一种基于开普勒式的多波段光学系统的制作方法

本发明涉及光学系统，具体涉及一种基于开普勒式的多波段光学系统。

背景技术：

近几年，国内外用于光电吊舱的多波段共口径光学系统迅速增多。飞机用光电吊舱为了准确、清晰地探测、识别、瞄准目标，需要根据各种环境，各种物体辐射特性，选择合适的波长。可见光是瞄准系统从始至终不可或缺的工作波段。可见光为人眼所感知、显示的图像与人眼直观图像一致，图像细节丰富，便于观察。

可见光主要是来自物体表面太阳光辐射，但其在复杂天气条件下或者夜间目标反射的可见光微弱情况下，可见光系统的使用就会受限，进而不够满足各种复杂气候环境的目标跟踪、探测和识别。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种基于开普勒式的多波段光学系统，它具有可见光、短波和中波红外三个通道，可以适用于白天、黑夜、烟雾等全天候各种复杂气候环境的目标跟踪、探测和识别等；该系统采用共光路设计，有效减小了系统体积，实现了三个通道的共光轴设计。

本发明的技术方案如下：

一种基于开普勒式的多波段光学系统，包括：

开普勒式卡镜,包括第一非球面反光镜和第二非球面反光镜；

分光镜，可透射和反射不同波长的光；

中波红外通道，包括所述开普勒式卡镜和所述分光镜，以及第一光学组件；

短波红外通道，包括所述开普勒式卡镜和所述分光镜，以及第二光学组件和第三光学组件；

可见光通道，包括所述开普勒式卡镜和所述分光镜，以及所述第二光学组件和第四光学组件。

进一步地，所述分光镜，可透射中波红外并反射可见光和短波红外。

进一步地，所述第一非球面反光镜和第二非球面反光镜的波相差小于1/5λ。

进一步地，所述第一光学组件、所述第二光学组件、所述第三光学组件和所述第四光学组件均由多个光学透镜组成。

进一步地，所述第一光学组件，由锗球面透镜、锗非球面透镜、锗轮胎镜和硅球面透镜组成。

进一步地，第二光学组件、第三光学组件和第四光学组件均为球面透镜。

进一步地，

所述中波红外通道的焦距为r1，1m<r1<1.5m；

和或所述短波红外通道的焦距为r2，1.1m<r2<1.6m；

和或所述可见光通道的焦距为r3，0.7m<r3<1.2m；

进一步地，所述开普勒式卡镜处设有遮光罩，所述遮光罩可消除杂散光。

进一步地，所述遮光罩的位置和大小通过画图法以及非序列光线追迹确定。

进一步地，所述光学系统还包括后组成像系统，且预留了稳像扫描镜空间。

本发明突出的特点及显著的有益效果是：

1、本发明采用三通道(可见光通道、短波红外通道、中波红外通道)合一，能够满足各种复杂气候环境的目标跟踪、探测和识别；

2、本发明的三通道采用共光路设计，有效减小了系统体积，实现了三个通道的共光轴设计，满足飞机吊舱的尺寸要求；

3、本发明的三个通道均采用望远系统加后组成像系统的结构形式，均预留了稳像扫描镜空间，分段设计，易于装调；

4、本发明采用卡镜反射式共光路设计，相较于透射式共光路设计共光路部分光学件的光能利用率更高；

5、本发明的加入遮光罩，可消除非成像光路引入的杂散光，保证各通道光学子系统的成像对比度。

附图说明

图1本发明实施例提供的基于开普勒式的多波段光学系统示意图；

图中，1-卡镜主镜，2-卡镜次镜，3-分光镜一，4-可见光/短波红外共用目镜一，5-可见光/短波红外共用目镜二，6-可见光/短波红外共用目镜三，7-可见光/短波红外共用目镜四，8-反射镜一，9-分光镜二，10-可见光成像后组透镜一，11-可见光成像后组透镜二，12-可见光成像后组胶合透镜一，13-可见光成像后组透镜三，14-反射镜二，15-短波红外成像后组透镜一，16-短波红外成像后组胶合透镜一，17-短波红外成像后组透镜二，18-反射镜三，19-中波红外望远系统目镜一，20-中波红外望远系统目镜二，21-中波红外望远系统目镜三，22-反射镜四，23-中波红外成像后组透镜一，24-中波红外成像后组透镜二，25-中波红外成像后组透镜三，26-反射镜五，27-反射镜六，28-中波红外成像后组透镜四，29-中波红外成像后组透镜五，30-中波红外成像后组透镜六。

图2本发明实施例提供的基于开普勒式的多波段光学系统中波红外通道@30lp/mm时mtf图；

图3本发明实施例提供的基于开普勒式的多波段光学系统中波红外通道点列图；

图4本发明实施例提供的基于开普勒式的多波段光学系统中波红外通道畸变网格图；

图5本发明实施例提供的基于开普勒式的多波段光学系统短波红外通道@30lp/mm时mtf图；

图6本发明实施例提供的基于开普勒式的多波段光学系统短波红外通道点列图；

图7本发明实施例提供的基于开普勒式的多波段光学系统短波红外通道畸变网格图；

图8本发明实施例提供的基于开普勒式的多波段光学系统可见光通道@100lp/mm时mtf图；

图9本发明实施例提供的基于开普勒式的多波段光学系统可见光通道点列图。

图10本发明实施例提供的基于开普勒式的多波段光学系统可见光通道畸变网格图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是：术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

红外探测主要探测目标和背景的热辐射能量，从而反映目标与背景的温差，从而在夜间或者复杂环境下探测出识别目标。随着伪装材料和隐身技术的大力发展，短波红外逐步得到应用，当用短波红外系统区观测伪装涂层和伪装网时，被伪装的目标以及地物背景会分别呈现亮暗特征。由于短波红外成像主要利用探测目标反射所处环境中的短波红外辐射来实现成像，因此短波红外呈现的图像具有较好的动态范围，清晰的细节，这些特点都便于目标识别。夜间自然界光线大部分能量主要集中在短波红外，短波红外可以实现夜间工作；短波红外还具有穿透烟雾的能力，可以适应复杂环境。

本发明实施例提供一种基于开普勒式的多波段光学系统，包括：开普勒式卡镜，分光镜，中波红外通道，短波红外通道，可见光通道。

开普勒式卡镜，包括至少两个反光镜；

进一步地，开普勒式卡镜包括的两个反光镜都是非球面反光镜；

进一步地，两个反光镜地波相差小于1/5λ,(λ是物理上的波长符号)；波相差是基于波动光学理论，在近轴区内的一个物点发出的球面波经过光学系统后仍然是一球面波(惠更斯原理)，由于衍射现象的存在，一个物点的理想像是一个复杂的艾利斑。对于实际的光学系统，由于像差的存在，经光学系统形成的波面已不是球面，这种实际波面与理想波面的偏差成为波像差，简称波差。

分光镜，可透射和反射不同波长的光；

进一步地，分光镜可透射中波红外并反射可见光和短波红外。

中波红外通道，包括开普勒式卡镜和分光镜，以及光学件；

短波红外通道，包括开普勒式卡镜和分光镜，以及光学件；

可见光通道，包括开普勒式卡镜和分光镜，以及光学件；

如图1所示，中波红外通道，包括主镜1、次镜2、分光镜3及光学件18～30；

短波红外通道(主镜1、次镜2、分光镜3、光学件4～9及光学件14～17)；

可见光通道(主镜1、次镜2、分光镜3及光学件4～13)三部分。

进一步地，构成中波红外通道的光学件，由锗球面透镜、锗非球面透镜、锗轮胎镜和硅球面透镜组成。

进一步地，构成短波红外通道和可见光通道的光学件球面透镜组成。

中波红外通道、短波红外通道和可见光通道共用开普勒式卡镜聚焦系统，短波红外通道和可见光通道共用望远系统。望远系统即开普勒式卡镜聚焦系统和可见光/短波红外共用目镜4、目镜5、目镜6和目镜7。

进一步地，开普勒式卡镜聚焦系统包括开普勒式卡镜以及反光镜。

本发明实施例采用三通道(可见光通道、短波红外通道、中波红外通道)合一，能够满足各种复杂气候环境的目标跟踪、探测和识别；

本发明实施例的三通道采用共光路设计，有效减小了系统体积，实现了三个通道的共光轴设计，满足飞机吊舱的尺寸要求；

本发明实施例采用卡镜反射式共光路设计，相较于透射式共光路设计共光路部分光学件的光能利用率更高。

进一步地，中波红外通道的焦距为r1，1m<r1<1.5m；

短波红外通道的焦距为r2，1.1m<r2<1.6m；

可见光通道的焦距为r3，0.7m<r3<1.2m；

优选地，r1为1.3m；r2为1.4m；r3为1m。

进一步地，中波红外通道包括开普勒卡镜、中波红外目镜及后组成像系统，在望远系统及后组成像系统之间预留稳像空间。

进一步地，短波红外通道包括开普勒卡镜、分光镜一(反射)、可见光/短波红外共用目镜、分光镜二(透射)、短波红外成像后组。

进一步地，可见光通道包括开普勒卡镜、分光镜一(反射)、可见光/短波红外共用目镜、分光镜二(反射)、可见光成像后组。本发明实施例的三个通道均采用望远系统加后组成像系统的结构形式，均预留了稳像扫描镜空间，分段设计，易于装调；

进一步地，开普勒卡镜为反射式系统，没有色差和二级光谱，利于像差校正；

进一步地，分光镜一位于汇聚光路中，透射中波红外，反射可见光和短波红外，中波通道(透射光路)会引入色散，在中波红外望远系统目镜中加入锗轮胎镜校正色散；可见光/短波红外共用目镜采用caf2和成都光明低色散材料消除宽波段色差和二级光谱。

图2-4分别为本发明实施例提供的基于开普勒式地多波段光学系统的中波红外通道在30lp/mm时mtf图、点列图和畸变网格图。

图5-7分别为本发明实施例提供的基于开普勒式地多波段光学系统的短波红外通道在30lp/mm时mtf图、点列图和畸变网格图。

图8-10分别为本发明实施例提供的基于开普勒式地多波段光学系统的短波红外通道在30lp/mm时mtf图、点列图和畸变网格图。

其中，lp/mm是分辨率计算单位；mtf曲线图是由镜头的生产厂家在极为客观严谨的测试环境下测得并对外公布的，是镜头成像品质最权威、最客观的技术参考依据。

进一步地，开普勒式卡镜处设有遮光罩，遮光罩可消除杂散光。

进一步地，遮光罩分为主遮光罩和次遮光罩，消除非成像光路引入的杂散光。

进一步地，遮光罩的位置和大小通过画图法以及非序列光线追迹确定。本发明实施例加入遮光罩，可消除非成像光路引入的杂散光，保证各通道光学子系统的成像对比度。

进一步地，开普勒式卡镜为望远系统的物镜部分，可单独设计，波像差小于1/5λ，卡镜的主镜和次镜材料均为微晶玻璃或者美国康宁的热稳定性好的玻璃。

进一步地，开普勒式卡镜包含的两个反射镜，反射镜的反射率很高，视场外的光线很容易在两个反射镜之间经过多次反射进入成像光路，形成杂散光，对目标造成干扰，因此，需要进行消杂光设计。通过画图法及tracepro(光学仿真软件，是一套普遍用于照明系统、光学分析、辐射度分析及光度分析的光学仿真软件。)非序列光线追迹确定遮光罩的位置和大小。

在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。