共光路子透镜11和第二共光路子透镜12的前表面镀有保护膜；

所述第一共光路子透镜11和第二共光路子透镜12的焦距范围为[50，400]。

本示例中，第一共光路透镜组1包含至少第一共光路子透镜11和第二共光路子透镜12，镜片材料包含但不仅限于KBR、多光谱ZNS等宽波段材料，前表面可增镀硬质保护膜。

在一示例中，所述第一分光镜2采用分光镜或分光棱镜；

所述第一分光镜2的材料为如下材料之一：硒化锌ZNSE、ZNS和锗GE。

第一分光镜2设置在第二共光路子透镜12后，并在成像光路之前，第一分光镜2可以采用分光镜或分光棱镜，分光镜2可根据光路长短替换成棱镜。

在一示例中，所述第一成像透镜组3为红外成像透镜组，所述第一成像透镜组3的镜片为含有正光焦度的平凸、双凸或正弯月透镜组，且所述第一成像透镜组3中至少包含两个非球面；

所述第一成像透镜组3至少包括顺次设置的第一红外成像透镜31，第二红外成像透镜32，第三红外成像透镜33；

所述第一成像透镜组3的镜片材料为如下材料之一：GE和硒化锌；

所述第一成像透镜组3的焦距范围为[50，300]。

在一示例中，红外成像光路，激光成像光路以及可见光成像光路的光阑均设置在所述第二共光路子透镜12上。

在一示例中，如图1所述，本示例中红外成像光路透镜组包括2片锗单晶，红外光学系统焦距为50mm，F数1，视场角为±10°，光学系统总长136mm，设计波长8-12μm，该系统具体参数如表1所示，其中表面序号代表沿对应光路的透镜的前后表面，例如S1表示第一共光路子透镜11的前表面，S2表示第一共光路子透镜11的后表面。

表1

旋转对称偶次非球面曲面满足下列方程：

上式中，Z为非球面沿光轴方向在高度为Y的位置时，距离非球面顶点的矢高，R为透镜的近轴曲率半径，K为圆锥系数，A、B、C、D为高次非球面系数，表2为该实施例的非球面参数。

表2

	K	A	B	C	D
						S2	0	3E-007	9E-009	1E-014	0
S5	0	1E-006	9E-010	1.2E-013	0
						S8	0	-2.26E-006	2.9E-009	-1.4E-012	0
S10	0	2E-005	5.5E-008	-2.5E-010

在一示例中，所述第二共光路透镜组4包含至少1片透镜；

所述第二共光路透镜组4的镜片为含有负光焦度的平凸、双凸或正弯月透镜组；

所述第二共光路透镜组4的镜片材料为如下材料之一：ZF6玻璃、K9玻璃；

所述第二共光路透镜组4的焦距范围为[-300，50]。

本示例中，第二共光路透镜组4可以是可见光激光共光路透镜，包含至少1片透镜，镜片材料包含但不仅限于ZF6、K9等，镜片为含有负光焦度的平凸、双凸或正弯月透镜组，其焦距满足[-300，50]。

在一示例中，所述第二分光镜5为可见光/激光分光镜；

所述第二分光镜5为分光镜或分光棱镜；

所述第二分光镜5的镜片材料为如下材料之一：K9玻璃、二氧化硅。

在一示例中，所述第二成像透镜组6为激光成像透镜组，所述第二成像透镜组6至少包括顺次设置的第一激光成像透镜61和第二激光成像透镜62，且所述第二成像透镜组6至少包含一个非球面；

所述第二成像透镜组6的镜片材料为如下材料之一：ZF6玻璃、K9玻璃和二氧化硅；

所述第二成像透镜组6的焦距范围为[10，150]。

在一示例中，红外成像光路，激光成像光路以及可见光成像光路的光阑均设置在所述第二共光路子透镜12上。

作为一种具体的实施方式，激光成像光路第一激光成像透镜61和第二激光成像透镜62为两片K9玻璃，激光成像光路焦距为200mm，F数5，视场角为±0.07°，光学系统总长72mm，设计波长1570μm，该系统具体参数如表3所示。

表3

表面序号	面型	曲率半径	中心厚度	材料
					S1	球面	68	12.	KBR
S2	非球面	-112	8
					S3(光阑)	球面	-63	3	ZNS
S4	球面	-97	46
					S5	球面	32	3	ZF6
S6	球面	24	34
					S7	球面	20	5	K9
S8	球面	36	48
					S9	非球面	3.9	5	K9
S10	球面	-9.2	11

旋转对称偶次非球面曲面满足下列方程：

上式中，Z为非球面沿光轴方向在高度为Y的位置时，距离非球面顶点的矢高，R为透镜的近轴曲率半径，K为圆锥系数，A、B、C、D为高次非球面系数，表4为激光成像光路实施例的非球面参数。

表4

	K	A	B	C	D
						S2	0	3E-007	9E-009	1E-014	0
S9	0	3E-005	-3.2E-005	-7.1E-006	0

在一示例中，所述第三成像透镜组7为可见光成像透镜组；

所述第三成像透镜组7至少包含一片双胶合透镜或三胶合透镜，且所述第三成像透镜组7至少包含一个非球面；

所述第三成像透镜组7至少有一片正透镜材料为CAF2；

所述第三成像透镜组7的焦距范围为[10，200]。

在一示例中，红外成像光路，激光成像光路以及可见光成像光路的光阑均设置在所述第二共光路子透镜12上。

本示例中，可见光成像光路的第三成像透镜组7包括第一可见光成像透镜71、第二可见光成像透镜72和第三可见光成像透镜73，其中第一可见光成像透镜71、第二可见光成像透镜72和第三可见光成像透镜73分别为一片HK12、一片HLAF51、一片ZF11-ZF5双胶合透镜。本示例中可见光光学系统焦距为100mm，F数2，视场角为±8°，光学系统总长140mm，设计波长0.4-0.6μm，该系统具体参数如表5所示.

表5

在一示例中，所述光学系统的光学总长L与所述光学系统的系统焦距f之间满足：0.8f≤L≤3f。

本示例中的光学系统的畸变曲线如图2、图3和图4所示，光学系统的红外成像系统、可见光和激光成像系统MTF曲线如图5、图6和图7所示。

本实用新型具有如下优点

本实用新型采用多波段共孔径方式，具有集成度高、体积紧凑、重量轻等优点，适合手持平台应用，本实用新型采用非球面和衍射面技术，系统结构简单，透过率高，成像性能好。通过大口径小F数设计，有利于提高系统的集光能力和成像分辨率，提高探测器的灵敏度。

本实用新型成像视场大，有利于扩大观察范围，可兼容多款非制冷探测器，本实用新型第一共光路透镜前表面镀硬质保护膜，有利于提高系统的防潮湿、盐雾和沙尘等方面的环境适应性。

本实用新型可见光/激光光路和红外光路共用物镜组，有利于提高系统的共轴精度，本实用新型光学系统工艺性好，在镜片和镜筒加工完成后直接进行组合即可满足像质要求，不需要研修等过程，有利于批量化生产。本实用新型可实现红外光路和可见光/激光光路分别调焦，保证系统能够在-40℃～+60℃成像清晰；

需要说明的是，在本文中，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、物品或者装置不仅包括那些要素，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、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

上述本实用新型实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

上面结合附图对本实用新型的实施例进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本实用新型的保护之内。

Claims (10)

1.一种三波段共孔径光学系统，其特征在于，包括：第一共光路透镜组(1)，第一分光镜(2)，第一成像透镜组(3)，第二共光路透镜组(4)，第二分光镜(5)，第二成像透镜组(6)和第三成像透镜组(7)；

所述第一分光镜(2)用于将来自所述第一共光路透镜组(1)的光线分为第一分路光线和第二分路光线，所述第一分路光线入射至所述第一成像透镜组(3)；

所述第二共光路透镜组(4)用于将入射的所述第二分路光线分为第三支路光线和第四支路光线，所述第三支路光线入射至所述第二成像透镜组(6)，所述第四支路光线入射至所述第三成像透镜组(7)；

所述第一成像透镜组(3)、第二成像透镜组(6)和第三成像透镜组(7)分别接入相应的接收器，以通过相应的接收器进行成像。

2.如权利要求1所述的三波段共孔径光学系统，其特征在于，所述第一共光路透镜组(1)包含至少第一共光路子透镜(11)和第二共光路子透镜(12)，且所述第一共光路透镜组(1)至少包含一个非球面；

所述第一共光路子透镜(11)和第二共光路子透镜(12)的材料为如下材料之一：溴化钾KBR、多光谱硫化锌ZNS；

所述第一共光路子透镜(11)和第二共光路子透镜(12)的前表面镀有保护膜；

所述第一共光路子透镜(11)和第二共光路子透镜(12)的焦距范围为[50，400]。

3.如权利要求2所述的三波段共孔径光学系统，其特征在于，所述第一分光镜(2)采用分光镜或分光棱镜；

所述第一分光镜(2)的材料为如下材料之一：硒化锌ZNSE、ZNS和锗GE。

4.如权利要求3所述的三波段共孔径光学系统，其特征在于，所述第一成像透镜组(3)为红外成像透镜组，所述第一成像透镜组(3)的镜片为含有正光焦度的平凸、双凸或正弯月透镜组，且所述第一成像透镜组(3)中至少包含两个非球面；

所述第一成像透镜组(3)至少包括顺次设置的第一红外成像透镜(31)，第二红外成像透镜(32)，第三红外成像透镜(33)；

所述第一成像透镜组(3)的镜片材料为如下材料之一：GE和硒化锌；

所述第一成像透镜组(3)的焦距范围为[50，300]。

5.如权利要求4所述的三波段共孔径光学系统，其特征在于，所述第二共光路透镜组(4)包含至少1片透镜；

所述第二共光路透镜组(4)的镜片为含有负光焦度的平凸、双凸或正弯月透镜组；

所述第二共光路透镜组(4)的镜片材料为如下材料之一：ZF6玻璃、K9玻璃；

所述第二共光路透镜组(4)的焦距范围为[-300，50]。

6.如权利要求5所述的三波段共孔径光学系统，其特征在于，所述第二分光镜(5)为可见光/激光分光镜；

所述第二分光镜(5)为分光镜或分光棱镜；

所述第二分光镜(5)的镜片材料为如下材料之一：K9玻璃、二氧化硅。

7.如权利要求6所述的三波段共孔径光学系统，其特征在于，所述第二成像透镜组(6)为激光成像透镜组，所述第二成像透镜组(6)至少包括顺次设置的第一激光成像透镜(61)和第二激光成像透镜(62)，且所述第二成像透镜组(6)至少包含一个非球面；

所述第二成像透镜组(6)的镜片材料为如下材料之一：ZF6玻璃、K9玻璃和二氧化硅；

所述第二成像透镜组(6)的焦距范围为[10，150]。

8.如权利要求6所述的三波段共孔径光学系统，其特征在于，所述第三成像透镜组(7)为可见光成像透镜组；

所述第三成像透镜组(7)至少包含一片双胶合透镜或三胶合透镜，且所述第三成像透镜组(7)至少包含一个非球面；

所述第三成像透镜组(7)至少有一片正透镜材料为CAF2；

所述第三成像透镜组(7)的焦距范围为[10，200]。

9.如权利要求7或8所述的三波段共孔径光学系统，其特征在于，红外成像光路，激光成像光路以及可见光成像光路的光阑均设置在所述第二共光路子透镜(12)上。

10.如权利要求1-8任一项所述的三波段共孔径光学系统，其特征在于，所述光学系统的光学总长L与所述光学系统的系统焦距f之间满足：0.8f≤L≤3f。

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