一种紧凑型可见-红外双波段光学系统的制作方法

本发明属于光学系统技术领域，涉及一种紧凑型可见-红外双波段光学系统。

背景技术：

可见-红外双波段光学系统具有可见光和红外波段同时成像的特点，在民用、军用等各种领域有着广泛的应用。为了满足不同外界环境下快速、准确的发现、捕捉目标，并对目标进行准确的跟踪和测量，既要求光学系统能在白天提供高分辨的可见光图像，又要求系统能够在夜晚提供红外热图像，保证系统全天时的应用。

目前比较通用的技术方案仍然是采用单一波段的光学系统，其缺点在于：系统工作时间较为受限，无法满足全天时工作要求。即使采用双波段的方案，也会出现各种问题：第一、一般存在结构复杂、体积重量大等问题；第二、采用共孔径方案，会出现系统各波段相互干扰，各波段无法达到最优的成像质量；第三、目前实现双波段或多波段成像的系统大多采用折反射式结构方案，系统具有中心遮拦，较大程度的影响系统成像质量；第四、目前双波段系统较多采用共主光路，后组采用分光成像，分色镜的效率较大程度的影响系统各波段的成像效率。

由于现有双波段技术均采用折反射式前组可见-红外共光路，后组分光各波段分别成像在探测器上。由于前组采用反射式结构，系统的成像视场严重受限，一般不会超过6°；同时各波段光路相互干扰，导致系统杂散光线难以抑制，系统成像质量下降；另外系统存在分色镜，分色镜的效率较大程度影响后续系统的成像。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种紧凑型可见-红外双波段光学系统，该系统能有效抑制两个波段相互干扰，成像质量好，并且结构简单、体积较小。

为了解决上述技术问题，本发明的紧凑型可见-红外双波段光学系统包括可见光系统和红外系统，可见光系统包括正光焦度的透镜前组及透镜后组；其特征在于所述的可见光系统还包括无焦的非对称像差校正元件，非对称像差校正元件嵌入红外系统的正光焦度的红外第一透镜；可见光透过非对称像差校正元件到达正光焦度的透镜前组，经透镜前组汇聚到透镜后组，最后经过透镜后组成像在可见光探测器像面；红外光首先入射到红外第一透镜，经整个红外系统成像在红外探测器靶面。

所述的可见光非对称像差校正元件嵌入红外第一透镜靠近边缘的圆孔中，用于校正系统前部保护玻璃、头罩或窗口引入的非对称像差。

进一步，本发明还可以包括反射镜；所述的非对称像差校正元件嵌入红外第一透镜中心的圆孔中；可见光透过可见非对称像差校正元件后入射到反射镜，经反射镜反射后入射到透镜后组。

本发明还可以包括反射镜；非对称像差校正元件嵌入在红外第一透镜的偏离中心位置的圆孔中；可见光经过非对称像差校正元件校正非对称像差后入射到反射镜，经反射镜反射后入射到透镜前组。

所述的可见非对称像差校正元件至少含有一片自由曲面元件，自由曲面元件的入射面为自由曲面，出射面为球面；自由曲面面形表达式如下：

r²＝x²+(y-ydec)²

其中，z为自由曲面的矢高，cx为x方向的曲率，cy为y方向的曲率，r为曲率半径，kx为x方向的二次项系数，ky为y方向的二次项系数；ydec为子午方向半径与弧矢方向半径交点a距光轴的垂直距离。

所述的可见非对称像差校正元件包含一片自由曲面元件。

所述的可见非对称像差校正元件包含沿两片自由曲面元件；针对第一片自由曲面元件，cy＝0；针对第二片自由曲面元件，cx＝0；或者针对第一片自由曲面元件，cx＝0；针对第二片自由曲面元件，cy＝0。

所述的可见非对称像差校正元件还可以采用偏心光学元件，偏心光学元件包含多片透镜，第二片透镜及其后面的透镜依次向上形成偏心。

所述的偏心光学元件采用两片平凸透镜，第一块平凸透镜的入射面为球面，出射面为平面；第二块平凸透镜的入射面为平面，出射面为球面；并且第二块透镜在y方向向上形成偏心。

所述的透镜前组沿光轴依次设置正光焦度的可见第三透镜、正光焦度的可见第四透镜和负光焦度的可见第五透镜。

所述的透镜后组沿光轴依次设置正光焦度的可见第六透镜和负光焦度的可见第七透镜，用于校正系统高级像差。

所述的红外系统沿光轴依次设置正光焦度的红外第一透镜，负光焦度的红外第二透镜，正光焦度的第三红外透镜和负光焦度的第四红外透镜；红外第一透镜和红外第二透镜均采用弯月透镜。

本发明的可见-红外双波段光学系统与现有技术相比，具有以下的优点和产生的积极效果如下：

1.本发明可见-红外双波段光学系统采用可见光-红外分立设计，可见和红外互不干扰，可实现工作波段可见450nm～650nm、红外8000nm～14000nm成像，在特征频率处成像质量优异；

2.本发明可见-红外双波段光学系统具有紧凑的结构形式，体积小巧、重量轻；

3.本发明可见-红外双波段光学系统，采用透射式结构形式，系统视场达到8°×8°以上，其全视场像质优异。

4.本发明可见-红外双波段光学系统采用可见系统内嵌红外系统，整机外形与单个红外系统相当。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明实施例1、实施例2、实施例3的结构示意图。

图2a是实施例1的非对称像差校正元件正视图；图2b是实施例1的非对称像差校正元件侧视图。

图3是实施例3的非对称像差校正元件示意图。

图4是本发明实施例4、实施例5的结构示意图。

图5是本发明的可见光波段全视场调制传递函数曲线。

图6是本发明的红外光波段全视场调制传递函数曲线。

具体实施方式

本发明的紧凑型可见-红外双波段光学系统由可见光学系统和红外光学系统组成，采用分立-内嵌式结构。其中可见光学系统在现有技术的基础上增加了无焦可见非对称像差校正元件l1；红外光学系统采用现有技术。可见非对称像差校正元件l1嵌入红外光学系统的正光焦度的红外第一透镜g1，两个系统其他部分均独立。可见光系统和红外系统分别单独成像互不干扰。

实施例1

如图1所示，所述的可见光系统沿光轴依次设置无焦非对称像差校正元件l1、正光焦度的透镜前组及透镜后组；非对称像差校正元件l1采用一片自由曲面元件，透过光线实现非对称像差的校正，并形成无焦设计，用于校正系统前部保护玻璃、头罩或窗口引入的的非对称像差；透镜前组沿光轴依次设置正光焦度的可见第三透镜l3、正光焦度的可见第四透镜l4和负光焦度的可见第五透镜l4，三者共同分担系统绝大多数光焦度；透镜后组沿光轴依次设置正光焦度的可见第六透镜l6和负光焦度的可见第七透镜l7，负责校正系统高级像差。

所述的自由曲面元件的入射面l1-1为自由曲面，出射面l1-2为球面；自由曲面面形表达式如下：

r²＝x²+(y-ydec)²

如图2a、图2b所示，其中，z为自由曲面的矢高，cx为x方向的曲率，cy为y方向的曲率，r为曲率半径，kx为x方向的二次项系数，ky为y方向的二次项系数；ydec为子午方向半径与弧矢方向半径交点a距光轴的垂直距离。

其中cx、cy、kx、ky的具体数值通过实验确定，能够实现非对称像差的校正即可。

所述的红外系统沿光轴依次设置正光焦度的红外第一透镜g1，负光焦度的红外第二透镜g2，正光焦度的第三红外透镜g3和负光焦度的第四红外透镜g4；其中红外第一透镜g1的边缘位置加工圆形缺口或靠近边缘的位置加工圆孔；非对称像差校正元件l1嵌入圆形缺口或圆孔中，在不影响红外成像质量的前提下，能够保证系统体量不增大；红外第一透镜g1和红外第二透镜g2均采用弯月透镜。

可见光系统的工作原理：由目标散射的可见光光能量经过系统前部窗口进入可见非对称像差校正元件l1，经可见非对称像差校正元件l1校正非对称像差后，到达正光焦度的透镜前组，再经透镜前组汇聚到透镜后组；最后经过透镜后组校正高级像差后成像在可见光探测器像面101。

红外光学系统的工作原理：由目标散射的红外波段能量，经过系统前部窗口，到达红外第一透镜g1，经红外第一透镜g1汇聚到红外第二透镜g2；再经过红外第二透镜g2校正系统像差后到达第三红外透镜g3，最后经过第三红外透镜g3和第四红外透镜g4成像在红外探测器靶面201。

实施例2

如图1所示，本实施例与实施例1的区别之处仅在于所述的非对称像差校正元件l1采用包含两片自由曲面元件；两片自由曲面元件的入射面均为自由曲面，出射面均为球面；自由曲面面形表达式如下：

r²＝x²+(y-ydec)²

如图2a、图2b所示，其中，z为自由曲面的矢高，cx为x方向的曲率，cy为y方向的曲率，r为曲率半径(即xoy平面内任一点距离自由曲面元件中心o的距离)，kx为x方向的二次项系数，ky为y方向的二次项系数；ydec为子午方向半径与弧矢方向半径交点a距光轴的垂直距离。

针对第一片自由曲面元件，cy＝0；针对第二片自由曲面元件，cx＝0；或者针对第一片自由曲面元件，cx＝0；针对第二片自由曲面元件，cy＝0。其他参数的具体数值通过实验确定，能够实现非对称像差的校正即可。

实施例3

如图3所示，本实施例与实施例1的区别之处仅在于所述的可见非对称像差校正元件l1采用偏心光学元件，偏心光学元件采用两片平凸透镜，第一块平凸透镜l11的入射面l11-1为球面，出射面l11-2为平面；第二块平凸透镜l12的入射面l12-1为平面，出射面l12-2为球面；并且第二块透镜在y方向向上形成偏心，如图3所示，偏心距离为yc通过实验确定，能够保证实现非对称像差校正即可。

实施例4

如图4所示，所述的可见光系统沿光束传输方向依次设置非对称像差校正元件l1、反射镜f、正光焦度的透镜前组及透镜后组；非对称像差校正元件l1采用一片自由曲面元件；透镜前组沿光束传输方向依次设置正光焦度的可见第三透镜l3、正光焦度的可见第四透镜l4和负光焦度的可见第五透镜l4，三者共同分担系统绝大多数光焦度；透镜后组沿沿光束传输方向依次设置正光焦度的可见第六透镜l6和负光焦度的可见第七透镜l7，负责校正系统高级像差。

所述的自由曲面元件的入射面为自由曲面，出射面为球面；自由曲面面形表达式如下：

r²＝x²+(y-ydec)²

其中，z为自由曲面的矢高，cx为x方向的曲率，cy为y方向的曲率，r为曲率半径，kx为x方向的二次项系数，ky为y方向的二次项系数；ydec为子午方向半径与弧矢方向半径交点a距光轴的垂直距离。

其中cx、cy、kx、ky的具体数值通过实验确定，能够实现非对称像差的校正即可。所述的红外系统沿光轴依次设置正光焦度的红外第一透镜g1，负光焦度的红外第二透镜g2，正光焦度的第三红外透镜g3和负光焦度的第四红外透镜g4；其中红外第一透镜g1的中心位置加工圆孔；非对称像差校正元件l1嵌入该圆孔中，在不影响红外成像质量的前提下，能够保证系统体量不增大；红外第一透镜g1和红外第二透镜g2均采用弯月透镜。

可见光系统的工作原理：由目标散射的可见光光能量经过系统前部窗口进入非对称像差校正元件l1，再经反射镜f反射后到达透镜前组，然后经透镜前组汇聚到透镜后组；最后经过透镜后组校正高级像差后成像在可见光探测器像面101。

红外光学系统的工作原理与实施例1相同。

实施例5

如图4所示，本实施例与实施例4的不同之处在于所述的可见非对称像差校正元件l1采用偏心光学元件，偏心光学元件采用两片平凸透镜，第一块平凸透镜的入射面为球面，出射面为平面；第二块平凸透镜的入射面为平面，出射面为球面；并且第二块透镜在y方向向上形成偏心。，用于校正系统前部的非对称像差，能满足可见光系统成像质量设计要求即可。

本发明的技术指标如表1所示。

表1可见-红外双波段光学系统达到的技术指标

本发明不限于上述实施例，可见非对称像差校正元件l1还可采用三片自由曲面光学元件代替，或者三片及以上透镜代替，只要校正元件成无焦组件，同时能够校正非对称像差即可。本发明中各光学元件光焦度分配，无需完全一致，在保证可见和红外第一透镜为正光焦度的前提下，可进行调整。

本发明(实施例1～5)的可见光波段全视场调制传递函数曲线如图5所示，横坐标为空间频率，单位为cycles/mm，最大值为90；纵坐标为调制传递函数，红线实线代表轴上0视场系统调制传递函数的变化曲线；绿色实线为系统4°×4°子午方向系统调制传递函数，绿色虚线为系统4°×4°弧矢方向系统调制传递函数；蓝色实线为系统6°×6°子午方向系统调制传递函数，蓝色虚线为系统6°×6°弧矢方向系统调制传递函数；棕色实线为系统8°×8°子午方向系统调制传递函数，棕色虚线为系统8°×8°弧矢方向系统调制传递函数；从图5中可以看出，系统全视场调制传递函数大于0.25。

本发明(实施例1～5)的红外波段全视场调制传递函数曲线如图6所示，横坐标为空间频率，单位为cycles/mm，最大值为30；纵坐标为调制传递函数，红线实线代表轴上0视场系统调制传递函数的变化曲线；绿色实线为系统2°×2°子午方向系统调制传递函数，绿色虚线为系统2°×2°弧矢方向系统调制传递函数；蓝色实线为系统6°×6°子午方向系统调制传递函数，蓝色虚线为系统6°×6°弧矢方向系统调制传递函数；棕色实线为系统8°×6°子午方向系统调制传递函数，棕色虚线为系统8°×6°弧矢方向系统调制传递函数；从图6中可以看出，系统全视场调制传递函数大于0.45。

本发明同时解决了目前双波段光学系统视场小、体量大、结构复杂的设计问题，系统采用透射式成像方案，两个波段分别单独成像互不干扰，同时将可见光嵌入红外系统内部不增加系统体积，简化了系统结构。可见光系统在特征频率处的调制传递函数能够达到0.25以上，红外光学系统在特征频率处的调制传递函数能够达到0.45以上。

本发明的目的是解决可见-红外双波段光学系统在小体积、轻质量、大视场的情况下实现可见和红外的高像质设计问题。采用可见和红外系统分立设计，利用红外系统开孔，可见光系统内嵌的方式，不增加系统体量。可见光系统采用同轴或离轴像差校正元件，能够校正保护窗口或球罩带来的非对称像差。红外光学系统采用紧凑型设计，采用较大光焦度的第一红外透镜(现有技术中第一红外透镜也是较大光焦度)，能够降低后续光学元件尺寸，降低红外系统体积。