一种双视场透射式多传感器单孔径光学系统的制作方法

本发明属于光学技术领域，涉及一种多光谱多传感器共孔径光学系统，尤其涉及一种含有大、小两个视场的双视场透射式多传感器单孔径光学系统。

背景技术：

随着光电设备需求信息化、网络化、协同化的发展，光电系统随之朝多功能，高性能、远视距、信息融合方向发展，并且光电载荷须轻量化和小型化，以提升光电系统的集成度。

国内稳瞄光电系统配备的常见光电传感器有电视、红外热像和激光，各传感器布局采用独立模块化分置方式，分别拥有各自的光学系统和窗口，致使光电系统的体积和重量都比较大。同时，独立模块化分置式集成系统的各传感器具备各自的光轴轴线，导致大视场目标搜索系统的光学轴线与小视场目标跟踪系统的光学轴线也往往不一致。此外稳瞄光电系统采用框架整体稳定方式，其稳定精度在mrad量级，已将近达到极限，无法进一步提高瞄准线稳定性。

国内未见集成电视、激光和红外传感器的双视场多光谱共孔径光学系统实现小型化、轻量化及高精度稳定的相关报道，而国外有美国雷声公司和洛克希德·马丁公司的相关专利。美国雷声公司专利us6174061所述的光学系统集成了红外和激光光电传感器，头部共孔径光学镜头采用宽光谱卡赛格林反射式物镜，经中间像面后利用光谱分光分别实现小视场红外热成像和激光探测，而红外大视场热成像通过打入/打出一并置在分光镜背部的反射镜实现与小视场热像共用同一探测器。但该发明仅集成了激光和红外光电传感器，没有配置电视传感器，集成度不高。系统中红外大、小视场虽然共探测器，但光学孔径各自独立，光学轴线不一致。美国洛克希德·马丁公司专利us6359681所述的多光谱多传感器共孔径光学系统集成了电视、红外和激光光电传感器，并利用fsm实现了红外与激光的瞄准线稳定。该发明电视传感器光学通道没有经过fsm，无法兼顾电视的瞄准线稳定。

技术实现要素：

针对现有的多光谱多传感器共孔径光学系统集成度不高、搜索与跟踪视场光学轴线不一致以及ims/fsm无法兼顾红外、电视、激光的瞄准线稳定的问题，本发明提出一种双视场透射式多传感器单孔径光学系统，该系统集成度高，搜索与跟踪双视场共轴融合设计，并可实现各传感器的瞄准线稳定。同时利用多光谱光学材料色散匹配优化，解决单孔径光学在红外、电视、激光各谱段的像差问题。

本发明的技术方案为：

所述一种双视场透射式多传感器单孔径光学系统，其特征在于：包括宽光谱共用透射望远组件1、fsm组件2、光谱分光组件3、激光组件4、电视中继组件5、ccd组件6、热像中继组件7、红外探测器组件8；

宽光谱共用透射望远组件1由宽光谱物镜组1-1、折转平面反射镜1-2、宽光谱目镜组1-3组成，在3.7μm～4.8μm中波红外、0.6μm～0.8μm可见光与1.064μm激光三个光谱段像差平衡；

fsm组件2由平面反射镜2-1和驱动器2-2组成；

光谱分光组件3由第一分色平板3-1和第二分色平板3-2组成；

激光组件4由激光共用组件4-1、激光器4-2和激光接收组件4-3组成；

入射光经宽光谱共用透射望远组件1和fsm组件2的平面反射镜2-1到达光谱分光组件3，经第一分光镜3-1透射进入热像中继组件7，最后到达红外探测器组件8；经第一分光镜3-1反射的光进入第二分光镜3-2；经第二分光镜3-2反射的光到达激光组件4；经第二分光镜3-2透射的光进入电视中继组件5，最后到达ccd组件6。

进一步的优选方案，所述一种双视场透射式多传感器单孔径光学系统，其特征在于：宽光谱物镜组1-1由多光谱zns、单晶caf2和单晶蓝宝石3片透镜组成，面型均为球面，口径折转平面反射镜1-2置于宽光谱物镜组1-1后84.2mm处，与光轴成45°夹角倾斜放置，材料选用光学石英玻璃，外形尺寸为125mm×96mm×10mm；宽光谱目镜组1-3置于折转平面反射镜1-2后80mm处，由多光谱zns、单晶baf2和化学汽相沉积znse3片透镜组成，面型均为球面，口径宽光谱物镜组1-1、折转平面反射镜1-2和宽光谱目镜组1-3构成无实焦点的伽利略望远镜，倍率γ为3.4。

进一步的优选方案，所述一种双视场透射式多传感器单孔径光学系统，其特征在于：平面反射镜2-1置于宽光谱目镜组1-3后端42mm处，与光轴成45°夹角倾斜放置，材料选用光学石英玻璃，外形尺寸为56mm×45mm×6mm。

进一步的优选方案，所述一种双视场透射式多传感器单孔径光学系统，其特征在于：驱动器2-2采用压电陶瓷驱动器件，驱动平面反射镜2-1快速偏转实现fsm二级稳定，补偿框架组合一级稳定剩余误差。

进一步的优选方案，所述一种双视场透射式多传感器单孔径光学系统，其特征在于：第一分色平板3-1置于平面反射镜2-1后端80mm处，与光轴成45°倾斜放置，材料选用单晶蓝宝石，外形尺寸为62mm×48mm×5mm；第一分色平板3-1的入射面镀制透射3.7μm～4.8μm中波红外、反射0.6μm～0.8μm可见光及1.064μm激光的分色膜；第一分色平板3-1的出射面镀制3.7μm～4.8μm中波红外减反膜；第二分色平板3-2布置在第一分色平板3-1的反射方向上，与第一分色平板3-1平行放置，间距75mm，材料选用hk9l光学玻璃，外形尺寸为62mm×44mm×6mm；第二分色平板3-2的入射面镀制透射0.6μm～0.8μm可见光、反射1.064μm激光的分色膜；第二分色平板3-2的出射面镀制0.6μm～0.8μm可见光减反膜。

进一步的优选方案，所述一种双视场透射式多传感器单孔径光学系统，其特征在于：激光共用组件4-1由激光中继组件4-1-1、λ/4波片4-1-2和分色棱镜4-1-3组成；激光接收组件4-3由窄带滤光片4-3-1、激光会聚组件4-3-2和激光接收器4-3-3组成；激光中继组件4-1-1由4片hk9l透镜组成，面型均为球面，口径λ/4波片4-1-2材料为光学玻璃，口径分色棱镜4-1-3由2块hk9l直角棱镜胶合而成，分光面镀制1.064μm激光p光反射、s光透射的分色膜，尺寸为40mm×32mm×6mm；窄带滤光片4-3-1材料为hk9l，镀制1.064μm窄带滤光膜，口径激光会聚组件4-3-2由2片hk9l透镜组成，面型均为球面，口径激光器4-2为yag固体激光器，产生1.064μm的脉冲激光；激光接收器4-3-3为雪崩二极管。

进一步的优选方案，所述一种双视场透射式多传感器单孔径光学系统，其特征在于：热像工作光谱范围为3.7μm～4.8μm，大视场为3°×2.3°，小视场为0.7°×0.53°，系统f数为5.5，像高12mm，通过打入打出热像中继组件中的变倍组实现热像大、小视场的切换。

进一步的优选方案，所述一种双视场透射式多传感器单孔径光学系统，其特征在于：电视工作光谱范围为0.6μm～0.8μm，大视场为3°×2.3°，小视场为0.7°×0.53°，系统f数为6，像高7.04mm，通过打入打出电视中继组件中的变倍组实现电视大、小视场的切换。

有益效果

本发明提供了一种双视场多传感器透射式消色差单孔径光学系统，利用多光谱光学材料色散匹配优化，解决单孔径光学在红外、电视、激光各谱段的像差问题。

附图说明

图1是本发明的系统组成示意图。

图2为热像光路示意图，图中变倍组7-3-1、7-3-2打入打出实现大、小视场热像的视场切换。

图3为激光发射与接收光路示意图。

图4为电视光路示意图。图中变倍组5-3-1、5-3-2打入打出实现大、小视场电视的视场切换。

具体实施方式

下面结合附图及优选实施例对本发明作详细描述：

本发明的优选实施例是针对集成双视场红外热像、双视场电视和激光光电传感器且含有fsm的多光谱单孔径光学系统，实现系统的紧凑化和高集成度。fsm置于共孔径光路中，可完成小视场热像、电视和激光的瞄准线稳定。

如图1所示，本发明优选实施例的光学系统包括包括宽光谱共用透射望远组件1、fsm组件2、光谱分光组件3、激光组件4、电视中继组件5、ccd组件6、热像中继组件7、红外探测器组件8。

宽光谱共用透射望远组件1由宽光谱物镜组1-1、折转平面反射镜1-2、宽光谱目镜组1-3组成。该望远组件必须分别在3.7μm～4.8μm中波红外、0.6μm～0.8μm可见光与1.064μm激光三个光谱段像差平衡，尤其是色差校正。根据多光谱光学材料特性表1所示。

表1多光谱光学材料光学特性表

根据消色差匹配公式(1)，确定caf2或baf2之一，与蓝宝石、mgf2或znse可构成中波红外、可见光与激光三色消色差多光谱材料优选配对组合。

ε1为初级色差弥散半径，宜接近0；

为光学系统特性参数，为定值；

1、3分别为电视与中波红外波段；

a、b分别为配对的2种光学材料；

v为光学材料的阿倍数。

宽光谱物镜组1-1由多光谱zns(因为满足工程性增加的材料)、单晶caf2和单晶蓝宝石3片透镜组成，面型均为球面，口径折转平面反射镜1-2置于宽光谱物镜组1-1后84.2mm处，在y-z方向与光轴成45°夹角倾斜放置，材料选用光学石英玻璃，外形尺寸为125mm×96mm×10mm；宽光谱目镜组1-3置于折转平面反射镜1-2后80mm处，由多光谱zns、单晶baf2和化学汽相沉积znse3片透镜组成，面型均为球面，口径宽光谱物镜组1-1、折转平面反射镜1-2和宽光谱目镜组1-3构成无实焦点的伽利略望远镜，倍率γ为3.4。

fsm组件2由平面反射镜2-1和驱动器2-2组成。平面反射镜2-1置于宽光谱目镜组1-3后端42mm处，在y-z方向与光轴成45°夹角倾斜放置，材料选用光学石英玻璃，外形尺寸为56mm×45mm×6mm。驱动器2-2采用压电陶瓷驱动器件，驱动平面反射镜2-1快速偏转实现fsm二级稳定，以补偿框架组合一级稳定剩余误差。

光谱分光组件3由第一分色平板3-1和第二分色平板3-2组成。第一分色平板3-1置于平面反射镜2-1后端80mm处，在y-z方向与光轴成45°倾斜放置，材料选用单晶蓝宝石，外形尺寸为62mm×48mm×5mm。第一分色平板3-1的入射面镀制透射3.7μm～4.8μm中波红外、反射0.6μm～0.8μm可见光及1.064μm激光的分色膜；第一分色平板3-1的出射面镀制3.7μm～4.8μm中波红外减反膜。第二分色平板3-2布置在第一分色平板3-1的反射方向，且与第一分色平板3-1平行放置，间距75mm，材料选用hk9l光学玻璃，外形尺寸为62mm×44mm×6mm。第二分色平板3-2的入射面镀制透射0.6μm～0.8μm可见光、反射1.064μm激光的分色膜；第二分色平板3-2的出射面镀制0.6μm～0.8μm可见光减反膜。

激光测照组件4由激光共用组件4-1、激光器4-2和激光接收组件4-3组成。激光共用组件4-1由激光中继组件4-1-1、λ/4波片4-1-2和分色棱镜4-1-3组成。激光接收组件4-3由窄带滤光片4-3-1、激光会聚组件4-3-2和激光接收器4-3-3组成。激光中继组件4-1-1由4片hk9l透镜组成，面型均为球面，口径λ/4波片4-1-2材料为光学玻璃，口径分色棱镜4-1-3由2块hk9l直角棱镜胶合而成，分光面镀制1.064μm激光p光反射、s光透射的分色膜，尺寸为40mm×32mm×6mm；窄带滤光片4-3-1材料hk9l，镀制1.064μm窄带滤光膜，口径激光会聚组件4-3-2由2片hk9l透镜组成，面型均为球面，口径激光器4-2为yag固体激光器，产生1.064μm的脉冲激光；激光接收器4-3-3为雪崩二极管。

入射光经宽光谱共用透射望远组件1和fsm组件2的平面反射镜2-1到达光谱分光组件3，经第一分光镜3-1透射进入热像中继组件7，最后到达红外探测器组件8；经第一分光镜3-1反射进入第二分光镜3-2；再经第二分光镜3-2反射到达激光组件4；经第二分光镜3-2透射后进入电视中继组件5，最后到达ccd组件6。

如图2所示，热像工作光谱范围为3.7μm～4.8μm，大视场为3°×2.3°，小视场为0.7°×0.53°，系统f数为5.5，像高12mm，变倍组7-3-1、7-3-2打入打出实现大、小视场的切换。其光学系统各组份的结构参数表参见表1。

表1

如图3所示，激光测距工作光谱为1.064μm，系统f数为1.2，像高0.06mm，其光学系统各组份的结构参数表参见表2。

表2

如图4所示，电视工作光谱范围为0.6μm～0.8μm，大视场为3°×2.3°，小视场为0.7°×0.53°，系统f数为6，像高7.04mm，变倍组5-3-1、5-3-2打入打出实现大、小视场的切换。其光学系统各组份的结构参数表参见表3。

表3