一种可见光-中波红外一体化光学镜头的制作方法

本实用新型属于多波段成像技术领域，具体涉及一种可见光-中波红外一体化光学镜头。

背景技术：

现有传统单一波段设备中，可见光与热红外波段反映的目标和场景的特征信息不同，可见光图像反映景物的反射特性，场景细节丰富，但易受到天气和环境的影响；热红外图像反映景物的辐射特性，具有较好的景物热对比度，受天气影响较小，且作用距离远，适合全天候观察目标，但场景细节较差，与人眼的视觉习惯相差较大，影响了对目标和场景的识别。

随着目标伪装与隐身技术的不断进步，传统单一波段设备所能探测到的信息有限，已不能满足目标探测的需求。因此，基于多波段的光电成像系统成为国内外研究的主要方向，迫切需要设计一种利用可见光图像与热红外图像互补性的多波段成像系统。

技术实现要素：

为了解决现有单一波段设备探测到的信息有限，不能满足目标探测需求的技术问题，本实用新型提供了一种可见光-中波红外一体化光学镜头。

为实现上述目的，本实用新型提供的技术方案是：

一种可见光-中波红外一体化光学镜头，其特殊之处在于：包括主次镜组、分光元件、可见光光学分系统、中波红外光学分系统；所述主次镜组包括主反射镜和次反射镜；所述可见光光学分系统包括依次设置的折轴反射镜、校正镜组、准直镜组、调光镜组、物镜组；所述中波红外光学分系统包括依次设置的反射镜组、投影镜组；目标光线经主反射镜反射至次反射镜，经次反射镜反射至分光元件；所述分光元件用于将光线分为两路，分别入射至可见光光学分系统、中波红外光学分系统；其中一路光线经折轴反射镜反射到校正镜组，经过校正镜组校正后的光线入射至准直镜组，经过准直镜组准直后的光线入射至调光镜组，经过调光镜组调光后的光线进入物镜组；另一路光线经反射镜组反射至投影镜组。

进一步地，所述可见光光学分系统位于分光元件的反射光路中，中波红外光学分系统位于分光元件的透射光路中；

所述物镜组包括长焦物镜组、短焦物镜组；经过调光镜组调光后的光线进入长焦物镜组或短焦物镜组。

进一步地，所述校正镜组由3个透镜构成，沿光线传输方向依次为第一透镜、第二透镜、第三透镜；

所述第一透镜是一个正光焦度双凸重冕透镜，所述第二透镜是一个正光焦度弯向像方的弯月重镧火石透镜，所述第三透镜是一个负光焦度弯向像方的弯月重火石透镜。

进一步地，所述准直镜组由7个透镜构成，沿光线传输方向依次为第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜、第十透镜；

所述第四透镜是一个正光焦度弯向像方的弯月轻火石透镜，所述第五透镜是一个正光焦度双凸重火石透镜，所述第六透镜是一个负光焦度弯向物方的弯月重冕透镜，所述第七透镜是一个负光焦度弯向像方的弯月轻冕透镜，所述第八透镜是一个负光焦度双凹火石透镜，所述第九透镜是一个正光焦度双凸光学晶体，所述第十透镜是一个正光焦度双凸重冕透镜。

进一步地，所述长焦物镜组由5个透镜构成，沿光线传输方向依次为第十一透镜、第十二透镜、第十三透镜、第十四透镜、第十五透镜；

所述第十一透镜是一个正光焦度双凸光学晶体，所述第十二透镜是一个负光焦度弯向物方的弯月火石透镜，所述第十三透镜是一个负光焦度弯向物方的弯月重镧火石透镜，所述第十四透镜是一个正光焦度弯向物方的弯月重火石透镜，所述第十五透镜是一个负光焦度弯向物方的弯月重镧火石透镜；

所述短焦物镜组由7个透镜构成，沿光线传输方向依次为第十六透镜、第十七透镜、第十八透镜、第十九透镜、第二十透镜、第二十一透镜、第二十二透镜；

所述第十六透镜是一个负光焦度弯向像方的弯月轻冕透镜，所述第十七透镜是一个正光焦度双凸光学晶体，所述第十八透镜是一个负光焦度弯向物方的弯月轻冕透镜，所述第十九透镜是一个负光焦度弯向像方的弯月火石透镜，所述第二十透镜是一个正光焦度弯向像方的弯月重镧火石透镜，所述第二十一透镜是一个正光焦度双凸重镧火石透镜，所述第二十二透镜是一个负光焦度弯向物方的弯月火石透镜。

进一步地，所述投影镜组由1个平板和4个透镜构成，沿光线传输方向依次为平板、第二十三透镜、第二十四透镜、第二十五透镜、第二十六透镜；

所述平板是一个无光焦度的硅平板，所述第二十三透镜是一个正光焦度弯向像方的弯月硅透镜，所述第二十四透镜是一个负光焦度弯向物方的弯月锗透镜，所述第二十五透镜是一个正光焦度弯向物方的弯月硅透镜，所述第二十六透镜是一个正光焦度弯向像方的弯月硅透镜。

进一步地，所述反射镜组由3个反射镜构成，沿光线传输方向依次为第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜。

进一步地，所述主反射镜和次反射镜均为双曲面；

所述分光元件为光谱分光镜。

进一步地，在所述主反射镜上设置有孔径光阑或在所述第十六透镜上设有孔径光阑。

进一步地，设透镜光线入射面为前表面，光线出射面为后表面；

所述第一透镜的厚度为15mm，其前表面为球面，曲率半径为1000；后表面为球面，曲率半径为-450.3339；

所述第二透镜的厚度为17mm，其前表面为球面，曲率半径为82.41；后表面为球面，曲率半径为524.1377；

所述第三透镜的厚度为11mm，其前表面为球面，曲率半径为2449.856；后表面为球面，曲率半径为60.81；

所述第四透镜的厚度为13mm，其前表面为球面，曲率半径为65.16；后表面为球面，曲率半径为147.04；

所述第五透镜的厚度为9mm，其前表面为球面，曲率半径为264.826；后表面为球面，曲率半径为-601.898；

所述第六透镜的厚度为7mm，其前表面为球面，曲率半径为-43.5；后表面为球面，曲率半径为-222.741；

所述第七透镜的厚度为10mm，其前表面为球面，曲率半径为101.11；后表面为球面，曲率半径为74.42；

所述第八透镜的厚度为7.13mm，其前表面为球面，曲率半径为-71.128；后表面为球面，曲率半径为173.879；

所述第九透镜的厚度为17.05mm，其前表面为球面，曲率半径为155.96；后表面为球面，曲率半径为-72.466；

所述第十透镜的厚度为18mm，其前表面为球面，曲率半径为45.153；后表面为球面，曲率半径为-75.83；

所述第十一透镜的厚度为15mm，其前表面为球面，曲率半径为-68.87；后表面为球面，曲率半径为-702.865；

所述第十二透镜的厚度为7mm，其前表面为球面，曲率半径为-96.41；后表面为球面，曲率半径为-339.2；

所述第十三透镜的厚度为9.02mm，其前表面为球面，曲率半径为-249；后表面为球面，曲率半径为-70.98；

所述第十四透镜的厚度为7.08mm，其前表面为球面，曲率半径为-34.1；后表面为球面，曲率半径为-68.545；

所述第十五透镜的厚度为15mm，其前表面为球面，曲率半径为419.2731；后表面为球面，曲率半径为-101.11；

所述第十六透镜的厚度为10.03mm，其前表面为球面，曲率半径为70.98；后表面为球面，曲率半径为54.2；

所述第十七透镜的厚度为26mm，其前表面为球面，曲率半径为53.36；后表面为球面，曲率半径为-52.21；

所述第十八透镜的厚度为22mm，其前表面为球面，曲率半径为-50.324；后表面为球面，曲率半径为-2539；

所述第十九透镜的厚度为21.79mm，其前表面为球面，曲率半径为427.5；后表面为球面，曲率半径为40.114；

所述第二十透镜的厚度为16.75mm，其前表面为球面，曲率半径为38.73；后表面为球面，曲率半径为93.11；

所述第二十一透镜的厚度为22mm，其前表面为球面，曲率半径为131.18；后表面为球面，曲率半径为-178.1092；

所述第二十二透镜的厚度为8.11mm，其前表面为球面，曲率半径为-35.494；后表面为球面，曲率半径为-97.63；

所述第二十三透镜的厚度为15.89mm，其前表面为球面，曲率半径为223；后表面为球面，曲率半径为3519.2；

所述第二十四透镜的厚度为9.94mm，其前表面为非球面，曲率半径为-35.5，非球面系数为a＝-1.6361×10^-6，b＝-3×10^-10；后表面为球面，曲率半径为-97.72；

所述第二十五透镜的厚度为14.7mm，其前表面为球面，曲率半径为-83.11；后表面为球面，曲率半径为-48.36；

所述第二十六透镜的厚度为10mm，其前表面为球面，曲率半径为61.8；后表面为球面，曲率半径为122.35。

与现有技术相比，本实用新型的优点是：

1、本实用新型光学镜头通过分光元件将目标光线分为两路，分别进入可见光光学分系统、中波红外光学分系统，构成可见光系统(包括长焦和短焦)和中波红外系统共用一个主次镜组(r-c系统)的双波段光学系统的结构形式，具有结构紧凑、重量轻、无视差的优点，共孔径设计简化了整个系统结构，提高了系统的可靠性；该光学镜头的可见光长焦系统、可见光短焦系统、中波红外系统均具有较高的成像质量，完全满足对目标精确测量的需要。

2、本实用新型光学镜头中可见光长焦系统、可见光短焦系统、中波红外系统采用模块化设计，均可独立成像，且成像质量较好，可做为独立镜头使用；

模块化设计技术有利于过程检测与控制，有效降低系统的装调难度，保证光学系统的高质量成像。

3、本实用新型可见光系统具有调光、调焦、焦距两档调换功能。

4、本实用新型中波红外系统具有调焦功能，采用高次非球面进行设计，有效简化系统结构，提高系统的成像质量和透过率。

附图说明

图1为本实用新型可见光-中波红外一体化光学镜头的光学系统结构图。

图2为本实用新型可见光长焦3000mm光学系统光路图。

图3为本实用新型可见光短焦1500mm光学系统光路图。

图4为本实用新型中波红外焦距900mm光学系统光路图。

图5为本实用新型空间频率为50lp/mm，可见光长焦3000mm光学系统mtf曲线图。

图6为本实用新型空间频率为50lp/mm，可见光短焦1500mm光学系统mtf曲线图。

图7为本实用新型空间频率为33lp/mm，中波红外焦距900mm光学系统mtf曲线图。

图8为本实用新型可见光长焦3000mm光学系统球差、场曲和畸变曲线图。

图9为本实用新型可见光短焦1500mm光学系统球差、场曲和畸变曲线图。

图10为本实用新型中波红外焦距900mm光学系统球差、场曲和畸变曲线图。

其中，附图标记如下：

01-主反射镜，02-次反射镜，03-分光元件，04-折轴反射镜，05-校正镜组，06-准直镜组，07-调光镜组，08-长焦物镜组，09-短焦物镜组，010-投影镜组，1-第一透镜，2-第二透镜，3-第三透镜，4-第四透镜，5-第五透镜，6-第六透镜，7-第七透镜，8-第八透镜，9-第九透镜，10-第十透镜，11-第十一透镜，12-第十二透镜，13-第十三透镜，14-第十四透镜，15-第十五透镜，16-第十六透镜，17-第十七透镜，18-第十八透镜，19-第十九透镜，20-第二十透镜，21-第二十一透镜，22-第二十二透镜，23-第二十三透镜，24-第二十四透镜，25-第二十五透镜，26-第二十六透镜，27-第一反射镜，28-第二反射镜，29-第三反射镜，30-平板。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型的内容作进一步详细描述。

如图1和表1所示，一种可见光-中波红外一体化光学镜头，包括主次镜组、分光元件03、可见光光学分系统、中波红外光学分系统；主次镜组包括主反射镜01和次反射镜02，主反射镜01和次反射镜02均为双曲面；可见光光学分系统包括依次设置的折轴反射镜04、校正镜组05、准直镜组06、调光镜组07、长焦物镜组08、短焦物镜组09；中波红外光学分系统包括依次设置的反射镜组、投影镜组010；目标光线经主反射镜01反射至次反射镜02，经次反射镜02反射至分光元件03；分光元件03用于将光线分为两路，分光元件03采用光谱分光镜，反射光线入射至可见光光学分系统，反射光线经折轴反射镜04反射到校正镜组05，经过校正镜组05校正后的光线入射至准直镜组06，经过准直镜组06准直后的光线入射至调光镜组07，经过调光镜组07调光后的光线进入长焦物镜组08或短焦物镜组09，通过切换长焦物镜组08或短焦物镜组09实现可见光镜头焦距调换；透射光线入射至中波红外光学分系统，透射光线经反射镜组反射至投影镜组010，采用平板30与分光镜交叉90°放置，有效补偿分光镜引入的像散，该光学镜头光学系统口径450mm，可见光长焦系统焦距3000mm，相对孔径1/6.67，视场0.58°；可见光短焦系统焦距1500mm，相对孔径1/3.75，视场1.16°；中波红外系统焦距900mm，相对孔径1/2，视场0.78°。

校正镜组05由3个透镜构成，沿光线传输方向依次为第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3；第一透镜1是一个正光焦度双凸重冕透镜，第二透镜2是一个正光焦度弯向像方的弯月重镧火石透镜，第三透镜3是一个负光焦度弯向像方的弯月重火石透镜。

准直镜组06由7个透镜构成，沿光线传输方向依次为第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7、第八透镜8、第九透镜9、第十透镜10；第四透镜4是一个正光焦度弯向像方的弯月轻火石透镜，第五透镜5是一个正光焦度双凸重火石透镜，第六透镜6是一个负光焦度弯向物方的弯月重冕透镜，第七透镜7是一个负光焦度弯向像方的弯月轻冕透镜，第八透镜8是一个负光焦度双凹火石透镜，第九透镜9是一个正光焦度双凸光学晶体，第十透镜10是一个正光焦度双凸重冕透镜。

长焦物镜组08由5个透镜构成，沿光线传输方向依次为第十一透镜11、第十二透镜12、第十三透镜13、第十四透镜14、第十五透镜15；第十一透镜11是一个正光焦度双凸光学晶体，第十二透镜12是一个负光焦度弯向物方的弯月火石透镜，第十三透镜13是一个负光焦度弯向物方的弯月重镧火石透镜，第十四透镜14是一个正光焦度弯向物方的弯月重火石透镜，第十五透镜15是一个负光焦度弯向物方的弯月重镧火石透镜。

短焦物镜组09由7个透镜构成，沿光线传输方向依次为第十六透镜16、第十七透镜17、第十八透镜18、第十九透镜19、第二十透镜20、第二十一透镜21、第二十二透镜22；第十六透镜16是一个负光焦度弯向像方的弯月轻冕透镜，第十七透镜17是一个正光焦度双凸光学晶体，第十八透镜18是一个负光焦度弯向物方的弯月轻冕透镜，第十九透镜19是一个负光焦度弯向像方的弯月火石透镜，第二十透镜20是一个正光焦度弯向像方的弯月重镧火石透镜，第二十一透镜21是一个正光焦度双凸重镧火石透镜，第二十二透镜22是一个负光焦度弯向物方的弯月火石透镜。

反射镜组由3个反射镜构成，沿光线传输方向依次为第一反射镜27、第二反射镜28、第三反射镜29。

投影镜组010由1个平板和4个透镜构成，沿光线传输方向依次为平板30、第二十三透镜23、第二十四透镜24、第二十五透镜25、第二十六透镜26；平板30是一个无光焦度的硅平板透镜；第二十三透镜23是一个正光焦度弯向像方的弯月硅透镜，第二十四透镜24是一个负光焦度弯向物方的弯月锗透镜，第二十五透镜25是一个正光焦度弯向物方的弯月硅透镜，第二十六透镜26是一个正光焦度弯向像方的弯月硅透镜。

可见光光学分系统和中波红外光学分系统共用主反射镜01和次反射镜02，可见光光学分系统为二次成像系统，由主反射镜01、次反射镜02、分光镜、折轴反射镜04、校正镜组05组成一次成像系统，一次成像系统将目标成像于一次像面a，再经准直镜将光束准直为平行光，最终经长焦物镜组08或短焦物镜组09将目标成像于探测器的靶面，通过切换长焦物镜组08和短焦物镜组09实现可见光系统焦距1500mm和3000mm两档变倍。中波红外光学分系统也是二次成像系统，由主反射镜01、次反射镜02、分光镜、第一反射镜27、第二反射镜28组成一次成像系统，一次成像系统将目标成像于一次像面，再经过第三反射镜29、投影镜组010，最终成像于中波红外热像仪的靶面。

本实施例光学镜头各透镜的具体参数见下表1单位：mm

表1

其中，高次非球面系数为a＝-1.6361×10^-6，b＝-3×10^-10。

可见光光学系统镜头适用于分辨率2560×1600，像元间距10μm×10μm的可见光探测器；制冷型中波红外光学系统镜头适用于分辨率640×512，像元间距15μm×15μm，冷屏f数为f2，冷屏距为20mm的制冷型中波红外热像仪。

本实施例光学镜头口径450mm，可见光系统焦距1500mm/3000mm两档可选，中波红外系统焦距900mm，具有结构紧凑，各部分均可独立成像，镜头成像品质高等特点。

可见光镜头光学系统设计采用模块化设计技术，光学系统各部分均独立设计，可独立成像，且成像质量较好，完全可做为独立镜头使用。采用模块化设计技术有利于过程检测与控制，有效降低系统的装调难度，保证光学系统的高质量成像。可见光光学系统由一次成像系统、准直镜组06、调光镜组07、长焦物镜组08和短焦物镜组09组成；其中一次成像系统由主反射镜01、次反射镜02、分光镜、折轴反射镜04、校正镜组05组成，一次成像系统焦距为3220mm，相对孔径1/7.16，视场1.16°；准直镜组06焦距322mm，相对孔径1/6.44，视场5.79°；长焦镜组焦距300mm，相对孔径1/6，视场5.76°；短焦镜组焦距150mm，相对孔径1/3，视场11.50°。

可见光镜头具有调光、调焦、焦距3000mm/1500mm两档变倍功能；镜头焦距3000mm时，孔径光阑设置于主反射镜01上；镜头焦距1500mm时，孔径光阑设置于短焦物镜组09的第一片透镜上(即第十六透镜16)上；光线进入中波红外系统时，孔径光阑置于探测器冷屏上，镜头焦距切换时，光学系统自动切换光阑，简化了机械结构，有利于提高系统的可靠性；可见光光学系统中设计平行光路，准直镜组06与长焦物镜组08或短焦物镜组09之间为平行光，易于实现系统的调光功能，系统长短焦切换使用不影响成像质量。

中波红外镜头光学系统采用与可见光光学系统共用主光学系统的结构形式，中波红外光学系统由主反射镜01、次反射镜02、分光镜、第一反射镜27、第二反射镜28、第三反射镜29、投影镜组010组成，该光学系统的优点是：中波红外光学系统与可见光光学系统无视差；共孔径设计简化了整个系统结构，提高了系统的可靠性。

中波红外镜头也具有调焦功能，采用高次非球面进行设计，有效简化系统结构，提高系统的成像质量和透过率；采用平板30与分光镜交叉90°放置，有效补偿分光镜引入的像散。

图2～图4分别为可见光长焦3000mm光学系统光路图、可见光短焦1500mm光学系统光路图、中波红外焦距900mm光学系统光路图。图5～图7分别为可见光长焦3000mm光学系统mtf曲线图、可见光短焦1500mm光学系统mtf曲线图、中波红外焦距900mm光学系统mtf曲线图。图8～图10分别为可见光长焦3000mm光学系统球差、场曲和畸变曲线图，可见光短焦1500mm光学系统球差、场曲和畸变曲线图，中波红外焦距900mm光学系统球差、场曲和畸变曲线图。从图中可以看出，可见光长焦系统、可见光短焦系统、中波红外系统均具有较高的成像质量，完全满足对目标精确测量的需要。

以上仅是对本实用新型的优选实施方式进行了描述，并不将本实用新型的技术方案限制于此，本领域技术人员在本实用新型主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本实用新型所要保护的技术范畴。