一种可见光红外双波段大视场同轴折反射式光学系统及成像方法

1.本发明涉及应用光学领域中的大视场光学成像技术，特别涉及一种可见光红外双波段大视场同轴折反射式光学系统及成像方法。


背景技术：

2.随着光学元件加工及ccd传感器技术的不断发展，人们对成像设备的可拍摄视场角要求提出了越来越高的要求，使得大视场光学镜头被广泛应用于机器人导航、安全监控及视频会议等成像设备中，导致传统的小视场光学镜头不再满足社会需求；同时，为了能够使得大视场光学成像设备能获得较清晰图像，需要其核心部分光学系统必须具有较高的成像质量。然而，折反射成像系统是将折射系统与反射系统相结合的一种光学系统，它能在获得较好成像性能基础上实现大视场范围拍摄，因此，它被人们广泛应用于上述应用领域中；但是由于人们需求在白天或光线较暗，甚至是晚上都能同时实现较清晰成像，因此对于此类系统能工作在宽波段的需求越来越高。针对该问题，设计出一款能够同时应用于可见光及红外双波段的同轴折反射式光学系统具有十分重要意义及应用前景。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种可见光红外双波段大视场同轴折反射式光学系统及成像方法，该光学系统能够在实现大视场、高成像性能基础上，同时可以达到工作在可见光及红外双波段都能较清晰成像。
4.本发明的技术方案在于：一种可见光红外双波段大视场同轴折反射式光学系统，包括沿物点发出的光线入射方向依次设置的反射镜、具有正光焦度的第一折射透镜、具有正光焦度的第二折射透镜、具有负光焦度的第三折射透镜、具有正光焦度的第四折射透镜、具有负光焦度的第五折射透镜和具有正光焦度的第六折射透镜；位于第三折射透镜和第四折射透镜之间设置有孔径光阑；所述第二折射透镜与第三折射透镜组合成第一组双胶合透镜，所述第四折射透镜和第五折射透镜组合成第二组双胶合透镜。
5.进一步地，所述反射镜与第一折射透镜之间的空气间隔为44.86mm，所述第一折射透镜与第一组双胶合透镜之间的空气间隔为7.00mm，所述第一组双胶合透镜与第二组双胶合透镜之间的空气间隔为4.45mm，所述第二组双胶合透镜与第六折射透镜之间的空气间隔为0.98mm。
6.进一步地，所述第一折射透镜至第六折射透镜的每块折射透镜的两个光学面均采用球面设计；所述反射镜采用偶次非球面设计，反射镜的非球面面型系数满足如下方程：上式中，，为非球面顶点曲率半径；和分别为非球面弧矢高度和
弦高；为非球面圆锥系数，、、、分别为非球面的第2次、第4次、第6次和第8次项系数。
7.进一步地，所述反射镜的光学面对应的非球面面型系数为：，，，，。
8.进一步地，所述反射镜反射镜片，所述第一折射透镜的材料为bk7，第二折射透镜的材料为bk3，第三折射透镜的材料为bk7，第四折射透镜的材料为bk7，第五折射透镜的材料为bk3，第六折射透镜的材料为bk7。
9.进一步地，该系统的可拍摄全视场角范围为6
°
~178
°
，总焦距为1.07mm，f数为3.5，总长度为77.44mm，可探测的波段为可见光和红外，波长探测范围为400nm~1350nm。
10.一种可见光红外双波段大视场同轴折反射式光学系统的成像方法，包括一种可见光红外双波段大视场同轴折反射式光学系统，步骤如下：物点发出的光线首先经过反射镜反射后，依次通过第一折射透镜、第二折射透镜、第三折射透镜、第四折射透镜、第五折射透镜及第六折射透镜，到达像平面处进行成像。
11.与现有技术相比较，本发明具有以下优点：本发明光学系统能够保证在相同光学系统情况下，工作在可见光和红外双波段中均具有较高的成像质量，并且具有较大相对孔径（f数为3.5）；结构设计也相对更加简单合理，仅采用了一块反射镜及六块折射透镜实现大视场成像。并且在折射透镜中仅采用了bk7和bk3两种比较普遍的材料，达到降低生产成本的目的。在本发明中，将反射镜后的六块折射透镜采用双高斯镜头结构，这样能更加有效地校正系统像差，并结合超大视场光学系统波像差理论对系统像差进行分析，并在此基础上结合光学设计软件zemax对其进行优化设计，最终实现光学系统高分辨率成像目的，从而使得本发明提出的一种可见光/红外双波段大视场同轴折反射式光学系统具有大视场、能工作宽波段中并达到较高成像质量，相对照度高，同时结构相对简单、合理，使用的镜片材料种类少且比较普遍，成本较低，公差具有较宽松范围等特点。
附图说明
12.图1是本发明实施例的结构示意图；图2是本发明实施例的调制传递函数（mtf）曲线图；图3是本发明实施例的相对照度图；图4是本发明实施例的光路示意图；图中：m1
‑
反射镜；l1
‑
第一折射透镜；l2
‑
第二折射透镜；l3
‑
第三折射透镜；l4
‑
第四折射透镜；l5
‑
第五折射透镜；l6
‑
第六折射透镜；p1
‑
孔径光阑；i1
‑
像平面。
具体实施方式
13.为让本发明的上述特征和优点能更浅显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下，但本发明并不限于此。
14.参考图1至图4如图1所示，一种可见光红外双波段大视场同轴折反射式光学系统，包括沿物点发出的光线入射方向依次设置的反射镜m1、具有正光焦度的第一折射透镜l1、具有正光焦度
的第二折射透镜l2、具有负光焦度的第三折射透镜l3、具有正光焦度的第四折射透镜l4、具有负光焦度的第五折射透镜l5和具有正光焦度的第六折射透镜l6；位于第三折射透镜l3和第四折射透镜l4之间设置有孔径光阑p1；所述第二折射透镜l2与第三折射透镜l3组合成第一组双胶合透镜，所述第四折射透镜l4和第五折射透镜l5组合成第二组双胶合透镜。
15.本实施例中，所述反射镜m1与第一折射透镜l1之间的空气间隔为44.86mm，所述第一折射透镜l1与第一组双胶合透镜之间的空气间隔为7.00mm，所述第一组双胶合透镜与第二组双胶合透镜之间的空气间隔为4.45mm，所述第二组双胶合透镜与第六折射透镜l6之间的空气间隔为0.98mm。
16.本实施例中，所述第一折射透镜l1至第六折射透镜l6的每块折射透镜的两个光学面均采用球面设计；所述反射镜采用偶次非球面设计，反射镜m1的非球面面型系数满足如下方程：上式中，，为非球面顶点曲率半径；和分别为非球面弧矢高度和弦高；为非球面圆锥系数，、、、分别为非球面的第2次、第4次、第6次和第8次项系数。
17.本实施例中，所述反射镜m1的光学面对应的非球面面型系数为：，，，，。
18.本实施例中，所述反射镜m1反射镜片，折射率为1.0000。所述第一折射透镜l1的材料为bk7，折射率为1.5168、阿贝数为64.17。所述第二折射透镜l2的材料为bk3，折射率为1.4983、阿贝数为65.06。所述第三折射透镜l3的材料为bk7，折射率为1.5168、阿贝数为64.17。所述第四折射透镜l4的材料为bk7，折射率为1.5168、阿贝数为64.17。所述第五折射透镜l5的材料为bk3，折射率为1.4983、阿贝数为65.06。所述第六折射透镜l6的材料为bk7，折射率为1.5168、阿贝数为64.17。
19.本实施例中，该系统的可拍摄全视场角范围为6
°
~178
°
，总焦距为1.07mm，f数为3.5，总长度为77.44mm，可探测的波段为可见光和红外，波长探测范围为400nm~1350nm。
20.如图2所示，给出了可见光/红外双波段大视场同轴折反射式光学系统在半视场角为3
°
、40
°
和89
°
时，截止频率为40lp/mm的调制传递函数（mtf）曲线。从图2中可以看出在截止频率为40lp/mm情况下，该光学系统在半视场角3
°
、40
°
和89
°
的子午和弧矢方向上的mtf值分别大于0.54和0.55、0.33和0.48、0.26和0.54，表明系统成像质量较高，满足实际应用需求。
21.如图3所示，为一种可见光红外双波段大视场同轴折反射式光学系统的相对照度曲线，从图3中可以得出该在视场范围内的相对照度均大于0.97，说明该镜头的相对照度非常高。
22.本发明实施例中，一种可见光/红外双波段大视场同轴折反射式光学系统结构参数见表1。
23.表1可见光/红外双波段大视场同轴折反射式光学系统结构参数
上表中，所述反射镜m1的光学面s1凸向像平面i1。所述第一折射透镜l1至第六折射透镜l6的凸出方向情况，以反射镜m1和像平面i1所处位置为基准，所述第一折射透镜l1朝向反射镜m1光学面s2凸向反射镜m1，朝向像平面i1光学面s3凸向反射镜m1；所述第二折射透镜l2朝向反射镜m1光学面s4凸向像平面i1，朝向像平面i1光学面s5凸向像平面i1；所述第三折射透镜l3朝向反射镜m1光学面s5凸向像平面i1，朝向像平面i1光学面s6凸向反射镜m1，其中光学面s5是第二折射透镜l2和第三折射透镜l3的胶合面；所述第四折射透镜l4朝向反射镜m1光学面s7凸向反射镜m1，朝向像平面i1光学面s8凸向像平面i1；所述第五折射透镜l5朝向反射镜m1光学面s8凸向像平面i1，朝向像平面i1光学面s9凸向像平面i1，其中光学面s8是第四折射透镜和第五折射透镜的胶合面；所述第六折射透镜l6朝向反射镜m1光学面s10凸向反射镜m1，朝向像平面i1光学面s11凸向像平面i1。
24.如图1所示，一种可见光红外双波段大视场同轴折反射式光学系统的成像方法，包括一种可见光红外双波段大视场同轴折反射式光学系统，步骤如下：物点发出的光线首先经过反射镜m1反射后，依次通过第一折射透镜l1、第二折射透镜l2、第三折射透镜l3、第四折射透镜l4、第五折射透镜l5及第六折射透镜l6，到达像平面i1处进行成像。
25.综上所述，借助于发明的上述技术方案，可以使得该光学系统具有大视场、能工作宽波段中并达到较高成像质量，相对照度高，同时结构相对简单、合理，使用的镜片材料种类少且比较普遍，成本较低，公差具有较宽松范围等特点。
26.以上所述仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出不同形式的可见光红外双波段大视场同轴折反射式光学系统及成像方法
并不需要创造性的劳动，在不脱离本发明的原理和精神的情况下凡依本发明申请专利范围所做的均等变化、修改、替换和变型，皆应属本发明的涵盖范围。