一种共孔径可见、短波、长波红外三色光学系统

摘要

本实用新型提供一种共孔径可见、短波、长波红外三色光学系统，解决现有的三波段相机结构复杂及体积庞大的问题，通过三个波段共用前端主镜与次镜、结合分色片分光的方案，实现可见光、短波红外与长波红外同时成像，保证了系统结构紧凑性。当目标经主镜与次镜构成的反射系统反射后，利用主镜背部的第一分色片实现可见光、短波红外与长波红外波段分光，长波红外经过第一分色片后进入补偿透镜组成像于长波红外探测器；短波红外与可见光波段的光线经过第二分色片实现短波红外与可见光波段的分光，分光后的光束分别通过各自的补偿透镜成像于对应的探测器上。

说明书

技术领域

本实用新型涉及光学成像领域，具体涉及一种共孔径可见、短波、长波红外三色光学系统，主要用于星载大范围的目标观测。

背景技术

近年来，随着科技的进步和应用环境的日趋复杂，传统的单波段成像系统因存在探测信息弱、精度低的问题，已然很难满足各种各样的探测需求。由于目标在不同光谱波段表现的光学特征有较大差异，因此可以利用可见光、短波红外和长波红外组成三波段成像系统。可见光成像图像细节丰富，便于观察目标细节，但是在复杂天气条件和夜晚等光照条件不好的情况下观察受限。红外成像具有隐蔽性好、不受光照条件限制、抗干扰能力强、可实现远距离和全天时工作的优点，与可见光相比分辨率低，但是一定程度上弥补了可见光在夜晚成像观测不佳的缺陷。因此可见光、短波红外和长波红外组成的三波段成像，以其良好的互补性，可以有效提升相机的目标探测与识别能力，实现全天候、宽覆盖、高分辨率成像，获得更加全面、精准的目标信息。

传统的可见光、短波红外和长波红外三波段探测通常是设计三个独立的相机分别探测，导致其体积质量大，工程应用性不强。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种共孔径可见、短波、长波红外三色光学系统，主要解决现有的三波段相机体积庞大的问题，本实用新型通过三个波段共用前端主镜与次镜、结合分色片分光的方案，实现可见光、短波红外与长波红外同时成像，保证了系统结构紧凑性。

本实用新型的技术方案是：

一种共孔径可见、短波、长波红外三色光学系统，其特殊之处在于：包括沿光路依次设置的用于反射可见光波段、短波红外和长波红外波段的主镜和次镜；还包括第一分光片、第二分光片、可见光补偿透镜组、可见光探测器、短波红外偿透镜组、短波红外探测器、长波红外补偿透镜组及长波红外探测器；

上述第一分光片设置在次镜出射光路中，第二分光片设置在第一分光片其中一路出射光路中；

上述可见光补偿透镜组、短波红外偿透镜组以及长波红外补偿透镜组分别位于第二分光片两路出射光路以及第一分光片另一路出射光路中；或上述可见光补偿透镜组、长波红外补偿透镜组以及短波红外偿透镜组分别位于第二分光片两路出射光路以及第一分光片另一路出射光路中；或上述长波红外补偿透镜组、短波红外偿透镜组以及可见光补偿透镜组分别位于第二分光片两路出射光路以及第一分光片另一路出射光路中；

上述可见光探测器、短波红外探测器以及长波红外探测器分别位于可见光补偿透镜组、短波红外偿透镜组以及长波红外补偿透镜组的出射光路中。

进一步地，上述可见光补偿透镜组、短波红外偿透镜组以及长波红外补偿透镜组分别位于第二分光片两路出射光路以及第一分光片另一路出射光路中；第一分光片透过长波红外波段，反射可见光波段与短波红外波段，第二分光片透过短波红外波段，反射可见光波段；

可见光波段经过主镜、次镜、第一分色镜和第二分色镜反射后，再经可见光补偿透镜组成像于可见光探测器，工作波段为0.5～0.8μm；

短波红外波段经主镜、次镜反射，第一分色镜反射、第二分色镜透射后，再经短波红外偿透镜组成像于短波红外探测器，工作波段为1.45～1.65μm；

长波红外波段经主镜、次镜反射，第一分色镜透射后，再经长波红外补偿透镜组成像于长波红外探测器，工作波段为8.0～12.0μm。

进一步地，上述可见光补偿透镜组包括从物方到像方沿光路依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜；上述第一透镜焦距f

进一步地，上述短波红外偿透镜组包括从物方到像方沿光路依次设置的第五透镜、第六透镜和第七透镜；上述第五透镜焦距f

进一步地，上述长波红外补偿透镜组包括从物方到像方沿光路依次设置的第八透镜、第九透镜、第十透镜，第八透镜、第九透镜、第十透镜均为球面镜；第八透镜焦距f

进一步地，可见光补偿透镜组、短波红外偿透镜组以及长波红外补偿透镜组相对于系统光轴偏心，补偿第一分色镜和第二分色镜引入的像散。

进一步地，上述主镜与次镜均为二次双曲面反射镜。

进一步地，第一分色镜和第二分色镜相互平行，且与光轴夹角均为45°。

进一步地，第一分色镜和第二分色镜的反射面为平面，透射面为高次非球面。本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型通过三个波段共用前端主镜与次镜、结合分色片分光的方案，实现可见光、短波红外与长波红外同时成像，保证了系统结构紧凑性，减轻了整个光学系统的体积与质量，有利于整个系统的小型化设计。

2、本实用新型中波红外、长波红外波段成像系统采用补偿透镜组综合校正像差，并对透镜组相对于系统光轴有一定偏心来补偿分色镜引入的像散，使得三波段的像质均达到了衍射极限，成像质量高。

附图说明

图1为实施例共孔径可见、短波、长波红外三色光学系统结构示意图；

图2为实施例共孔径可见、短波、长波红外三色光学系统光路图；

图3为实施例共孔径可见、短波、长波红外三色光学系统中可见光系统的MTF曲线图；

图4为实施例共孔径可见、短波、长波红外三色光学系统中短波红外系统的MTF曲线图；

图5为实施例共孔径可见、短波、长波红外三色光学系统中长波红外系统的MTF曲线图；

图6为实施例共孔径可见、短波、长波红外三色光学系统中可见光系统的全系统像面弥散斑；

图7为实施例共孔径可见、短波、长波红外三色光学系统中短波红外系统全系统像面弥散斑；

图8为实施例共孔径可见、短波、长波红外三色光学系统中长波红外系统全系统像面弥散斑；

图9为实施例共孔径可见、短波、长波红外三色光学系统中可见光系统的全系统场曲畸变曲线；

图10为实施例共孔径可见、短波、长波红外三色光学系统中短波红外系统的全系统场曲畸变曲线；

图11为实施例共孔径可见、短波、长波红外三色光学系统中长波红外系统的全系统场曲畸变曲线；

图中附图标记为：1、主镜；2、次镜；3、第一分色镜；4、第二分色镜；5、第一透镜；6、第二透镜；7、第三透镜；8、第四透镜；9、第五透镜；10、第六透镜；11、第七透镜；12、第八透镜；13、第九透镜；14、第十透镜。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型的保护的范围。

参见图1和图2，本实施例共孔径可见/短波/长波红外三色光学系统主要由主镜1，次镜2，第一分色镜3，第二分色镜4、第一透镜5，第二透镜6，第三透镜7，第四透镜8，第五透镜9，第六透镜10，第七透镜11，第八透镜12，第九透镜13和第十透镜14构成。

可见光波段经过主镜1、次镜2、第一分色镜3和第二分色镜4反射后，再经依次设置的适用于可见光波段的第一透镜5、第二透镜6、第三透镜7、第四透镜8构成可见光波段成像系统，工作波段为0.5～0.8μm；

短波红外波段经主镜1、次镜2反射，第一分色镜3反射、第二分色镜4透射后，再经依次设置的适用于短波红外波段的第五透镜9、第六透镜10和第七透镜11构成的短波红外波段成像系统光路，工作波段为1.45～1.65μm；

长波红外波段经主镜1、次镜2反射，分色镜透射后，再经依次设置的适用于长波红外波段的第八透镜12、第九透镜13和第十透镜14构成的长波红外波段成像系统光路，长波红外波段成像系统的工作波段为8.0～12.0μm；

第一透镜5、第二透镜6、第三透镜7均为球面镜；第一透镜焦距f

第五透镜9、第六透镜10、第七透镜11均为球面镜；第五透镜焦距f

第八透镜12、第九透镜13、第十透镜14均为球面镜；第八透镜焦距f

第一分色镜3和第二分色镜4与光轴夹角45°，两个分色镜本身为平行关系分色镜的反射面为平面，透射面为高次非球面，主镜1与次镜2均为二次双曲面。

本实施例中主镜1参数为：R

次镜2参数为：R

第一透镜5参数为：G

第五透镜9参数为：G

第八透镜12参数为：G

其中，G

从图3至图11可以看出，本实施例所提供的光学系统中，可见光波段系统焦距为800mm，成像视场为3.4°，工作波段为500-800nm，系统有效入瞳直径90mm(扣除中心遮拦)，全视场无渐晕；短波红外波段系统焦距为200mm，成像视场为0.5°，工作波段为1.054-1.074um，系统有效入瞳直径90mm(扣除中心遮拦)，全视场无渐晕；长波红外波段系统焦距为200mm，成像视场为5.0°，工作波段为8.0-12.0um，系统有效入瞳直径90mm(扣除中心遮拦)，全视场无渐晕。双波段系统在500-800nm、1.45-1.65um和8.0-12.0um波段范围内全视场范围内成像质量较高，相对畸变小于1％。