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CN111751915B - 一种基于自由曲面棱镜的紧凑型红外取景器光学系统 - Google Patents

一种基于自由曲面棱镜的紧凑型红外取景器光学系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于自由曲面棱镜的紧凑型红外取景器光学系统，包括自由曲面棱镜、三角棱镜、窄带滤光片、近红外探测器和长波红外探测器，自由曲面棱镜包括依次连接的高次非球面、第二次反射自由曲面、第一次反射自由曲面和分光平面，入射光线经高次非球面入射后依次经过反射自由曲面和第二次反射自由曲面反射，达到分光平面时分成近红外光线和长波红外光线，近红外光线透射后依次经过三角棱镜和窄带滤光片后达到近红外探测器上，长波红外光线反射后由衍射面出射并到达长波红外探测器上。与现有技术相比，本发明具有成像质量好、结构紧凑等优点。

Description

一种基于自由曲面棱镜的紧凑型红外取景器光学系统
技术领域
本发明涉及一种光学系统和器件设计领域，尤其是涉及一种基于自由曲面棱镜的紧凑型红外取景器光学系统。
背景技术
双波段成像系统可针对同一目标在两个波段同时获得探测数据，有效抑制复杂背景的干扰信息，提升目标观测的精准性。一般双波段成像系统主要以三种方式构成：第一种是用两套独立的单波段的成像系统；第二种是两个响应不同波段的探测器共用一个光学系统；第三种是用一个响应两个波段的双色红外探测器共用一个光学系统。前一种方法需要设计两套独立的成像系统，后两种方法需要设计宽带消色差的系统，一般使用纯反射式结构。然而，传统的纯折射、纯反射或折反式双波段的光学系统通常用两个通道或者包含分光镜分光设计，需要多片式镜片组合成像校正像差，镜片的装配工艺和检测手段繁琐，最终系统具有较大的体积且机械结构也相当复杂。基于自由曲面棱镜的光学成像系统设计结构可以实现低成本、高性能且构型紧凑，这种设计构型已在可见光波段的增强现实目视系统中使用。
S.R.Kiontke在《Monolithic freeform element》(Proc.SPIE 9575,95750G,2015)中研制出一款视场角24°，长度为22mm的自由曲面棱镜镜头，材料为锗，其工作波段为长波红外波段，但该镜头采用的光学系统是单通道的长波红外系统，且没有实质地校正系统色差，成像质量并不理想；北京理工大学的程德文等人在《Lightweight spatial-multiplexed dual focal-plane head-mounted display using two freeform prisms》(COL 11(3),031201,2013)中提到了四种双焦面的抬头显示目视系统设计，但这些设计构型并没有涉及到双波段的接收成像，且最终的成像质量仅能用于目视系统。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于自由曲面棱镜的紧凑型红外取景器光学系统，成像质量好，结构紧凑。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于自由曲面棱镜的紧凑型红外取景器光学系统，包括自由曲面棱镜、三角棱镜、窄带滤光片、近红外探测器和长波红外探测器，所述的自由曲面棱镜包括依次连接的高次非球面、第二次反射自由曲面、第一次反射自由曲面、衍射面和分光平面，所述的三角棱镜包括入射平面和出射球面，所述的入射平面与分光平面紧贴，入射光线经高次非球面入射后依次经过第一次反射自由曲面和第二次反射自由曲面反射，达到分光平面时分成近红外光线和长波红外光线，所述的近红外光线依次透射过分光平面、入射平面、出射球面和窄带滤光片后达到近红外探测器上，所述的长波红外光线在分光平面上反射后由衍射面出射并到达长波红外探测器上。
进一步地，该光学系统的F数为1.2～2.0，入射光瞳直径为15mm～50mm，所述的第一次反射自由曲面与第一次反射自由曲面与入射光线的光轴的夹角范围为18°～25°，所述的第二次反射自由曲面与第一次反射自由曲面的夹角范围为35°～50°，所述的分光平面与入射光线的光轴的夹角范围为35°～50°。
进一步地，所述的高次非球面与入射光瞳重合，所述的高次非球面与第二次反射自由曲面、分光平面的相邻边缘均互不干涉，所述的第一次反射自由曲面和衍射面的相邻边缘互不干涉。
进一步地，所述的分光平面为倾斜平面，并满足长波红外的全反射条件，所述的分光平面上镀有分光膜，满足中波红外的透射条件。
进一步地，所述的出射球面与窄带滤光片之间的轴向距离为2mm～5mm，所述的窄带滤光片与近红外探测器之间的轴向距离为2mm～5mm，所述的衍射面与长波红外探测器之间的轴向距离为3mm～7mm，具体值根据近红外探测器和长波红外探测器的尺寸确定。
进一步地，所述的近红外探测器的单个像素大小为10μm或12μm，总像素数为1280×1024，尺寸为12.8mm×10.24mm，近红外的中心工作波长为1.064μm。
进一步地，所述的长波红外探测器的单个像素大小为17μm或30μm，总像素数为640×480，尺寸为10.88mm×8.16mm，长波红外响应波段范围为8μm-12μm，长波红外的中心工作波长为10μm。
进一步地，所述的近红外探测器的水平方向和垂直方向的视场角分别为24°和18°，所述的长波红外探测器的水平方向和垂直方向的视场角分别为19.2°和14.4°，实现成像充满近红外探测器和长波红外探测器。
与现有技术相比，本发明具有以如下有益效果：
(1)本发明仅采用自由曲面棱镜和三角棱镜传播光线，三角棱镜和自由曲面棱镜在分光平面上紧贴，光学系统前端共用高次非球面、第二次反射自由曲面和第一次反射自由曲面，整体结构紧凑轻巧，集成度高，适用性好，制造成本低，同时自由曲面能够有效降低轴外视场像差，采用衍射面校正长波红外的色差，设计的成像光路可接近衍射极限，且各个反射面均为内全反射，整个光学系统的能量效率高，分辨率高，相对孔径大；
(2)本发明将入射光瞳与高次非球面重合，使得光学系统结构紧凑。
附图说明
图1为基于自由曲面棱镜的双波段、双视场紧凑型红外取景器光学系统的结构示意图；
图2为本发明在近红外通道的光路图；
图3为本发明在长波红外通道的光路图；
图4为本发明在近红外通道的点列图；
图5为本发明在长波红外通道的点列图；
图6为本发明在近红外通道的MTF曲线图；
图7为本发明在中长波红外通道的MTF曲线图；
图中标号说明：
1.自由曲面棱镜，2.三角棱镜，3.窄带滤光片，4.近红外探测器，5.长波红外探测器，101.高次非球面，102.第一次反射自由曲面，103.第二次反射自由曲面，104.分光平面，105.衍射面，201.入射平面，202.出射球面。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
一种基于自由曲面棱镜的紧凑型红外取景器光学系统，如图1，包括自由曲面棱镜1、三角棱镜2、窄带滤光片3、近红外探测器4和长波红外探测器5，自由曲面棱镜1包括依次连接的高次非球面101、第二次反射自由曲面103、第一次反射自由曲面102、衍射面105和分光平面104，分光平面104为倾斜平面，并满足长波红外的全反射条件，分光平面104上镀有分光膜，满足中波红外的透射条件，三角棱镜2包括入射平面201和出射球面202，入射平面201与分光平面104紧贴，高次非球面101与入射光瞳重合，入射光线经入射光瞳后依次经过第一次反射自由曲面102和第二次反射自由曲面103反射，达到分光平面104时分成近红外光线和长波红外光线，近红外光线依次透射过分光平面104、入射平面201、出射球面202和窄带滤光片3后达到近红外探测器4上，长波红外光线在分光平面104上反射后由衍射面105出射并到达长波红外探测器5上。
光学系统的F数越小，入射光瞳的口径则越大，集光能力越强，有效入射光瞳越大，相应视场则越小，根据近红外探测器4和长波红外探测器5的型号和参数计算，折中视场和集光能力选择入射光瞳的大小。
该光学系统的F数为1.5，入射光瞳直径为20mm，第一次反射自由曲面102与第一次反射自由曲面与入射光线的光轴的夹角范围为18°～25°，第二次反射自由曲面103与第一次反射自由曲面102的夹角范围为35°～50°，分光平面104与入射光线的光轴的夹角范围为35°～50°。
高次非球面101与第二次反射自由曲面103、分光平面104的相邻边缘均互不干涉，第一次反射自由曲面102和衍射面105的相邻边缘互不干涉。
出射球面202与窄带滤光片3之间的轴向距离为3mm，窄带滤光片3与近红外探测器4之间的轴向距离为3mm，衍射面105与长波红外探测器5之间的轴向距离为5mm，近红外探测器4的单个像素大小为10μm，总像素数为1280×1024，尺寸为12.8mm×10.24mm，近红外的中心工作波长为1.064μm，长波红外探测器5的单个像素大小为17μm，总像素数为640×480，尺寸为10.88mm×8.16mm，长波红外响应波段范围为8μm-12μm，长波红外的中心工作波长为10μm。
近红外探测器4的水平方向和垂直方向的视场角分别为24°和18°，长波红外探测器5的水平方向和垂直方向的视场角分别为19.2°和14.4°，实现成像充满近红外探测器4和长波红外探测器5。
基于自由曲面棱镜的紧凑型红外取景器光学系统的各个光学面的参数和间距如表1和表2所示：
表1近红外通道的光学系统参数
Figure GDA0002954330630000051
表2长波红外通道的光学系统参数
Figure GDA0002954330630000052
Figure GDA0002954330630000061
由于透射材料折射率随波长变化，造成物点发出的不同波长的光线通过光学系统后不会聚在一点，而成为有色的弥散斑，本光学系统采用内反射，故经过相同的单一材料，需要通过衍射面105校正色差，衍射面105的色散特性与材料的无关性和负向性能够有效消除系统色差。
图2所示为光学系统在近红外通道的光路图，该光路图显示近红外光线经由入射光瞳透射、反射自由曲面102和第二次反射自由曲面103反射、分光平面104透射以及窄带滤光片3透射后最终成像至近红外探测器4上；图3所示为光学系统在长波红外通道的光路图，该光路图显示长波红外光线经由入射光瞳透射、反射自由曲面102和第二次反射自由曲面103反射、分光平面104反射以及衍射面105透射后最终成像至长波红外探测器5上。
图4所示光学系统在近红外通道的点列图，该点列图展示了像面上的弥散斑大小分布，图5所示为光学系统在长波红外通道的点列图，该点列图展示了像面上的弥散斑大小分布，色差的大小表现为弥散斑大小，设计结果均达到艾里斑衍射极限，故系统色差得到校正。
图6所示为光学系统在近红外通道的MTF曲线图，MTF曲线图即全视场传递函数图，设计传函值在50lp/mm高于0.38，可满足近红外探测器使用需求；图7所示为基于自由曲面棱镜的双波段、双视场紧凑型红外取景器光学系统在长波红外通道的MTF曲线图，MTF曲线图即全视场传递函数图，该系统的设计接近衍射极限，设计传函值在29lp/mm高于0.33，可满足长波红外探测器使用需求。
本实施例提出了一种基于自由曲面棱镜的紧凑型红外取景器光学系统，具有双波段和双视场，适用于大相对孔径和高分辨率，系统轻巧且集成度高，可直接采用单点金刚石车削工艺加工出镜片或者压模制造出，适用性好，制造成本低。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于自由曲面棱镜的紧凑型红外取景器光学系统，其特征在于，包括自由曲面棱镜(1)、三角棱镜(2)、窄带滤光片(3)、近红外探测器(4)和长波红外探测器(5)，所述的自由曲面棱镜(1)包括依次连接的高次非球面(101)、第二次反射自由曲面(103)、第一次反射自由曲面(102)、衍射面(105)和分光平面(104)，所述的三角棱镜(2)包括入射平面(201)和出射球面(202)，所述的入射平面(201)与分光平面(104)紧贴，入射光线经高次非球面(101)入射后依次经过第一次反射自由曲面(102)和第二次反射自由曲面(103)反射，达到分光平面(104)时分成近红外光线和长波红外光线，所述的近红外光线依次透射过分光平面(104)、入射平面(201)、出射球面(202)和窄带滤光片(3)后达到近红外探测器(4)上，所述的长波红外光线在分光平面(104)上反射后由衍射面(105)出射并到达长波红外探测器(5)上。
2.根据权利要求1所述的一种基于自由曲面棱镜的紧凑型红外取景器光学系统，其特征在于，该光学系统的F数为1.2～2.0，入射光瞳直径为15mm～50mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于自由曲面棱镜的紧凑型红外取景器光学系统，其特征在于，所述的第一次反射自由曲面(102)与入射光线的光轴的夹角范围为18°～25°，所述的第二次反射自由曲面(103)与第一次反射自由曲面(102)的夹角范围为35°～50°，所述的分光平面(104)与入射光线的光轴的夹角范围为35°～50°。
4.根据权利要求1所述的一种基于自由曲面棱镜的紧凑型红外取景器光学系统，其特征在于，所述的高次非球面(101)与入射光瞳重合。
5.根据权利要求1所述的一种基于自由曲面棱镜的紧凑型红外取景器光学系统，其特征在于，所述的高次非球面(101)与第二次反射自由曲面(103)、分光平面(104)的相邻边缘均互不干涉，所述的第一次反射自由曲面(102)和衍射面(105)的相邻边缘互不干涉。
6.根据权利要求1所述的一种基于自由曲面棱镜的紧凑型红外取景器光学系统，其特征在于，所述的分光平面(104)上镀有分光膜。
7.根据权利要求1所述的一种基于自由曲面棱镜的紧凑型红外取景器光学系统，其特征在于，所述的出射球面(202)与窄带滤光片(3)之间的轴向距离为2mm～5mm，所述的窄带滤光片(3)与近红外探测器(4)之间的轴向距离为2mm～5mm，所述的衍射面(105)与长波红外探测器(5)之间的轴向距离为3mm～7mm。
8.根据权利要求1所述的一种基于自由曲面棱镜的紧凑型红外取景器光学系统，其特征在于，所述的近红外探测器(4)的单个像素大小为10μm或12μm，总像素数为1280×1024，尺寸为12.8mm×10.24mm，近红外的中心工作波长为1.064μm。
9.根据权利要求1所述的一种基于自由曲面棱镜的紧凑型红外取景器光学系统，其特征在于，所述的长波红外探测器(5)的单个像素大小为17μm或30μm，总像素数为640×480，尺寸为10.88mm×8.16mm，长波红外响应波段范围为8μm-12μm，长波红外的中心工作波长为10μm。
10.根据权利要求1所述的一种基于自由曲面棱镜的紧凑型红外取景器光学系统，其特征在于，所述的近红外探测器(4)的水平方向和垂直方向的视场角分别为24°和18°，所述的长波红外探测器(5)的水平方向和垂直方向的视场角分别为19.2°和14.4°。
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