CN216310399U

CN216310399U - 一种双波段双视场光学系统

Info

Publication number: CN216310399U
Application number: CN202120898250.7U
Authority: CN
Inventors: 刘琳; 温庆荣; 彭晴晴; 刘纪洲
Original assignee: CETC 11 Research Institute
Current assignee: CETC 11 Research Institute
Priority date: 2021-04-28
Filing date: 2021-04-28
Publication date: 2022-04-15
Anticipated expiration: 2031-04-28

Abstract

本实用新型公开了一种双波段双视场光学系统，包括：沿光路顺次设置的物镜组、固定镜组、调焦镜、场镜镜组和会聚镜；所述物镜组与所述固定镜组之间还设置有视场切换镜组；所述视场切换镜组用于实现大视场与小视场的切换。本实用新型通过在物镜组与固定镜组之间设置有视场切换镜组，由此实现了视场的切换，同时适用于大视场和小视场，满足多视场的需求，提高目标探测的效率。

Description

一种双波段双视场光学系统

技术领域

本实用新型涉及红外成像技术领域，尤其涉及一种双波段双视场光学系统。

背景技术

传统的单波段成像技术从单元到线阵及焦平面的发展已相当完善，但是单波段的红外探测有各自的局限性。例如在热目标、燃烧物、烟雾、障碍物甚至寒冷天气等恶劣战场条件下长波红外热像仪具有较强的侦察能力。因此，利用红外波段不同波长范围的光谱，可以有效剔除目标的伪装信息，提高目标的探测与识别能力、识别速度，并降低系统的虚警率。

随着红外成像技术与光电观瞄设备的发展，现有的单波段红外成像设备很难满足现代信息获取高效、多元、准确和实时的需求。

实用新型内容

本实用新型实施例提供一种双波段双视场光学系统，实现双波段的共光路设计，满足多视场的需求，提高目标探测的效率。

本实用新型实施例提供一种双波段双视场光学系统，包括：沿光路顺次设置的物镜组、固定镜组、调焦镜、场镜镜组和会聚镜；

所述物镜组与所述固定镜组之间还设置有视场切换镜组；

所述视场切换镜组用于实现大视场与小视场的切换。

在一实施方式中，所述物镜组包括第一物镜和第二物镜；

其中，所述第一物镜的光焦度为正，所述第二物镜的光焦度为负；

所述第一物镜采用硒化锌材料制成；

所述第二物镜采用硫化锌材料制成。

在一实施方式中，所述固定镜组包括第一固定镜、第二固定镜和第三固定镜；

其中，所述第一固定镜和第二固定镜的光焦度为正，所述第三固定镜的光焦度为负；

所述第一固定镜采用光学玻璃材料制成；

所述第二固定镜和第三固定镜采用锗材料制成。

在一实施方式中，所述视场切换镜组包括第一切换镜、第二切换镜和第三切换镜；

其中所述第一切换镜的光焦度为负，所述第二切换镜和第三切换镜的光焦度为正；

所述第一切换镜和第三切换镜采用光学玻璃材料制成；

所述第二切换镜采用锗材料制成。

在一实施方式中，所述调焦镜的光焦度为正，所述调焦镜采用锗材料制成；

所述会聚镜的光焦度为负，所述会聚镜采用光学玻璃材料制成。

在一实施方式中，所述场镜镜组包括第一场镜和第二场镜；

所述第一场镜的光焦度为负，所述第二场镜的光焦度为正；

所述第一场镜采用锗材料制成；

所述第二场镜采用光学玻璃材料制成。

在一实施方式中，还包括窗口透镜，所述窗口透镜沿光路.设置在所述物镜组之前；

所述窗口透镜为无光焦度的平板镜，所述窗口透镜采用锗材料制成；

所述窗口透镜倾斜设置，且所述窗口透镜与光轴的夹角满足：

θ＝1/4α₂

其中，θ表示窗口透镜与光轴的夹角，α₂表示所述大视场对应的全视场角度。

在一实施方式中，包括第一反射镜和第二反射镜；

所述第一反射镜设置在所述固定镜组与所述调焦镜之间；

所述第二反射镜设置在所述调焦镜与所述场镜镜组之间

所述第一反射镜和所述第二反射镜采用石英材料制成。

在一实施方式中，所述小视场对应的焦距f₁以及所述大视场对应的焦距f₂满足：

200≤f₁≤350

50≤f₂≤87.5。

在一实施方式中，所述光学系统的F数满足：

2≤F#≤4。

本实用新型通过在物镜组与固定镜组之间设置有视场切换镜组，由此实现了视场的切换，同时适用于大视场和小视场，满足多视场的需求，提高目标探测的效率。

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为本实用新型第一实施例光学系统结构示意图；

图2、图3本实用新型第二实施例小视场中波和长波的传递函数MTF曲线；

图4、图5本实用新型第二实施例大视场中波和长波的传递函数MTF曲线。

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。

所述物镜组与所述固定镜组之间还设置有视场切换镜组；

所述视场切换镜组用于实现大视场与小视场的切换。

如图1所示，本实施例中提出一种双波段双视场光学系统，包括沿光路顺次设置的物镜组、固定镜组、调焦镜6、场镜镜组和会聚镜9。其中视场切换镜组用于实现大视场与小视场的切换，例如视场切换镜组可以通过旋转移入光路来实现大视场的切换。调焦镜组用于实现系统高低温和物距补偿。会聚镜9之后设置有接收器件，本实施例中光学系统的接收器件为中长波双波段红外凝视焦平面探测器。本实施例中，中长波双波段可以为，中波3.7-4.8μm，长波为7.7-11.5μm。中长波双波段红外凝视焦平面探测器的靶面尺寸可以是 1280×1024，像元尺寸为12μm。本实施例中光路与探测器实现100％冷光阑匹配。

本实施例的双波段光学系统可以全部采用球面和非球面面型，无衍射面，进而降低加工难度和成本。本实施例通过在物镜组与固定镜组之间设置有视场切换镜组，由此实现了视场的切换，同时适用于大视场和小视场，由此实现了视场的切换，适用于大视场和小视场，满足多视场的需求，提高目标探测的效率。本实用新型双视场切换也满足了大视场大范围观测，小视场精确瞄准的使用需求。

在一实施方式中，所述物镜组包括第一物镜和第二物镜；

所述第一物镜采用硒化锌材料制成；

所述第二物镜采用硫化锌材料制成。

本实施例中，物镜组包括第一物镜21和第二物镜22，其中第一物镜21 的光焦度为正，所述第二物镜22的光焦度为负；

所述第一物镜21采用ZnSe材料制成；

所述第二物镜22采用ZnS材料制成。

在一实施方式中，所述固定镜组包括第一固定镜41、第二固定镜42和第三固定镜43；

其中，所述第一固定镜41和第二固定镜42的光焦度为正，所述第三固定镜43的光焦度为负；

所述第一固定镜41采用光学玻璃材料制成；

所述第二固定镜42和第三固定镜43采用锗材料制成。

本实施例中，固定镜组包括第一固定镜41、第二固定镜42和第三固定镜 43；第一固定镜41和第二固定镜42的光焦度为正，第三固定镜43的光焦度为负。

本实施例中，所述第一固定镜41可以采用光学玻璃材料IRG206制成；

所述第二固定镜42和第三固定镜43可以采用Ge单晶材料制成。

在一实施方式中，所述视场切换镜组包括第一切换镜31、第二切换镜32 和第三切换镜33；

其中所述第一切换镜31的光焦度为负，所述第二切换镜32和第三切换镜33的光焦度为正；

所述第一切换镜31和第三切换镜33采用光学玻璃材料制成；

所述第二切换镜32采用锗材料制成。

本实施例中，视场切换镜组包括第一切换镜31、第二切换镜32和第三切换镜33。其中所述第一切换镜31的光焦度为负，所述第二切换镜32和第三切换镜33的光焦度为正，第一切换镜31可以采用IRG207光学玻璃材料制成，第二切换镜32采用Ge单晶材料制成，第三切换镜33可以采用IRG206光学玻璃材料制成。

在一实施方式中，所述调焦镜6的光焦度为正，所述调焦镜6采用锗材料制成；

所述会聚镜9的光焦度为负，所述会聚镜9采用光学玻璃材料制成。

在一实施方式中，所述场镜镜组包括第一场镜81和第二场镜82；

所述第一场镜81的光焦度为负，所述第二场镜82的光焦度为正；

所述第一场镜81采用锗材料制成；

所述第二场镜82采用光学玻璃材料制成。

本实施例中，第一场镜81的光焦度为负，第二场镜82的光焦度为正；

第一场镜81可以采用Ge单晶材料制成；

第二场镜82可以采用IRG206光学玻璃材料制成。

在一实施方式中，还包括窗口透镜1，所述窗口透镜1沿光路设置在所述物镜组之前；

所述窗口透镜1为无光焦度的平板镜，所述窗口透镜1采用锗材料制成；

所述窗口透镜1倾斜设置，且所述窗口透镜1与光轴的夹角满足：

θ＝1/4α₂

本实施例中，如图1所示，还包括窗口透镜1，所述窗口透镜1沿光路设置在所述物镜组之前。窗口透镜1为无光焦度的平板透镜。窗口透镜1采用 Ge单晶材料制成，窗口透镜1倾斜放置，与光轴的夹角θ与为大视场对应的全视场角度α₂的满足以下关系：θ＝1/4α₂。本实例中窗口透镜1面向拍摄物体方的表面镀硬质保护膜。

本实施例的光学系统的红外材料ZnSe、多光谱ZnS、Ge单晶、硫系玻璃 IRG206和IRG207全部为国产材料，提高了光学系统的国产化。

在一实施方式中，包括第一反射镜5和第二反射镜7；

所述第一反射镜5设置在所述固定镜组与所述调焦镜6之间；

所述第二反射镜7设置在所述调焦镜6与所述场镜镜组之间

所述第一反射镜5和所述第二反射镜7采用石英材料制成。

本实施例中，第一反射镜5和第二反射镜7用于缩小系统长度，提高系统的集成度。

在一实施方式中，所述小视场对应的焦距f₁以及所述大视场对应的焦距 f₂满足：

200≤f₁≤350

50≤f₂≤87.5。

在一实施方式中，所述光学系统的F数满足：

2≤F#≤4。

综上本实施例的红外双波段双视场光学系统设计，适应大靶面、宽波段、高分辨率的双色探测器发展，同时全部采用国产材料，实现了高性能、切换效率高的光学系统。提高了红外光学系统在光电观瞄设备中多元、高效的目标探测需求，实现了中波和长波的实时图像融合，为目标告警提供了更为丰富的图像信息，降低了虚警概率。

实施例二

本实用新型第二实施例提出一种中长波红外双波段双视场光学系统，包括沿光路方向的窗口透镜1、物镜组、视场切换镜组、固定组、第一反射镜5、调焦镜6、第一反射镜7、场镜镜组和会聚镜。视场切换镜组通过旋转移入光路来实现大视场的切换。光路的方向为沿着光线的入射方向。

本实施例中视场切换镜组可以通过旋转移入光路来实现大视场的切换。调焦镜组用于实现系统高低温和物距补偿。会聚镜9之后设置有接收器件，本实施例中光学系统的接收器件为中长波双波段红外凝视焦平面探测器。本实施例中，中长波双波段可以为，中波3.7-4.8μm，长波为7.7-11.5μm。中长波双波段红外凝视焦平面探测器的靶面尺寸可以是1280×1024，像元尺寸为 12μm。

本实施例中，还包括窗口透镜1，所述窗口透镜1沿光路设置在所述物镜组之前。窗口透镜1为无光焦度的平板透镜。窗口透镜1采用Ge单晶材料制。由于物镜组的第一物镜21采用ZnSe材料制成，材料强度较低、硬度差，且双波段膜层无法镀金刚石膜，因此在物镜组进光方向设置保护窗口透镜1，材料为锗单晶，窗口透镜1镀双波段硬质保护膜。

本实施例中的具体光路为：

小视场时，入射光依次通过窗口透镜1、物镜组、固定镜组折射，再经第一反射镜5反射，反射光入射至调焦镜6、场镜镜组折射后再次经过第二反射镜7反射，最后通过会聚镜折射入射至探测器。

大视场时，入射光依次通过窗口透镜1、物镜组、视场切换镜组和固定组折射，再经第一反射镜5反射，反射光入射至调焦镜6、场镜镜组折射后再次经过第二反射镜7反射，最后通过会聚镜折射入射至探测器。

本实施例中窗口透镜1为无光焦度的平板，物镜组由光焦度为正的透镜和光焦度为负的透镜组成，视场切换镜组依次由光焦度为负的透镜、光焦度为正的透镜和光焦度为正的透镜组成，固定组依次由光焦度为正的透镜、光焦度为正的透镜和光焦度为负的透镜组成。第一反射镜5为无光焦度的平板，调焦镜为光焦度为正的透镜，第二反射镜7为无光焦度的平板，场镜镜组由光焦度为负的透镜和光焦度为正的透镜组成，会聚镜为光焦度为正的透镜。

本实施例中，小视场对应的焦距f₁以及所述大视场对应的焦距f₂满足：

200≤f₁≤350；

50≤f₂≤87.5；

视场切换倍率为η＝4。

在一实施方式中，所述光学系统的F数满足：

2≤F#≤4。

本实施例中调焦镜组的位置在固定反射镜1与固定反射镜2之间。调焦镜组用于实现系统高低温和物距补偿。

本实施例的双波段红外光学系统的F#为2。

本实施例的双波段红外光学系统的焦距为：f1＝350mm；f2＝50mm。

本实施例的中长波双波段红外凝视焦平面探测器靶面为：1280×1024，像元尺寸为12μm。

本实施例中，窗口与光路垂直面的夹角θ为1°。

本实施例光学系统的参数如表1、表2所示。

表1小视场光学系统的光学参数

表2大视场光学系统的光学参数

本实施例中光学系统非球面的表面面形如表3所示。

表3表面面形

表面序号	K	A	B	C	D
						43	0	3.49832E-07	2.82552E-10	-8.43680E-13	9.75397E-17
	0	1.77984E-07	6.60460E-10	-7.77665E-14	-5.41475E-15
						32	0	-1.67616E-04	5.27561E-07	-2.36613E-09	-4.44319E-12
	0	-1.26123E-04	5.66181E-07	-2.23074E-09	2.76831E-12
						81	0	-1.56400E-05	-9.60702E-08	6.11422E-10	-2.29344E-12
	0	1.283723e-006	-6.86267e-009	4.70303e-011	0

表面加工有非球面的面形方程为：

式中，

c:近轴曲率半径

k：conic系数

A、B、C、D：非球面系数

r：曲率半径

本是实施例的光学系统通过不同材料的光焦度和色散系数的搭配，实现了中长波宽波段共光路光学系统的色差校正，材料从国产晶体和硫系玻璃的厂家牌号中选取，以材料特性好、加工性好、产能高为基础，以数量和种类最少为原则，实现光学系统结构的搭建。本实施例通过非球面的使用，校正大靶面像面造成的轴外像差，使得设计获得了优良的像质。没有使用谐衍射光学元件，降低了系统加工难度和成本。图2和图3分别为小视场中波和长波的传递函数设计结果，从图中可以看出，光学系统的传递函数MTF在特征频率42lp/mm处，轴上和轴外全视场的MTF贴近衍射极限。图4和图5分别为大视场中波和长波的传递函数设计结果，从图中可以看出，光学系统的传递函数MTF在特征频率42lp/mm处，轴上和轴外全视场的MTF贴近衍射极限。光学系统具有很好的成像质量。特别说明，由于长波波段长造成的衍射极限截止不在本实用新型考虑的范畴，本实施例中以设计值与理论值的差异评价光学设计的结果。

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

1.一种双波段双视场光学系统，其特征在于，包括：沿光路顺次设置的物镜组、固定镜组、调焦镜、场镜镜组和会聚镜；

所述物镜组与所述固定镜组之间还设置有视场切换镜组；

所述视场切换镜组用于实现大视场与小视场的切换。

2.如权利要求1所述的双波段双视场光学系统，其特征在于，所述物镜组包括第一物镜和第二物镜；

所述第一物镜采用硒化锌材料制成；

所述第二物镜采用硫化锌材料制成。

3.如权利要求1所述的双波段双视场光学系统，其特征在于，所述固定镜组包括第一固定镜、第二固定镜和第三固定镜；

所述第一固定镜采用光学玻璃材料制成；

所述第二固定镜和第三固定镜采用锗材料制成。

4.如权利要求1所述的双波段双视场光学系统，其特征在于，所述视场切换镜组包括第一切换镜、第二切换镜和第三切换镜；

所述第一切换镜和第三切换镜采用光学玻璃材料制成；

所述第二切换镜采用锗材料制成。

5.如权利要求1所述的双波段双视场光学系统，其特征在于，所述调焦镜的光焦度为正，所述调焦镜采用锗材料制成；

6.如权利要求1所述的双波段双视场光学系统，其特征在于，所述场镜镜组包括第一场镜和第二场镜；

所述第一场镜的光焦度为负，所述第二场镜的光焦度为正；

所述第一场镜采用锗材料制成；

所述第二场镜采用光学玻璃材料制成。

7.如权利要求1-6任一项所述的双波段双视场光学系统，其特征在于，还包括窗口透镜，所述窗口透镜沿光路设置在所述物镜组之前；

θ＝1/4α₂

8.如权利要求1-6任一项所述的双波段双视场光学系统，其特征在于，包括第一反射镜和第二反射镜；

所述第一反射镜设置在所述固定镜组与所述调焦镜之间；

所述第二反射镜设置在所述调焦镜与所述场镜镜组之间

所述第一反射镜和所述第二反射镜采用石英材料制成。

9.如权利要求1-6任一项所述的双波段双视场光学系统，其特征在于，所述小视场对应的焦距f₁以及所述大视场对应的焦距f₂满足：

200≤f₁≤350

50≤f₂≤87.5。

10.如权利要求1-6任一项所述的双波段双视场光学系统，其特征在于，所述光学系统的F数满足：

2≤F#≤4。