一种可见光/红外双波段共口径长焦光学系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种可见光/红外双波段共口径长焦光学系统，包括主反射镜、次反射镜、分光板、红外分系统和可见光分系统，红外分系统包括沿光轴依次设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜，可见光分系统包括沿光轴依次设置的第四透镜、第五透镜、第六透镜和第七透镜；这七个透镜分别为凸面朝向物方的弯月形正透镜、双凹负透镜、凸面朝向物方的弯月形正透镜、双凸正透镜、凸面朝向物方的弯月形正透镜、凹面朝向物方的负透镜和凸面朝向物方的弯月形正透镜。本系统焦距长、实现了对目标的可见光/红外双波段成像，能够实现全天候工作，适用于高空侦察或侦察打击型大型机载光电平台进行高分辨率目标侦察及目标识别。
【专利说明】
一种可见光/红外双波段共口径长焦光学系统
技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种可见光/红外双波段共口径长焦光学系统。
【背景技术】
[0002] 航空侦察是高效且不受领土限制的高技术侦察手段，航空侦察的主要载荷为机载 光电设备，其在对敌情报侦察、战场评估、为武器系统提供目标定位、指示、战场监视及目标 的搜索、识别、跟踪具有重要作用。随着伪装技术的发展，侦察识别目标的难度也越来越大， 单一波段的侦察已经很难满足各种各样的需求。由于目标在不同光谱波段表现出的光学特 征有较大差异，因此，为实现全天候侦察，可以利用可见光/红外双波段长焦系统来实现全 天候、高分辨率目标侦察与识别。
[0003] 目前，机载光电侦察设备配备的可见光与红外成像系统分属两个光学系统，这种 组合方式适用于系统焦距短、侦察距离较近的机载设备。对于远距侦察系统而言，为提高系 统分别率，要求光学系统具有长焦距。采用两个独立的光学镜头分别成像，则系统的体积会 增大，难以满足航空机载设备发展需求。
[0004] 申请号为201110354587.2的中国专利申请公开了一种大孔径红外中短波双波段 成像光学系统，该光学系统有中波红外（3μπι~5μπι)和短波红外（Ιμπι~3μπι)两个波段，焦距 为440mm，所以，该光学系统分辨率较低，对目标的识别能力有限。 【实用新型内容】
[0005] 本实用新型的目的是提供一种可见光/红外双波段共口径长焦光学系统，用以解 决现有的双波段光学系统对目标的识别能力较低的问题。
[0006] 为实现上述目的，本实用新型的方案包括一种可见光/红外双波段共口径长焦光 学系统，包括主反射镜、次反射镜和分光板，还包括红外分系统和可见光分系统，所述红外 分系统包括沿光轴依次设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜，所述可见光分系统包括沿 光轴依次设置的第四透镜、第五透镜、第六透镜和第七透镜;所述第一透镜为凸面朝向物方 的弯月形正透镜，所述第二透镜为双凹负透镜，所述第三透镜为凸面朝向物方的弯月形正 透镜，所述第四透镜为双凸正透镜，所述第五透镜为凸面朝向物方的弯月形正透镜，所述第 六透镜为凹面朝向物方的负透镜，所述第七透镜为凸面朝向物方的弯月形正透镜。
[0007] 所述第一透镜的材质为单晶硅，第二透镜的材质为单晶锗，第三透镜的材质为单 晶锗，第四透镜的材质为FK61，第五透镜的材质为ZK9A，第六透镜的材质为ZF62，第七透镜 的材质为ZLaF3。
[0008] 该红外分系统的技术指标为:波段为3.7μπι~4.8μπι，全视场为0.7°，红外波段焦距 为1000mm，F数为4;该可见光分系统的技术指标为:波段为0.4μηι~0.7μηι，全视场为0.28°， 焦距为1200mm，F数为4.5。
[0009] 所述主反射镜为弯向物方的抛物面反射镜，所述次反射镜为凸面背向物方的球面 反射镜。
[0010]所述分光板设置在主反射镜和次反射镜之间。
[0011]所述第三透镜的出射光路上设置有红外光阑，所述第六透镜和第七透镜之间的光 路上设置有可见光光阑。
[0012] 所述第二透镜的前表面和第三透镜的前表面为非球面。
[0013] 所述分光板上镀有用于透过红外光、反射可见光的分光膜层。
[0014] 所述分光板与所述红外分系统之间的光路上设置有平面反射镜。
[0015] 所述主反射镜的曲率半径为1059mm，次反射镜的曲率半径为512mm，第一透镜的靠 近物方的表面的曲率半径为38.4mm，第一透镜的靠近像方的表面的曲率半径为337.54mm， 第二透镜的靠近物方的表面的曲率半径为-75.75mm，第二透镜的靠近像方的表面的曲率半 径为139.0 Imm，第三透镜的靠近物方的表面的曲率半径为23.85mm，第三透镜的靠近像方的 表面的曲率半径为27.36mm，第四透镜的靠近物方的表面的曲率半径为17.69mm，第四透镜 的靠近像方的表面的曲率半径为-47.54mm，第五透镜的靠近物方的表面的曲率半径为 19.27mm，第五透镜的靠近像方的表面的曲率半径为368.31mm，第六透镜的靠近物方的表面 的曲率半径为20.16mm，第七透镜的靠近物方的表面的曲率半径为15.37mm，第七透镜的靠 近像方的表面的曲率半径为15.47_。
[0016] 本实用新型提供的可见光/红外双波段共口径长焦光学系统，包括主反射镜、次反 射镜、分光板、红外分系统和可见光分系统，红外分系统包括沿光轴依次设置的凸面朝向物 方的弯月形正透镜、双凹负透镜和凸面朝向物方的弯月形正透镜，可见光分系统包括沿光 轴依次设置的双凸正透镜、凸面朝向物方的弯月形正透镜、凹面朝向物方的负透镜和凸面 朝向物方的弯月形正透镜，来自物方的光束依次由主反射镜和次反射镜反射，然后经分光 板进行分光后，可见光波段光线射入到可见光分系统中，红外波段光线射入到红外分系统 中，通过各个透镜的设置分别对可见光及红外波段进行像差校正，使得系统在两个波段均 能有良好的像质，红外分系统的焦距为1000mm，可见光分系统的焦距为1200mm，其比现有的 光学系统的焦距长，进而对目标的识别能力较高，能够实现全天候、高分辨率目标侦察。
【附图说明】
[0017] 图1是可见光/红外双波段共口径长焦光学系统光路图；
[0018] 图2是图1中的A部分的放大图；
[0019] 图3是图1中的B部分的放大图；
[0020] 图4是红外波段的传递函数图；
[0021 ]图5是可见光波段传递函数图；
[0022]图6是红外波段场曲、畸变图；
[0023]图7是可见光波段场曲、畸变图。
【具体实施方式】
[0024] 下面结合附图对本实用新型做进一步详细的说明。
[0025] 如图1所示的可见光/红外双波段共口径长焦光学系统，包括可见光/红外共用部 分、红外分系统和可见光分系统三部分。其中，共用部分包括主反射镜1、次反射镜2和分光 板3,从物方来的光束沿着光线传播方向依次为主反射镜1、次反射镜2和分光板3,光束依次 经过主反射镜1和次反射镜2的反射后，由分光板3进行分光。上述技术特征属于现有技术， 对于反射镜1和次反射镜2的具体布置方式在现有技术中已有说明，比如【背景技术】中的公开 文献中已进行说明，这里不再赘述。但是，本实施例中，对于上述三个部分的具体结构进行 说明。其中，主反射镜1为弯向物方的抛物面反射镜;次反射镜为凸面背向物方的球面反射 镜;两个反射镜的基底材料采用石英材料，反射面镀高反射膜，在本实施例中，主反射镜1的 口径280_，次反射镜2的口径为100_。分光板3可以透红外反射可见光，还可以透可见光反 射红外，在本实施例中，分光板3采用能够透过可见光和红外波段的CaF2材料，并且其前表 面镀有透红外反射可见光的分光膜层。另外，为了能够使分光板分出的红外和可见光分离， 该分光板3与光轴成40°放置。
[0026] 如图1所示，本实施例中，分光板3设置在主反射镜1和次反射镜2之间，并且，为了 缩短系统的长度，需要对光路进行转折，在分光板3分出的红外光的光路上设置有平面反射 镜4，该反射镜4与光轴成45°放置。
[0027] 所以，从物方来的光束沿着光线传播方向依次经过主反射镜1和次反射镜2的反射 后，由分光板3进行分光，经分光板3反射出的可见光射入可见光分系统中，经分光板3透射 出的红外光在经反射镜4的反射后射入到红外分系统中。
[0028] 如图2所示，红外分系统包括沿光轴依次设置的透镜5、透镜6和透镜7,在透镜7与 像面9之间的光路上设置有光阑8,其中，透镜5为凸面朝向物方的弯月形正透镜，透镜6为双 凹负透镜，透镜7为凸面朝向物方的弯月形正透镜。另外，光阑8与红外制冷探测器的冷光阑 重合。
[0029] 所以，3.7μπι~4.8μπι的红外光线经过主反射镜1反射后到达次反射镜2，经次反射 镜2反射后到达分光板3，透过分光板3由透镜5、透镜6、透镜7会聚成像在像平面9。
[0030] 如图3所示，可见光分系统包括沿光轴依次设置的透镜10、透镜11、透镜12和透镜 14,在透镜12与透镜14之间的光路上设置有光阑13,透镜14射出的光线在像面15上会聚成 像;其中，透镜10为双凸正透镜，透镜11为凸面朝向物方的弯月形正透镜，透镜12为凹面朝 向物方的负透镜，透镜14为凸面朝向物方的弯月形正透镜。
[0031 ] 所以，0.4μπι~0.7μπι的可见光光线经过主反射镜1反射后到达次反射镜2，经过次 反射镜2反射后到达分光板3，经分光板3反射后由透镜10、透镜10、透镜12、透镜14会聚成像 在像平面15。
[0032] 所以，通过该光学系统的各个透镜的设置，能够使该光学系统的技术指标为:波段 为3.7μηι~4.8μηι，全视场为0.7°，红外波段焦距为1000mm，F数为4;该可见光分系统的技术 指标为:波段为〇. 4μηι~0.7μηι，全视场为0.28°，焦距为1200mm，F数为4.5。
[0033] 透镜5的材质为单晶硅，透镜6的材质为单晶锗，透镜7的材质为单晶锗，透镜10的 材质为FK61，透镜11的材质为ZK9A，透镜12的材质为ZF62，透镜14的材质为ZLaF3。
[0034]透镜6的前表面和透镜7的前表面采用非球面，非球面采用CODE V软件中的 Asphere面型，方程为：
[0035]
[0036] 兵甲，c73囬準，r73垂且尤相力N的佇N坐称，k73二次曲线常数，A为四阶非球面 系数、B为六阶非球面系数、C为八阶非球面系数、D为十阶非球面系数。
[0037]在本实施例中，主反射镜1的曲率半径为1059mm，次反射镜2的曲率半径为512mm， 透镜5的靠近物方的表面的曲率半径为38.4mm，透镜5的靠近像方的表面的曲率半径为 337.54mm，透镜6的靠近物方的表面的曲率半径为-75.75_，透镜6的靠近像方的表面的曲 率半径为139.01_，透镜7的靠近物方的表面的曲率半径为23.85mm，透镜7的靠近像方的表 面的曲率半径为27.36mm，透镜10的靠近物方的表面的曲率半径为17.69mm，透镜10的靠近 像方的表面的曲率半径为-47.54mm，透镜11的靠近物方的表面的曲率半径为19.27mm，透镜 11的靠近像方的表面的曲率半径为368.31mm，透镜12的靠近物方的表面的曲率半径为 20.16mm，透镜14的靠近物方的表面的曲率半径为15.37mm，透镜14的靠近像方的表面的曲 率半径为15.47mm。
[0038] 如表1所示，给出了该光学系统的一组具体参数，单位为_。
[0039] 表 1
[0042]如图4所示，为该光学系统在红外波段的调制传递函数曲线，和所适配的分辨率为 640 X 512，像元大小为15μπι的中波红外制冷探测器对应的空间分辨率为331p/mm时，系统传 递函数最低值接近0.3,表明光学系统在红外波段成像优良，满足要求。
[0043]如图5所示，为该光学系统在可见光波段的调制传递函数曲线，和所适配的分辨率 为1027 X 768的CXD传感器所对应的空间分别率为1081p/mm时，系统传递函数最低值在边缘 视场大于0.35,表明光学系统在可见光波段成像优良，满足要求。
[0044]如图6所示，为该光学系统在红外波段的场曲畸变图，由图可见，光学系统的畸变 小于0.5%，表明系统成像优良，满足设计要求。
[0045] 如图7所示，为该光学系统在可见光波段的场曲畸变图，由图可见，光学系统的畸 变小于1.5%，表明系统成像优良，满足设计要求。
[0046] 该光学系统适用于高空侦察或侦察打击型大型机载光电平台，采取前端共用卡塞 格林反射系统后端分光分别进行成像的方式，实现可见光/红外双波段一体化设计。能够在 实现高分辨率和远距离成像的情况下，达到系统的小型化、轻量化。采用折射与反射相结合 的设计方式，可以有效避免二级光谱对长焦系统的影响，保证成像质量。
[0047] 以上给出了具体的实施方式，但本实用新型不局限于所描述的实施方式。本实用 新型的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本实用新型的教导， 设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本实用新型的原理 和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本实用新型的保护范围 内。
【主权项】
1. 一种可见光/红外双波段共口径长焦光学系统，包括主反射镜、次反射镜和分光板， 其特征在于，还包括红外分系统和可见光分系统，所述红外分系统包括沿光轴依次设置的 第一透镜、第二透镜和第三透镜，所述可见光分系统包括沿光轴依次设置的第四透镜、第五 透镜、第六透镜和第七透镜;所述第一透镜为凸面朝向物方的弯月形正透镜，所述第二透镜 为双凹负透镜，所述第三透镜为凸面朝向物方的弯月形正透镜，所述第四透镜为双凸正透 镜，所述第五透镜为凸面朝向物方的弯月形正透镜，所述第六透镜为凹面朝向物方的负透 镜，所述第七透镜为凸面朝向物方的弯月形正透镜。2. 根据权利要求1所述的可见光/红外双波段共口径长焦光学系统，其特征在于，所述 第一透镜的材质为单晶硅，第二透镜的材质为单晶锗，第三透镜的材质为单晶锗，第四透镜 的材质为FK61，第五透镜的材质为ZK9A，第六透镜的材质为ZF62,第七透镜的材质为ZLaF3。3. 根据权利要求1所述的可见光/红外双波段共口径长焦光学系统，其特征在于，该红 外分系统的技术指标为:波段为3.7μπι~4.8μπι，全视场为0.7°，红外波段焦距为1000mm，F数 为4;该可见光分系统的技术指标为:波段为0.4μηι~0.7μηι，全视场为0.28°，焦距为1200mm， ?数为4.5。4. 根据权利要求1所述的可见光/红外双波段共口径长焦光学系统，其特征在于，所述 主反射镜为弯向物方的抛物面反射镜，所述次反射镜为凸面背向物方的球面反射镜。5. 根据权利要求1所述的可见光/红外双波段共口径长焦光学系统，其特征在于，所述 分光板设置在主反射镜和次反射镜之间。6. 根据权利要求1所述的可见光/红外双波段共口径长焦光学系统，其特征在于，所述 第三透镜的出射光路上设置有红外光阑，所述第六透镜和第七透镜之间的光路上设置有可 见光光阑。7. 根据权利要求1所述的可见光/红外双波段共口径长焦光学系统，其特征在于，所述 第二透镜的前表面和第三透镜的前表面为非球面。8. 根据权利要求1所述的可见光/红外双波段共口径长焦光学系统，其特征在于，所述 分光板上镀有用于透过红外光、反射可见光的分光膜层。9. 根据权利要求8所述的可见光/红外双波段共口径长焦光学系统，其特征在于，所述 分光板与所述红外分系统之间的光路上设置有平面反射镜。10. 根据权利要求1所述的可见光/红外双波段共口径长焦光学系统，其特征在于，所述 主反射镜的曲率半径为1059mm，次反射镜的曲率半径为512_，第一透镜的靠近物方的表面 的曲率半径为38.4mm，第一透镜的靠近像方的表面的曲率半径为337.54mm，第二透镜的靠 近物方的表面的曲率半径为-75.75mm，第二透镜的靠近像方的表面的曲率半径为 139.01mm，第三透镜的靠近物方的表面的曲率半径为23.85mm，第三透镜的靠近像方的表面 的曲率半径为27.36mm，第四透镜的靠近物方的表面的曲率半径为17.69mm，第四透镜的靠 近像方的表面的曲率半径为-47.54mm，第五透镜的靠近物方的表面的曲率半径为19.27mm， 第五透镜的靠近像方的表面的曲率半径为368.31mm，第六透镜的靠近物方的表面的曲率半 径为20.16mm，第七透镜的靠近物方的表面的曲率半径为15.37_，第七透镜的靠近像方的 表面的曲率半径为15.47mm。
【文档编号】G02B17/08GK205581405SQ201620312515
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年4月14日
【发明人】吴海清, 崔莉, 李萍, 田海霞, 李同海, 赵新亮
【申请人】凯迈（洛阳）测控有限公司