专利名称：具有多视场的极宽带紧凑光学系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有紧凑的全反射设计的光学系统，该设计具有用于对物体成像的多视场。该光学系统也具有相同的观察方向，且可具有用于增加激光测距和指示部件的若干不同配置。
背景技术：
成像检测器技术的进步开创了新的光学设计空间。最新发展包括将以前仅可利用单独的成像检测器实现的功能(白天/夜间/全天候成像)进行组合。例如，现在的单个成像检测器能够从0. 9 μ m到5 μ m或3 μ m到12 μ m成像。以前，这些波段被分为两个单独的更小的波段(短波长红外(SWIR)和中波长红外(MWIR)或丽顶和长波长红外(LWIR))， 这两个更小的波段需要使用两个单独的成像检测器。在这些较小波长范围中，典型地，优选用于各个单独波段的折射光学系统。然而，因为成像检测器的带宽增加从而光学系统的带宽增加，能在该增加的频谱范围上传输的可用折射光学材料有限。此外，现有的材料使得其难以提供颜色校正。例如，当从S^WR移动到丽顶时，冕玻璃(crown)转变成燧石玻璃(flint)以及燧石玻璃转变成冕玻璃。这使得设计用于整个波段的可与新的成像检测器一起使用的紧凑轻便的折射光学系统具有挑战性。另外，诸如多成像视场，掌上操作，以及 100%冷屏蔽之类的附加特征使得设计符合增加的光谱带宽需求之上的所有规范的折射光学系统更加困难。因此，需要一种光学系统以解决与传统折射光学系统相关联的缺点。本发明的光学系统和方法能够满足该需要和其他需要。
发明内容
在一个方面中，本发明提供一种适于在窄视场模式或宽视场模式下操作以对物体成像的光学系统(全反射式望远镜)。该光学系统包括(a)第一(大)输入孔径；(b)第二 (小)输入孔径；(c)反射式扩束器；(d)反射式成像器；(e)可移动的视场改变反射镜；以及(f)成像检测器。在窄视场模式下(i)可移动的视场改变折叠反射镜位于光束路径外； ( )反射式成像器接收穿过第一输入孔径的第一光束；以及(iii)成像设备接收穿过反射式成像器的第一光束并对物体成像。在宽视场模式下(i)反射式扩束器接收穿过第二输入孔径的第二光束；(ii)可移动的视场改变折叠反射镜位于光束路径中，并且接收和反射穿过反射式扩束器的第二光束；(iii)反射式成像器接收从可移动的视场改变折叠反射镜反射的第二光束；以及(iv)成像检测器接收穿过反射式成像器的第二光束并对物体成像。如果需要，该光学系统可具有用于增加激光测距和指示部件的若干不同配置。在另一方面，本发明提供了一种用于对物体成像的方法。该方法包括以下步骤 (a)提供光学系统(全反射式望远镜)，该光学系统包括第一(大)输入孔径、第二(小)输入孔径、反射式扩束器、反射式成像器、可移动的视场改变反射镜和成像检测器；(b)在窄视场模式下操作光学系统以对物体成像，其中(i)可移动的视场改变折叠反射镜位于光束路径外；(ii)反射式成像器接收穿过第一输入孔径的第一光束；以及(iii)成像设备接收穿过反射式成像器的第一光束并对物体成像；以及(c)在宽视场模式下操作光学系统以对物体成像，其中(i)反射式扩束器接收穿过第二输入孔径的第二光束；(ii)可移动的视场改变折叠反射镜位于光束路径中，并且接收和反射穿过反射式扩束器的第二光束；(iii) 反射式成像器接收从可移动的视场改变折叠反射镜反射的第二光束；以及(iv)成像检测器接收穿过反射式成像器的第二光束并对物体成像。如果需要，光学系统可具有用于增加激光测距和指示部件的若干不同配置。本发明另外的方面将在随后的详细描述、附图和任一权利要求中部分地陈述，且可根据该详细描述部分地被推导出，或可通过实践本发明而部分地获知。应当理解上述一般描述和以下详细说明仅是示例性和说明性的，而不限制所公开的本发明。附图简述可通过参考以下详细描述并结合附图来更彻底地理解本发明，其中
图1A-1C是示出根据本发明的第一实施例的光学系统的基本部件的简图；图2A-2C是示出根据本发明的第二实施例的光学系统的基本部件的简图；图3是示出根据本发明的第三实施例的光学系统的简图；图4是示出根据本发明的另一实施例的在图1中所示光学系统的简图，其进一步包括激光器(测距仪-指示器)；图5A和5B是示出根据本发明的又一实施例的在图2A-2C中所示的光学系统的简图，其进一步包括激光器(测距仪-指示器)；以及图6是示出根据本发明再一实施例的在图2A-2C中所示的光学系统的简图，其进一步包括激光器(测距仪-指示器)。
具体实施例方式参照图1A-1C，示出了根据本发明的第一实施例的光学系统100(反射式望远镜 100)。在图IA中，光学系统100包括第一(大)输入孔径102、第二(小)输入孔径104、 反射式扩束器106(例如，增强的无焦(afocal)三镜消像散镜106)、反射式成像器108(例如，有焦三镜消像散镜108)、可移动的视场改变反射镜110以及成像检测器112。如果需要， 光学系统100可被封装在电光万向架组件114中。光学系统100适合于在窄视场(NFOV)模式(例如，1° -4° )或宽视场(WFOV)模式(例如，4° -20° )下操作以对物体(未示出)成像。例如，当可移动的视场改变反射镜 110位于光束路径外时(见虚线)，有焦三镜消像散镜通过大输入孔径102将物体的窄视场成像到成像检测器112上(见图1B)。当可移动的视场改变反射镜110翻转到无焦三镜消像散镜106与有焦三镜消像散镜108之间的位置时，穿过较小输入孔径104的物体的较宽视场被成像到同一成像检测器112上(见图1C)。窄视场和宽视场之间的视场比例取决于无焦三镜消像散镜106的无焦放大率。无焦三镜消像散镜106的特殊紧凑折叠配置允许两个视场均在相同的方向朝物体“观看”。在图IB中，光学系统100被示为配置在NFOV模式下，在该模式期间可移动的视场改变反射镜110位于光束路径外，因此物体的窄视场被成像到成像检测器112上。在该配置中，光学系统100被示为从物体(未示出)接收穿过第一(大)输入孔径102的入射光束150a (光束150a)。光束150a被主反射镜108a (例如，主非球面凹面镜108a)反射，这使得光束150a会聚为光束150b。光束150b入射在第二反射镜108b (例如，第二非球面凸面镜108b)上，该第二反射镜108b反射形成中间像152的会聚光束150c，接着光束150c发散并入射在第三反射镜108c (例如，第三非球面反射镜108c)上。第三反射镜108c接收发散光束150c并反射会聚光束150d，该会聚光束150d形成可访问(accessible)的出射光瞳154。从出射光瞳154，光束150d会聚并入射在成像检测器112上。成像检测器112分析光束150d并提供物体的窄视场像。为了清楚起见，图IB未示出与物体的宽视场(下文所讨论的)相关联的入射光束160a (光束160a)。在图IC中，光学系统100被示为配置在WFOV模式下，在该模式期间可移动的视场转换反射镜110位于无焦三镜消像散镜106和有焦三镜消像散镜108之间，因此物体的宽视场被成像在成像检测器112上。在该配置中，光学系统100被示为接收来自物体(未示出)的穿过第二(小)输入孔径104的入射光束160a (光束160a)。光束160a入射在第三反射镜106a(例如，第三非球面反射镜106a)上，第三反射镜106a反射会聚光束160b，该会聚光束160b形成中间像162，然后会聚并入射在折叠反射镜106b (可以是非球面折叠反射镜106b以获得更宽的视场)上。中间像162可能位于折叠反射镜106b的任一侧。折叠反射镜106b反射发散光束160c，该发散光束160c入射在第二反射镜106c (例如，第二非球面反射镜106c)上，该第二反射镜106c反射发散光束160d。光束160d入射在主反射镜 106d(例如，主非球面反射镜106d)上，该主反射镜106d向可移动的视场改变反射镜110反射准直光束160e。可移动的视场改变反射镜110反射光束160f，该光束160f入射在主反射镜108a上。主反射镜108a反射光束160f以形成会聚光束160g。光束160g入射在第二反射镜108b上，该第二反射镜108b反射会聚光束160h，该会聚光束160h形成中间像164， 然后光束160h发散并入射在第三反射镜108c上。第三反射镜108c接收发散光束160h并反射会聚光束160i，该会聚光束160i形成可访问的出射光瞳166。从出射光瞳166，光束 160 会聚并入射在成像检测器112上。成像检测器112分析光束160i并提供物体的宽视场像。为了清楚起见，图IC未示出与物体的窄视场相关联的入射光束150a(光束150a)。示例性光学系统100的规格数据由以下表1-6提供。表1-3呈现了示例性的无焦三镜消像散镜106的表面规格数据，该三镜消像散镜106具有4倍放大率、12. 5mm的入射光瞳直径和4° χ 4°的视场。在表1中，所有尺寸都以毫米为单位给出。表1
权利要求
1.一种光学系统，适于在窄视场模式或宽视场模式下操作以对物体成像，所述光学系统包括第一输入孔径； 第二输入孔径； 反射式扩束器； 反射式成像器；可移动的视场改变反射镜；以及成像检测器； 其中，在窄视场模式下可移动的视场改变折叠反射镜位于光束路径外； 反射式成像器接收穿过第一输入孔径的第一光束； 成像装置接收穿过反射式成像器的第一光束并对物体成像；以及其中，在宽视场模式下反射式扩束器接收穿过第二输入孔径的第二光束；可移动的视场改变折叠反射镜位于光束路径中并接收和反射穿过反射式扩束器的第二光束；反射式成像器接收从可移动的视场改变折叠反射镜反射的第二光束；以及成像检测器接收穿过反射式成像器的第二光束并对物体成像。
2.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，反射式扩束器包括无焦三镜消像散镜和折叠反射镜。
3.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，反射式成像器包括有焦三镜消像散镜。
4.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，反射式成像器包括有焦三镜消像散镜和至少一个折叠反射镜。
5.如权利要求4所述的光学系统，其特征在于，所述至少一个折叠反射镜是非球面折叠反射镜。
6.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，反射式成像器还包括凹槽光谱分束器。
7.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，反射式成像器包括能访问的以使成像设备能够实现100%冷屏蔽效率的出射光瞳。
8.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，还包括发射激光束的激光器，所述激光束被可移动的视场改变折叠反射镜反射并随后穿过第一输入孔径。
9.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，还包括发射激光束的激光器，所述激光束穿过反射式成像器，且被可移动的视场改变折叠反射镜反射，然后穿过第一输入孔径。
10.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，还包括发射穿过输出直径的激光束的激光器。
11.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述反射式扩束器是梅森反射式扩束O
12.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述反射式成像器包括没有中间像的反射式三合反射镜系统或两反射镜系统。
13.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，在窄视场模式下反射式成像器包括主反射镜，接收并反射穿过第一输入孔径的第一光束；第二反射镜，接收并反射从主反射镜反射的第一光束；以及第三反射镜，接收并反射从第二反射镜反射的第一光束；成像检测器，接收从反射式成像器中的第三反射镜反射的第一光束；以及其中，在宽视场模式下反射式扩束器包括第三反射镜，接收并反射穿过第二输入孔径的第二光束； 固定折叠反射镜，接收并反射从第三反射镜反射的第二光束； 第二反射镜，接收并反射从固定折叠反射镜反射的第二光束；以及主反射镜，接收并反射从第二反射镜反射的第二光束；可移动的视场改变折叠反射镜位于光束路径中，接收并反射从反射式扩束器中的主反射镜反射的第二光束； 反射式成像器包括主反射镜，接收并反射从可移动的视场改变折叠反射镜反射的第二光束； 第二反射镜，接收并反射从主反射镜反射的第二光束；以及第三反射镜，接收并反射从第二反射镜反射的第二光束；以及成像检测器，接收从反射式成像器中的第三反射镜反射的第二光束。
14.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，在窄视场模式下 反射式成像器包括主反射镜，接收并反射穿过第一输入孔径的第一光束； 第二反射镜，接收并反射从主反射镜反射的第一光束；第一固定折叠反射镜或凹槽光谱分束器，接收并反射从第二反射镜反射的第一光束；以及第三反射镜，接收并反射从第一固定折叠反射镜或凹槽光谱分束器反射的第一光束； 成像检测器，接收从反射式成像器中的第三反射镜反射的第一光束； 其中，在宽视场模式下 反射式扩束器包括第三反射镜，接收并反射穿过第二输入孔径的第二光束； 固定折叠反射镜，接收并反射从第三反射镜反射的第二光束； 第二反射镜，接收并反射从固定折叠反射镜反射的第二光束；以及主反射镜，接收并反射从第二反射镜反射的第二光束；可移动的视场改变折叠反射镜位于光束路径中，接收并反射从反射式扩束器中的主反射镜反射的第二光束； 反射式成像器包括主反射镜，接收并反射从可移动的视场改变折叠反射镜反射的第二光束； 第二反射镜，接收并反射从主反射镜反射的第二光束；第一固定折叠反射镜或凹槽光谱分束器，接收并反射从第二反射镜反射的第二光束；以及第三反射镜，接收并反射从第一固定折叠反射镜或凹槽光谱分束器反射的第二光束； 成像检测器，接收从反射式成像器中的第三反射镜反射的第二光束。
15.如权利要求14所述的光学系统，其特征在于反射式成像器还包括第二固定折叠反射镜，所述第二固定折叠反射镜接收并反射从第三反射镜反射的第一光束或第二光束；以及成像装置从第二固定折叠反射镜接收第一光束或第二光束，而不是从反射式成像器中的第三反射镜接收第一光束或第二光束。
16.一种光学系统，适于在物体的窄视场模式或宽视场模式下操作，所述光学系统包括第一输入孔径； 第二输入孔径；可移动的视场改变折叠反射镜； 反射式扩束器； 反射式成像器；以及成像检测器； 其中，在窄视场模式下可移动的视场改变折叠反射镜位于光束路径外； 反射式成像器包括主反射镜，接收并反射穿过第一输入孔径的第一光束； 第二反射镜，接收并反射从主反射镜反射的第一光束；以及第三反射镜，接收并反射从第二反射镜反射的第一光束；以及成像检测器接收从第三反射镜反射的第一光束并对物体成像； 其中，在宽视场模式下 反射式扩束器包括第三反射镜，接收并反射穿过第二输入孔径的第二光束； 固定折叠反射镜，接收并反射从第三反射镜反射的第二光束； 第二反射镜，接收并反射从固定的折叠反射镜反射的第二光束；以及主反射镜，接收并反射从第二反射镜反射的第二光束；可移动的视场改变折叠反射镜位于光束路径中，接收并反射从反射式扩束器中的主反射镜反射的第二光束； 反射式成像器包括主反射镜，接收并反射从可移动的视场改变折叠反射镜反射的第二光束；第二反射镜，接收并反射从主反射镜反射的第二光束；以及第三反射镜，接收并反射从第二反射镜反射的第二光束；以及成像检测器接收从反射式成像器中的第三反射镜反射的第二光束并对物体成像。
17.如权利要求16所述的光学系统，其特征在于，所述反射式成像器具有能访问的使成像设备能够实现100%冷屏蔽效率的出射光瞳。
18.一种光学系统，适于在物体的窄视场模式或宽视场模式下操作，所述光学系统包括第一输入孔径； 第二输入孔径；可移动的视场改变折叠反射镜； 反射式扩束器； 反射式成像器；以及成像检测器； 其中，在窄视场模式下可移动的视场改变折叠反射镜位于光束路径外； 反射式成像器包括主反射镜，接收并反射穿过第一输入孔径的第一光束； 第二反射镜，接收并反射从主反射镜反射的第一光束；第一固定折叠反射镜或凹槽光谱分束器，接收并反射从第二反射镜反射的第一光束；以及第三反射镜，接收并反射从第一固定折叠反射镜或凹槽光谱分束器反射的第一光束； 成像检测器接收从第三反射镜反射的第一光束并对物体成像； 其中，在宽视场模式下 反射式扩束器包括第三反射镜，接收并反射穿过第二输入孔径的第二光束； 固定折叠反射镜，接收并反射从第三反射镜反射的第二光束； 第二反射镜，接收并反射从固定折叠反射镜反射的第二光束；以及主反射镜，接收并反射从第二反射镜反射的第二光束；可移动的视场改变折叠反射镜位于光束路径中，接收并反射从反射式扩束器中的主反射镜反射的第二光束； 反射式成像器包括主反射镜，接收并反射从可移动的视场改变折叠反射镜反射的第二光束； 第二反射镜，接收并反射从主反射镜反射的第二光束；第一固定折叠反射镜或凹槽光谱分束器，接收并反射从第二反射镜反射的第二光束；以及第三反射镜，接收并反射从第一固定折叠反射镜或凹槽光谱分束器反射的第二光束； 成像检测器接收从反射式成像器中的第三反射镜反射的第二光束并对物体成像。
19.如权利要求18所述的光学系统，其特征在于反射式成像器还包括第二固定折叠反射镜，所述第二固定折叠反射镜接收并反射从第三反射镜反射的第一光束或第二光束；以及成像装置从第二固定折叠反射镜接收第一光束或第二光束，而不从反射式成像器中的第三反射镜接收第一光束或第二光束。
20.如权利要求18所述的光学系统，其特征在于，所述反射式成像器具有能访问的使成像设备能够实现100%冷屏蔽效率的出射光瞳。
21.一种用于对物体成像的方法，所述方法包括以下步骤 提供光学系统，所述光学系统包括第一输入孔径； 第二输入孔径； 反射式扩束器； 反射式成像器；可移动的视场改变反射镜；以及成像检测器；在窄视场模式下操作光学系统以对物体成像，其中 可移动的视场改变折叠反射镜位于光束路径外； 反射式成像器接收穿过第一输入孔径的第一光束；成像装置接穿过反射成像器的第一光束并对物体成像；以及在宽视场模式下操作光学系统以对物体成像，其中反射式扩束器接收穿过第二输入孔径的第二光束；可移动的视场改变折叠反射镜位于光束路径中，接收并反射穿过反射式扩束器的第二光束；反射式成像器接收从可移动的视场改变折叠反射镜反射的第二光束；以及成像检测器接收穿过反射式成像器的第二光束并对物体成像。
全文摘要
本文描述了一种具有紧凑型、全反射设计的光学系统，该系统具有用于对物体成像的多个视场。该光学系统也具有相同的观察方向且可具有用于增加激光测距和指示部件的多种不同的配置。
文档编号H04N5/33GK102460267SQ201080033692
公开日2012年5月16日 申请日期2010年6月18日 优先权日2009年6月19日
发明者J·M·昆尼克, J·本特利 申请人:康宁股份有限公司