CN220872753U - 微光与长波红外双波段共口径光学系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种微光与长波红外双波段共口径光学系统，包括共用成像组、分光元件、微光探测器和长波红外探测器，所述共用成像组包括第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜及所述分光元件沿光轴方向从物方至像方依次排布，所述微光探测器设于所述分光元件的一个出射光路上，所述长波红外探测器设于所述分光元件的另一个出射光路上。本申请的光学系统采用双波段共用一组成像物镜组，并通过分光元件实现微光系统与长波红外系统的同时成像。

Description

微光与长波红外双波段共口径光学系统

技术领域

本申请涉及光学技术领域，特别涉及一种微光与长波红外双波段共口径光学系统。

背景技术

随着光学成像技术逐渐成熟，仅能够在单一、明亮的场景下使用的观测设备已经很难满足客户的需求，更具优势的能够应对复杂、多变的场景全天候成像的双波段成像系统成为了新的研究热点。长波红外具有良好的穿透性，在雾霾、黑暗等环境下能更好的发现目标；微光系统基于大气辉光的反射成像，可以在昏暗条件下看清景物的更多细节，因此，集成长波红外与微光系统的双波段成像系统可满足多场景、复杂多变环境下的侦查需要。

然而，目前现有的双波段系统有折返式光路和平行光路两种方案，其中折返式系统是现阶段主流的实现方案，该方案共用光路一般采用反射式结构，可以很好的消除色差和二级光谱的影响，缺点是该方案存在中心遮拦，导致系统相对孔径都比较小，很难设计出大相对孔径的系统，导致系统进光量较少，光线利用率比较低；另外由于反射式结构的存在，视场角都较小，大视场结构很难实现。平行光路方案一般用在双光融合望远系统，长波红外系统与微光系统分立设计，两者均设有成像组与调焦组，因此设计参数较灵活，可以设计大视场光学系统，但平行光路方案对两个独立系统设计要求比较高，视场角、畸变以及中心视场要求严格一致，否则后期双光融合会出现不匹配的现象，对后端算法融合要求比较高；另外平行光路设计由于两套独立系统的存在，一般结构尺寸较大，很难做轻量化，小型化设计。

发明内容

有鉴于此，本申请提出一种微光与长波红外双波段共口径光学系统，可结合微光系统和长波红外系统的优点做轻量化、小型化设计的同时适应复杂多变的使用环境。

本申请提供一种微光与长波红外双波段共口径光学系统，包括共用成像组、分光元件、微光探测器和长波红外探测器，所述共用成像组包括第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜及所述分光元件沿光轴方向从物方至像方依次排布，所述微光探测器设于所述分光元件的一个出射光路上，所述长波红外探测器设于所述分光元件的另一个出射光路上；其中，所述第一透镜的光焦度为正，所述第二透镜的光焦度为负，所述第三透镜的光焦度为正，所述第四透镜的光焦度为负。

在一实施例中，所述第一透镜、所述第二透镜和所述第四透镜均为弯月形透镜，所述第三透镜为双凸透镜。

在一实施例中，所述第一透镜的材质为氟化钡；所述第二透镜的材质为氟化钙；所述第三透镜的材质为氟化钡；所述第四透镜的材质为硒化锌。

在一实施例中，所述第一透镜的焦距介于80mm～90mm之间，所述第二透镜的焦距介于-50mm～-60mm之间，所述第三透镜的焦距介于50mm～60mm之间，所述第四透镜的焦距介于-220mm～-230mm之间。

在一实施例中，所述第一透镜朝向所述第二透镜的第二面、所述第三透镜朝向所述第二透镜的第五面和所述第四透镜朝向所述分光元件的第八面均为偶次非球面。

在一实施例中，所述光学系统的光阑形成于所述第一透镜上，所述光学系统的相对孔径为1/1.67～1/1.56，所述共用成像组的焦距为96mm～102mm，所述微光探测器、所述长波红外探测器的像高均为4.5mm～5.5mm。

在一实施例中，所述共用成像组的焦距为100mm，所述微光探测器、所述长波红外探测器的像高均为5mm，所述光学系统的相对孔径为1/1.6。

在一实施例中，所述分光元件包括第一直角棱镜和第二直角棱镜，所述第一直角棱镜的斜面与所述第二直角棱镜的斜面胶合连接，且两个斜面之间镀有分光膜；所述微光探测器、所述长波红外探测器分别位于所述第一直角棱镜的一侧、所述第二直角棱镜的一侧。

在一实施例中，所述微光探测器位于所述第一直角棱镜平行于所述光轴方向的直角面一侧，所述长波红外探测器位于所述第二直角棱镜垂直于所述光轴方向的直角面一侧。

在一实施例中，所述微光探测器的工作波段为0.55μm～0.85μm，所述长波红外探测器的工作波段为7.7μm～9.5μm。

综上所述，本申请提供一种微光与长波红外双波段共口径光学系统，微光与长波红外双波段共用一组成像物镜组，并通过分光元件实现微光系统与长波红外系统的同时成像。本申请采用透射式光学系统，该光学系统主要优势为系统结构紧凑，镜片数量少，相比于折返式光路和平行光路更轻、体积更小；光学系统中除了分光棱镜之外均为共用光路，可以实现微光与长波红外双波段的同步调焦；该光学系统在像差校正方面具有优势，第一透镜、第三透镜提供正光焦度以汇聚轴外光线，第二透镜、第四透镜提供负光焦度以平衡系统像差，可以解决双光融合过程中由于畸变不匹配带来的图像重影等问题，实现更好的融合效果。

附图说明

图1为本申请光学系统的光学示意图。

图2为本申请光学系统的长波红外调制传递函数图。

图3为本申请光学系统的微光调制传递函数图。

图4为本申请的光学系统调焦后近摄距5m时长波红外调制传递函数图。

图5为本申请的光学系统调焦后近摄距5m时微光调制传递函数图。

图6为本申请光学系统的长波红外场曲图和畸变图。

图7为本申请光学系统的微光场曲图和畸变图。

图8为本申请光学系统的长波红外点列图。

图9为本申请光学系统的微光点列图。

图中，10-分光元件；11-光轴；12-微光探测器；14-长波红外探测器；16-第一透镜；18-第二透镜；20-第三透镜；22-第四透镜；24-第一直角棱镜；26-第二直角棱镜；28-分光膜；STO-第一面；S2-第二面；S3-第三面；S4-第四面；S5-第五面；S6-第六面；S7-第七面；S8-第八面。

具体实施方式

在详细描述实施例之前，应该理解的是，本申请不限于本申请中下文或附图中所描述的详细结构或元件排布。本申请可为其它方式实现的实施例。而且，应当理解，本文所使用的措辞及术语仅仅用作描述用途，不应作限定性解释。本文所使用的“包括”、“包含”、“具有”等类似措辞意为包含其后所列出之事项、其等同物及其它附加事项。特别是，当描述“一个某元件”时，本申请并不限定该元件的数量为一个，也可以包括多个。

如图1所示，本申请提供一种微光与长波红外双波段共口径光学系统，微光系统和长波红外系统双波段共用一组成像物镜组，并通过分光元件实现微光系统和长波红外系统的同时成像。其中，长波红外系统工作波段宽，动态响应大，观测距离远且具有良好的透雾能力，适用于烟、雨等复杂恶劣环境使用；微光系统是基于景物对大气辉光反射成像，能够更好地提供细节信息。本申请结合了微光系统和长波红外系统的优点，设计了双波段共口径光学系统，为双光融合系统提供了新思路，以适应复杂多变的使用环境。

具体地，该光学系统包括共用成像组、分光元件10、微光探测器12和长波红外探测器14。其中，共用成像组共四片镜片，可以实现系统的高透过率，共用成像组包括第一透镜16、第二透镜18、第三透镜20和第四透镜22，第一透镜16、第二透镜18、第三透镜20、第四透镜22及分光元件10沿光轴11方向从物方至像方依次排布，微光探测器12设于分光元件10的一个出射光路上，长波红外探测器14设于分光元件10的另一个出射光路上。

本实施例中，分光元件10包括第一直角棱镜24和第二直角棱镜26，第一直角棱镜24的斜面与第二直角棱镜26的斜面胶合连接，使得分光元件10整体呈方形，且两个斜面之间镀有分光膜28，微光探测器12设于第一直角棱镜24的一侧，长波红外探测器14设于第二直角棱镜26的一侧。在所示的实施例中，微光探测器12位于第一直角棱镜24平行于光轴11方向的直角面一侧，即图示中分光元件10的底侧；长波红外探测器14位于第二直角棱镜26垂直于光轴11方向的直角面一侧，即图示中分光元件10远离共用成像组的一侧。

在所示的实施例中，第一透镜16为弯月形透镜，其光焦度为正，焦距介于80mm～90mm之间；第二透镜18为弯月形透镜，其光焦度为负，焦距介于-50mm～-60mm之间；第三透镜20为双凸型透镜，其光焦度为正，焦距介于50mm～60mm之间；第四透镜22为弯月形透镜，其光焦度为负，焦距介于-220mm～-230mm之间。本申请光学系统的工作波段为0.55μm～0.85μm(光微光探测器12的工作波段)、7.7μm～9.5μm(长波红外探测器14的工作波段)，光学系统的共用成像组的焦距为96mm～102mm，优选为100mm，适配长波红外探测器14和微光探测器12的像高均为4.5mm～5.5mm，优选为5mm。

本申请的光学系统仅包括共用成像组和分光元件，长波红外系统和微光系统没有各自的矫正系统，实现了长波红外系统和微光系统的同步调焦。该光学系统在对近景成像时，可通过调整共用成像组的间隔距离实现长波红外系统与微光系统同步调焦，使像面清晰，相比于平行光路及具有独立矫正系统的光路，本申请可有效降低调焦难度和效率。

由于本申请光学系统响应的光谱范围较宽，存在较大的色差、球差，通过共用成像组采用“正”、“负”、“正”、“负”的结构形式，材料组合设计为第一透镜16、第二透镜18和第三透镜20均为低折射率、低色散的材料，第四透镜22为高折射率、高色散的材料。其中，第一透镜16的材质选用氟化钡；第二透镜18的材质选用氟化钙；第三透镜20的材质选用氟化钡；第四透镜22的材质选用硒化锌。应当理解的是，在其他实施例中，第一透镜16、第二透镜18、第三透镜20和第四透镜22的材质也可以有其他选择，只要能够满足本申请光学系统的设计原理即可。第一透镜16和第三透镜20均提供正光焦度，汇聚轴外光线，第二透镜18和第四透镜22均提供负光焦度，平衡系统像差，将系统色差降低到合理范围内，实现微光系统和长波红外系统一次成像。通过合理搭配透镜结构与材料既可以减小系统像差，又可以收缩光线口径与系统总长。

本申请中光学系统的光阑形成于第一透镜16上，光学系统的相对孔径(有效孔径和焦距之比，D/f)为1/1.67～1/1.56，优选为1/1.6，具有较大的相对孔径，较大的相对孔径可以增加系统的通光量，提升系统光能利用率，能够进行大数值孔径的轻量化光学系统设计。

一般而言，具有较大相对孔径的系统口径大，通光能力强，可提升系统光能利用率，但边缘像差难以消除。本申请的光学系统通过共用成像组在合理设计初始结构和材料的基础上，引出非球面，可有效地消除由于大相对口径带来的边缘像差，且减少了系统镜片的使用数量，降低系统重量的同时提高系统透过率，且结构紧凑，易于小型化、轻量化设计。

在所示的实施例中，第一透镜16朝向第二透镜18的一面、第三透镜20朝向第二透镜18的一面和第四透镜22朝向分光元件10的一面均为偶次非球面。具体地，在光轴11从物方至像方的方向上，第一透镜16包括第一面STO和第二面S2，第二透镜18包括第三面S3和第四面S4，第三透镜20包括第五面S5和第六面S6，第四透镜22包括第七面S7和第八面S8，八个面的光学参数如下表1。其中，第二面S2、第五面S5和第八面S8均为偶次非球面。

表1四个透镜在光轴11上的八个面的光学参数

表面	曲率半径R	厚度或间隔d	折射率nd	阿贝数vd
					STO	32.7	12	1.43	94.9
S2	560.4	9.9
					S3	285.5	4	1.48	81.1
S4	32.4	5
					S5	48.2	10	2.36	15.3
S6	-46.1	3
					S7	-40.1	5	2.4	64
S8	-47.9	9.4

通过在共用成像组的第二面S2、第五面S5和第八面S8引入偶次非球面，可以更好地消除像差并减少镜片的使用数量，提高系统的透过率。非球面面型方程为其中：Z为平行于光轴的表面的表面轮廓；C为曲率，半径的倒数；K为圆锥常数；r为与光轴之间的径向距离；A₄、A₆、A₈、A₁₀分别为第4、6、8、10次非球面系数。

第二面S2的非球面系数为：A₄＝3.1578322E-006、A₆＝-2.4284791E-009、A₈＝2.3881797E-012、A₁₀＝-2.4284791E-009。第五面S5的非球面系数为：A₄＝7.850466E-006、A₆＝-1.3203995E-008、A₈＝2.7817444E-011、A₁₀＝-2.028298E-016。第八面S8的非球面系数为：A₄＝6.7910314E-007、A₆＝-5.2556933E-009、A₈＝1.3929421E-011、A₁₀＝-1.4019222E-014。

本申请采用共用成像物镜，光路经分光棱镜分光分别成像在红外探测器14和微光探测器12上，在观察近距离物体时，进行物镜整组调焦，通过一次调焦可实现长波红外系统与微光系统的清晰成像，简化双光融合的调焦方式，同时解决双光融合过程中带来的双光的中心视场、畸变不匹配的问题，降低系统后期成像软件算法的难度，满足双光路对成像效果的要求。

图2和图3分别为长波红外系统和微光系统的光学传递函数图，即MTF。从图中可以看出，长波红外系统光学传递函数曲线紧贴衍射极限，全视场MTF≥0.15@42lp/mm。微光系统传递函数全视场MTF≥0.2@62.5lp/mm，0.7视场MTF≥0.25@62.5lp/mm。

图4和图5为双波段系统对距离5m景物对焦时，调焦后像面清晰成像时MTF曲线图。图4为长波红外系统传递函数图，相比于无穷远，传递函数在低频略有降低，全视场MTF≥0.1@42lp/mm。图5为微光系统传递函数图，微光系统传递函数相比于无穷远，在低频也略有降低，全视场MTF≥0.1@37.5lp/mm，MTF≥0.2lp/mm。

图6和图7为双波段系统场曲与畸变图。图6中左图为红外系统场曲图，右图为红外系统畸变图，场曲最大值小于0.2mm，畸变最大值为0.016％。图7中左图为微光系统场曲图，右图为微光系统畸变图，场曲最大值小于0.12mm，畸变最大值为0.03％。红外系统与微光系统畸变均为正畸变，且趋势相同，最大差量小于0.015％，表明长波红外与微光匹配效果会很好。

图8为长波红外系统点列图，图9为微光系统点列图。从图中可以看出，红外系统弥散斑RMS半径为15μm，微光系统弥散斑RMS半径为12μm，满足成像使用要求。

综上所述，本申请提供一种微光与长波红外双波段共口径光学系统，微光与长波红外双波段共用一组成像物镜组，并通过分光元件实现微光系统与长波红外系统的同时成像。本申请采用透射式光学系统，该光学系统主要优势为系统结构紧凑，镜片数量少，相比于折返式光路和平行光路更轻、体积更小；光学系统中除了分光棱镜之外均为共用光路，可以实现微光与长波红外双波段的同步调焦；该光学系统在像差校正方面具有优势，第一透镜、第三透镜提供正光焦度以汇聚轴外光线，第二透镜、第四透镜提供负光焦度以平衡系统像差，可以解决双光融合过程中由于畸变不匹配带来的图像重影等问题，实现更好的融合效果。

本文所描述的概念在不偏离其精神和特性的情况下可以实施成其它形式。所公开的具体实施例应被视为例示性而不是限制性的。因此，本申请的范围是由所附的权利要求，而不是根据之前的这些描述进行确定。在权利要求的字面意义及等同范围内的任何改变都应属于这些权利要求的范围。

Claims (10)

1.一种微光与长波红外双波段共口径光学系统，其特征在于，包括共用成像组、分光元件(10)、微光探测器(12)和长波红外探测器(14)，所述共用成像组包括第一透镜(16)、第二透镜(18)、第三透镜(20)和第四透镜(22)，所述第一透镜(16)、所述第二透镜(18)、所述第三透镜(20)、所述第四透镜(22)及所述分光元件(10)沿光轴(11)方向从物方至像方依次排布，所述微光探测器(12)设于所述分光元件(10)的一个出射光路上，所述长波红外探测器(14)设于所述分光元件(10)的另一个出射光路上；其中，所述第一透镜(16)的光焦度为正，所述第二透镜(18)的光焦度为负，所述第三透镜(20)的光焦度为正，所述第四透镜(22)的光焦度为负。

2.如权利要求1所述的微光与长波红外双波段共口径光学系统，其特征在于，所述第一透镜(16)、所述第二透镜(18)和所述第四透镜(22)均为弯月形透镜，所述第三透镜(20)为双凸透镜。

3.如权利要求1所述的微光与长波红外双波段共口径光学系统，其特征在于，所述第一透镜(16)的材质为氟化钡；所述第二透镜(18)的材质为氟化钙；所述第三透镜(20)的材质为氟化钡；所述第四透镜(22)的材质为硒化锌。

4.如权利要求2所述的微光与长波红外双波段共口径光学系统，其特征在于，所述第一透镜(16)的焦距介于80mm～90mm之间，所述第二透镜(18)的焦距介于-50mm～-60mm之间，所述第三透镜(20)的焦距介于50mm～60mm之间，所述第四透镜(22)的焦距介于-220mm～-230mm之间。

5.如权利要求2所述的微光与长波红外双波段共口径光学系统，其特征在于，所述第一透镜(16)朝向所述第二透镜(18)的第二面(S2)、所述第三透镜(20)朝向所述第二透镜(18)的第五面(S5)和所述第四透镜(22)朝向所述分光元件(10)的第八面(S8)均为偶次非球面。

6.如权利要求4所述的微光与长波红外双波段共口径光学系统，其特征在于，所述光学系统的光阑形成于所述第一透镜(16)上，所述光学系统的相对孔径为1/1.67～1/1.56，所述共用成像组的焦距为96mm～102mm，所述微光探测器(12)、所述长波红外探测器(14)的像高均为4.5mm～5.5mm。

7.如权利要求6所述的微光与长波红外双波段共口径光学系统，其特征在于，所述共用成像组的焦距为100mm，所述微光探测器(12)、所述长波红外探测器(14)的像高均为5mm，所述光学系统的相对孔径为1/1.6。

8.如权利要求1-7中任一项所述的微光与长波红外双波段共口径光学系统，其特征在于，所述分光元件(10)包括第一直角棱镜(24)和第二直角棱镜(26)，所述第一直角棱镜(24)的斜面与所述第二直角棱镜(26)的斜面胶合连接，且两个斜面之间镀有分光膜(28)；所述微光探测器(12)、所述长波红外探测器(14)分别位于所述第一直角棱镜(24)的一侧、所述第二直角棱镜(26)的一侧。

9.如权利要求8所述的微光与长波红外双波段共口径光学系统，其特征在于，所述微光探测器(12)位于所述第一直角棱镜(24)平行于所述光轴(11)方向的直角面一侧，所述长波红外探测器(14)位于所述第二直角棱镜(26)垂直于所述光轴(11)方向的直角面一侧。

10.如权利要求8所述的微光与长波红外双波段共口径光学系统，其特征在于，所述微光探测器(12)的工作波段为0.55μm～0.85μm，所述长波红外探测器(14)的工作波段为7.7μm～9.5μm。