超大視場、大孔徑雙色光學系統的製作方法

2023-08-03 14:02:51 3

專利名稱：超大視場、大孔徑雙色光學系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於光學儀器技術領域，涉及一種大視場、大孔徑紅外和紫外雙譜段混和
的光學系統，特別適用於特殊雙譜段的焦平面成像或能量探測。
背景技術：
目前，以紫外和紅外焦平面光電陣列探測器作為成像接收器的大視場、大孔徑高 傳遞函數值(MTF)的混光光學系統，無論是在航天、航空和地面的偵察，目標跟蹤探測中， 都能獲得常規鏡頭無法比擬的寬譜段高清晰度照片和更多目標譜段信息，可廣泛應用於國 防、軍工領域，因此備受國防、軍事部門的青睞。
目前採用的相機光學系統，無論是單一的紅外相機，還是單一的紫外相機，普通的
小視場光學系統中，為了校正光學像差的需要，多採用多片不同玻璃材料組合，因此系統
體積和重量都較大，對系統靈活使用有著較大的影響，而且很難獲得比較高的傳遞函數值
(MTF);若系統中採用衍射光學元件，其衍射光學元件難以加工、檢測，而且衍射元件加工精
度對衍射效率有較大影響，從而也影響結構形式，相機不好布局，增加相機重量，何況對於
紫外和紅外兩種波長混光光學系統，傳統系統將更複雜，而且材料也難選擇。 與本發明最為接近的已有技術是中國的一個專利(CN. patent 1327164A)，如圖1
所示，是由正光焦度第一透鏡，負光焦度第二透鏡，正光焦度第三透鏡，杜瓦窗口 ，孔徑光闌
和成像接收器組成的。該光學系統的視場不夠大，只能達到28° ，且第二透鏡使用色散較大
的紅外玻璃，材料的選擇和加工困難。 為了克服上述缺點，特設計一種可適合於較大範圍的視場角(0° 130° )，系統 光圈數F的值為1 2，系統的結構簡單，並能獲得比較高的傳遞函數值(MTF)的光學系統。

發明內容
本發明的目的是為了解決在獲得大視場的條件下，減小系統的體積，減輕系統的 重量，降低光學元件的獲取和加工難度的問題，提出一種超大視場、大孔徑雙色光學系統。
本發明的目的是通過下述技術方案實現的。 本發明的超大視場、大孔徑雙色光學系統，包括單負非球面光學反射鏡(7)、第一 單正非球面光學反射鏡(8)、第二單正非球面光學反射鏡(9)、分光鏡(10)、非球面透鏡 (11)、單正透鏡(12)、紅外探測器像面(13)、紫外探測器像面(14);按x、y、z右手空間坐標 系有序排列，z軸方向定為光軸方向，y軸垂直於z軸，x軸垂直於yz平面，yz坐標平面為光 學系統的子午面；各塊透鏡的光軸和系統的光軸重合，在光的傳播方向上，依次排列單負非 球面光學反射鏡(7)，第一單正非球面光學反射鏡(8)，第二單正非球面光學反射鏡(9)，分 光鏡(IO)，單負透鏡(ll)，單正透鏡(12)和紅外探測器像面(13)，紫外探測器像面(14); 無窮遠的目標經過第一塊非球面反射鏡(7)後照射到第二塊非球面反射鏡(8)，經過第二 塊非球面反射鏡(8)後照射到第三塊非球面反射鏡(9)，然後由第三塊非球面反射鏡(9)照 射到第四塊分光鏡(IO)，光線將分成紅外和紫外兩部分，其中紅外光線再經第五塊非球面透鏡(ll)，然後由第六塊球面透鏡(12)照射到紅外探測器像面(13)，紫外光線則直接投射到紫外探測器元件(14)上，分別得到兩種波長的最後的像。 所述的單負非球面光學反射鏡(7)是一個光焦度為負的非球面反射鏡，第一單正非球面光學反射鏡(8)是一個光焦度為正的光學反射鏡，第二單正非球面光學反射鏡(9)是一個光焦度為正的光學反射鏡，非球面透鏡(11)是一個光焦度為負的非球面透鏡，單正透鏡(12)是一個光焦度為正的球面透鏡。 本發明的一種超大視場、大孔徑雙色光學系統的設計方法如下
1、採用含非球面的反遠結構 為了使大視場的目標(及遠方物體)能分別成像在紅外探測器像面和紫外探測器像面上，採用了含光學非球面的反遠結構。為了實現大視場，本發明採用了由前組負透鏡和後組正透鏡組合的反遠結構形式，基於這個幾何特性，本發明的光學系統採用了非球面反射鏡，前三塊反射鏡是非球面，第一塊反射鏡7是一個光焦度為負的非球面反射鏡，第二塊反射鏡(8)是一個光焦度為正的非球面光學反射鏡，第三塊反射鏡(9)是一個光焦度為正的非球面光學反射鏡。這樣本系統的視場最大可達130。。為了校正大孔徑系統產生的其它像差，系統主要通過使用後續校正鏡進行綜合補償，最後的設計結果是相對孔徑的倒數光圈數F的數值最小為1. 5。為了校正像差，非球面都採用易加工的常規光學玻璃材料，可以使用金剛石車床直接加工。系統成像質量好，而且可以很好的抑制雜光，並能獲得比較高的MTF。 2、採用分光鏡 為了使大視場的目標(及遠方物體)能分別成像在紅外探測器像面和紫外探測器像面上，本發明採用分光鏡將光線分為紅外和紫外兩個部分。無窮遠目標經過第一塊非球面反射鏡(7)後照射到第二塊非球面反射鏡(8)，再照射到第三塊非球面反射鏡(9)，然後通過分光鏡(10)分光，光線將分為紅外和紫外兩部分，其中紅外光線再經過第五塊非球面透鏡(ll)，然後由第六塊球面透鏡(12)照射到紅外探測器像面(13);而紫外光線則直接投射到紫外探測器元件(14)上，分別得到兩種波長的最後的像。 這樣系統可應用於在航空和地面的紅外和紫外雙譜段、大視場的偵察、觀測等領
域，此外，還可應用在光學檢測設備上。 3、採用離軸結構形式 本發明採用了離軸結構形式，離軸結構即中心視場主光線與鏡面的對稱軸有一個夾角，本發明的單負非球面光學反射鏡(7)，第一單正非球面光學反射鏡(8)及第二單正非球面光學反射鏡(9)的對稱軸與中心視場主光線都有一定的夾角，構成了離軸結構。目標光線以和光軸夾角40。入射到單負非球面光學反射鏡(7)，第一單正非球面光學反射鏡(8)和第二單正非球面光學反射鏡(9)的幾何軸和單負非球面光學反射鏡7的幾何軸同軸且平行於光軸，分光鏡(10)和光軸夾角45度，非球面透鏡(11)、單正透鏡(12)和紅外探測器像面(13)垂直於光軸，紫外探測器像面(14)和光軸平行。 這種離軸結構形式避免了能量遮攔損失，有利於系統能量的探測。且使系統的體積小，重量輕。 通過以上設計方法，本發明的一種超大視場、大孔徑雙色光學系統的視場最大可達130° ，且系統的相對孔徑大，相對孔徑的倒數光圈數F的數值最小為1. 5，且系統的成像質量好，可以很好的抑制雜光，結構簡單。 本發明的工作原理在本發明的一種超大視場、大孔徑雙色光學系統中，無窮遠的目標經過第一塊非球面反射鏡(7)後照射到第二塊非球面反射鏡(8)，經過第二塊非球面反射鏡8後照射到第三塊非球面反射鏡(9)，然後由第三塊非球面反射鏡(9)照射到第四塊分光鏡(IO)，光線將分成紅外和紫外兩部分，其中紅外光線再經第五塊非球面透鏡(11)，然後由第六塊球面透鏡(12)照射到紅外探測器像面(13)，紫外光線直接投射到紫外探測器元件(14)上，分別得到兩種波長的最後的像。
有益效果 本發明對比已有技術具有以下顯著優點本系統的視場最大可達130° ，且系統的相對孔徑大，相對孔徑的倒數光圈數F的數值最小為1. 5，且系統採用離軸結構形式，避免了能量遮攔損失，有利於系統能量探測。為了校正像差，非球面都採用易加工的光學玻璃材料。系統成像質量好，結構簡單，而且可以很好的抑制雜光，特別適合作為紅外和紫外雙譜段、大視場的光學系統，應用在航空和地面偵察、觀測等領域，還可應用在光學檢測設備上。


圖1是已有技術的結構示意 圖2是本發明實施例的結構示意 圖3是本發明實施例採用的坐標系示意圖； 圖中，l-第一單負球面透鏡、2-第二單負球面透鏡、3-第三單正球面透鏡、4-單正球面透鏡、5-光闌、6-探測器像面、7-單負非球面光學反射鏡、8-第一單正非球面光學反射鏡、9_第二單正非球面光學反射鏡、10-分光鏡、11-非球面透鏡、12-單正透鏡、13-紅外探測器像面、14_紫外探測器像面。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。 實施例如圖2所示，本發明將主要應用於含紫外和紅外焦平面光電陣列探測器作為成像接收器的混光光學系統，無論是在航天、航空和地面的偵察，目標跟蹤探測中，都能獲得常規鏡頭無法比擬的寬譜段高清晰度照片和更多目標譜段信息，可廣泛應用於國防、軍工領域、民用電纜測試等，因此備受多部門的關注。本發明在研發過程中得到了空軍預研和航空基金的支持。 如圖2所示，本發明是一種超大視場、大孔徑雙色光學系統，包括單負非球面光學反射鏡7，第一單正非球面光學反射鏡8，第二單正非球面光學反射鏡9，分光鏡10，非球面透鏡ll，單正透鏡12，紅外探測器像面13和紫外探測器像面14。 本發明的一種超大視場、大孔徑雙色光學系統按x、 y、 z右手空間坐標系有序排列，z軸方向定為光軸方向，y軸在圖示3平面內，x軸垂直於yz平面，yz坐標平面為光學系統的子午面。各塊透鏡的光軸和系統的光軸重合，在光的傳播方向上，依次排列單負非球面光學反射鏡7，第一單正非球面光學反射鏡8，第二單正非球面光學反射鏡9，分光鏡10，非球面透鏡ll，單正透鏡12和紅外探測器像面13，紫外探測器像面14。第一面沿z軸方向到第14面探測器像面的間距是系統焦距的3倍。 實施例中的單負非球面光學反射鏡7是一個光焦度為負的非球面反射鏡，第一單 正非球面光學反射鏡8是一個光焦度為正的光學反射鏡，第二單正非球面光學反射鏡9是 一個光焦度為正的光學反射鏡，非球面透鏡11是一個光焦度為負的非球面透鏡，單正透鏡 12是一個光焦度為正的球面透鏡。 本發明的一種超大視場、大孔徑雙色光學系統採用了含光學非球面的反遠結構， 系統的第一塊非球面光學反射鏡7的光焦度為負，第二塊非球面光學反射鏡8的光焦度為 正，無窮遠的目標經過第一塊非球面反射鏡7後照射到第二塊非球面反射鏡8，經過第二塊 球面反射鏡8後照射到第三塊非球面反射鏡9，然後由第三塊非球面反射鏡9照射到第四塊 分光鏡IO，光線將分成紅外和紫外兩部分，其中紅外光線再經第五塊非球面透鏡11，然後 由第六塊球面透鏡12照射到紅外探測器像面13，紫外光線直接投射到紫外探測器元件14 上，分別得到兩種波長的最後的像。
權利要求
超大視場、大孔徑雙色光學系統，其特徵在於包括單負非球面光學反射鏡(7)、第一單正非球面光學反射鏡(8)、第二單正非球面光學反射鏡(9)、分光鏡(10)、非球面透鏡(11)、單正透鏡(12)、紅外探測器像面(13)、紫外探測器像面(14)；按x、y、z右手空間坐標系有序排列，z軸方向定為光軸方向，y軸垂直於z軸，x軸垂直於yz平面，yz坐標平面為光學系統的子午面；各塊透鏡的光軸和系統的光軸重合，在光的傳播方向上，依次排列單負非球面光學反射鏡(7)，第一單正非球面光學反射鏡(8)，第二單正非球面光學反射鏡(9)，分光鏡(10)，單負透鏡(11)，單正透鏡(12)和紅外探測器像面(13)，紫外探測器像面(14)；無窮遠的目標經過第一塊非球面反射鏡(7)後照射到第二塊非球面反射鏡(8)，經過第二塊非球面反射鏡(8)後照射到第三塊非球面反射鏡(9)，然後由第三塊非球面反射鏡(9)照射到第四塊分光鏡(10)，光線將分成紅外和紫外兩部分，其中紅外光線再經第五塊非球面透鏡(11)，然後由第六塊球面透鏡(12)照射到紅外探測器像面(13)，紫外光線則直接投射到紫外探測器元件(14)上，分別得到兩種波長的最後的像。
2. 根據權利要求1所述的超大視場、大孔徑雙色光學系統，其特徵在於單負非球面光 學反射鏡(7)是一個光焦度為負的非球面反射鏡，第一單正非球面光學反射鏡(8)是一個 光焦度為正的光學反射鏡，第二單正非球面光學反射鏡(9)是一個光焦度為正的光學反射 鏡，非球面透鏡(11)是一個光焦度為負的非球面透鏡，單正透鏡(12)是一個光焦度為正的 球面透鏡。
3. 根據權利要求1所述的超大視場、大孔徑雙色光學系統，其特徵在於為了校正像 差，非球面鏡採用易加工的常規光學玻璃材料。
4. 一種超大視場、大孔徑雙色光學系統，其特徵在於該系統的設計方法如下1) 、採用含非球面的反遠結構為了使大視場的目標能分別成像在紅外探測器像面和紫外探測器像面上，採用由前組 負透鏡和後組正透鏡組合的反遠結構形式，並基於這個幾何特性，該光學系統採用非球面反射鏡，前三塊反射鏡是非球面，第一塊反射鏡(7)是一個光焦度為負的非球面反射鏡，第 二塊反射鏡(8)是一個光焦度為正的非球面光學反射鏡，第三塊反射鏡(9)是一個光焦度 為正的非球面光學反射鏡；這樣使本系統的視場最大可達130° ;為了校正大孔徑系統產 生的其它像差，系統主要通過使用後續校正鏡進行綜合補償，最後的設計結果是相對孔徑 的倒數光圈數F的數值最小為1. 5 ;為了校正像差，非球面都採用易加工的常規光學玻璃材 料，可以使用金剛石車床直接加工；2) 、採用分光鏡為了使無窮遠目標能分別成像在紅外探測器像面和紫外探測器像面上，採用分光鏡將 光線分為紅外和紫外兩個部分；無窮遠目標經過第一塊非球面反射鏡(7)後照射到第二 塊非球面反射鏡(8)，再照射到第三塊非球面反射鏡(9)，然後通過分光鏡(10)分光，光線 將分為紅外和紫外兩部分，其中紅外光線再經過第五塊非球面透鏡(ll)，然後由第六塊球 面透鏡(12)照射到紅外探測器像面(13);而紫外光線則直接投射到紫外探測器元件(14) 上，分別得到兩種波長的最後的像；3) 、採用離軸結構形式離軸結構即中心視場主光線與鏡面的對稱軸有一個夾角，本系統的單負非球面光學反 射鏡(7)，第一單正非球面光學反射鏡(8)及第二單正非球面光學反射鏡9的對稱軸與中心視場主光線都有夾角，構成了離軸結構；目標光線以和光軸夾角40°入射到第一塊單負非 球面光學反射鏡(7)，第一單正非球面光學反射鏡(8)和第二單正非球面光學反射鏡(9)的 幾何軸和單負非球面光學反射鏡(7)的幾何軸同軸且平行於光軸，分光鏡(10)和光軸夾角 45度，非球面透鏡(11)、單正透鏡(12)和紅外探測器像面13垂直於光軸，紫外探測器像面 (14)和光軸平行。
全文摘要
本發明屬於光學儀器技術領域，涉及一種超大視場、大孔徑雙色光學系統。本發明是由單負反射鏡，單正反射鏡，單正反射鏡，孔徑光欄以及含非球面的負透鏡，單正透鏡，保護窗玻璃和分光鏡，探測器像面組成。本發明的視場最大可達130°，且系統的相對孔徑大，系統光圈數F最小為1.5，且系統採用離軸結構形式，避免了能量遮攔損失，有利於系統能量探測。系統前三塊反射鏡是非球面，可以使用金剛石車床直接加工。為了校正像差，非球面都加在容易加工的光學玻璃材料。系統成像質量好，結構簡單，而且可以很好的抑制雜光，通過分光鏡分光後，系統可應用於在航空和地面的紅外和紫外雙譜段、大視場的偵察、觀測等領域，此外，還可應用在光學檢測設備上。
文檔編號G02B13/00GK101694539SQ200910236400
公開日2010年4月14日 申請日期2009年10月21日 優先權日2009年10月21日
發明者劉健, 常軍 申請人:北京理工大學;