CN111751914A - 具有双波段和双视场的共口径红外自由曲面棱镜光学*** - Google Patents

具有双波段和双视场的共口径红外自由曲面棱镜光学*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有双波段和双视场的共口径红外自由曲面棱镜光学***，包括第一自由曲面棱镜、第二自由曲面棱镜、窄带滤光片、长波红外探测器和近红外探测器，第一自由曲面棱镜包括依次连接的高次非球面、第二自由曲面、第一自由曲面和衍射面，第二自由曲面棱镜包括依次连接的入射面、出射球面、第三自由曲面和第四自由曲面，第一自由曲面和入射面重合，入射光线经由第一自由曲面分光，长波红外光线经过两次反射后由衍射面出射至长波红外探测器上，近红外光线经依经过两次反射后由从窄带滤光片出射至近红外探测器上。与现有技术相比，本发明具有结构紧凑、适用范围广和成像质量好等优点。

Description

具有双波段和双视场的共口径红外自由曲面棱镜光学***
技术领域
本发明涉及光学***和器件设计领域，尤其是涉及一种具有双波段和双视场的共口径红外自由曲面棱镜光学***。
背景技术
红外成像***具有隐蔽性好、抗干扰能力强以及具有一定识别目标伪装的能力，广泛应用于红外夜视、红外侦查和红外制导等领域。然而，单一波段的成像***容易受区域地形、环境温度、目标伪装等因素影响最终探测的准确度。如果一个红外探测成像***能够同时在其中两个波段获取目标信息，就可以对复杂背景的干扰信息进行抑制，提高对目标探测的准确度，从而降低在预警、搜索和跟踪***中的虚警率。如果一个红外成像***具有的大小不同两个视场，则可以实现大视场的目标搜寻与小视场的精确跟踪。但是，传统双波段、双视场红外成像采用多片组合的折射、反射或折反式镜头设计，其***体积大，机械结构设计复杂，因而不利于复杂多变的环境应用。自由曲面棱镜具有设计优化变量多、结构灵活和***高度集成的特性，且由于利用界面内表面的全反射特性，因此其光学效率较传统多片式光学镜头要高出很多。目前，基于自由曲面棱镜的光学成像***设计构型已在可见光波段的增强现实目视***中使用。将自由曲面棱镜引入双波段/双视场红外成像***可显著提升传统双波段/双视场探测***的综合性能，这种设计结构可以实现低成本、高性能且构型紧凑，此类***在航天遥感、机载侦察、红外导引***等领域具有十分重要的意义。
国内外在针对自由曲面棱镜光学***的研究，目前主要集中于目视光学和照明光学***。Morishima等人在《The design of off-axial optical system consisting ofaspherical mirrors without rotational symmetry》中最早提出自由曲面棱镜结构用于头戴显示***；Hoshi、Yamazaki等人在《Off-axial HMD optical system consisting ofaspherical surfaces without rotational symmetry》中相继提出用于增强现实的透视头戴显示***；北京理工大学的程德文等人在《Lightweight spatial-multiplexed dualfocal-plane head-mounted display using two freeform prisms》(COL 11(3),031201,2013)中提出了四种双焦面的抬头显示目视***设计，但上述设计构型的最终成像质量仅能用于目视***。S.R.Kiontke等人在《Monolithic freeform element》(Proc.SPIE 9575,95750G,2015)中提到的一款视场角24°，长度仅22mm(最长的维度)的自由曲面棱镜红外镜头，材料为锗，其工作波段为长波红外波段，但该***是单通道的长波红外***，设计构型并没有涉及到双波段、双视场的成像***，且没有实质性地校正***色差，成像质量不理想。
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具有双波段和双视场的共口径红外自由曲面棱镜光学***，结构紧凑，适用范围广，成像质量好。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种具有双波段和双视场的共口径红外自由曲面棱镜光学***，包括第一自由曲面棱镜、第二自由曲面棱镜、窄带滤光片、长波红外探测器和近红外探测器，所述的第一自由曲面棱镜包括依次连接的高次非球面、第二自由曲面、第一自由曲面和衍射面，所述的第二自由曲面棱镜包括依次连接的入射面、出射球面、第三自由曲面和第四自由曲面，所述的第一自由曲面和入射面重合，所述的高次非球面与入射光瞳重合，所述的第一自由曲面上镀有分光膜，入射光线经高次非球面入射后经由第一自由曲面分光，其中长波红外光线经过第一自由曲面和第二自由曲面反射后由衍射面出射至长波红外探测器上，近红外光线经依次透射过第一自由曲面和入射面，并依次经过第三自由曲面和第四自由曲面反射，然后经过出射球面和从窄带滤光片后出射至近红外探测器上。
进一步地，该光学***的F数为0.8～3.0，入射光瞳直径为15mm～50mm，在长波红外波段的F数为0.8～1.5，在近红外波段的F数为1.5～3，在长波红外波段的水平方向和垂直方向的视场角为分别为30°和24°，在近红外波段的水平方向和垂直方向的视场角为分别为15°和12°，实现成像充满长波红外探测器和近红外探测器。
进一步地，所述的第一自由曲面与光轴的夹角范围为18°～25°，所述的第二自由曲面与第一自由曲面的夹角范围为35°～50°，所述的第三自由曲面与光轴的夹角范围为18°～25°，所述的第三自由曲面与第四自由曲面的夹角范围为35°～50°。
进一步地，所述的高次非球面和第二自由曲面、衍射面的相邻边缘均互不干涉，所述的第一自由曲面和衍射面、出射球面的相邻边缘均互不干涉，所述的第三自由曲面和出射球面的相邻边缘互不干涉。
进一步地，所述的出射球面与窄带滤光片的轴向距离为3mm～15mm，所述的窄带滤光片与近红外探测器的轴向距离为3mm～10mm，所述衍射面与长波红外探测器的轴向距离为3mm～7mm。
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，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。
与现有技术相比，本发明具有以如下有益效果：
(1)本发明采用两个自由曲面棱镜实现双波段和双视场的成像，通过角度设计，使入射光线在各反射面上均为内全反射，长波红外光线和近红外光线分别从不同的自由曲面棱镜中出射，结构紧凑轻巧，集成度高，降低了轴外***像差，入射的长波红外光线经两次内反射后从衍射面出射，能量效率高，分辨率高，相对孔径大，而且无需经过不同透射材料，校正了***的色差，同时可根据使用需要设计和优化出不同视场放大率的双光路***，优化变量多，可以实现大视场的目标搜寻与小视场的精确跟踪，适用范围广；
(2)本发明中将入射光瞳与高次非球面重合，光学***结构紧凑。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为中长波红外通道的光路图；
图3为中近红外通道的光路图；
图4为长波红外通道的点列图；
图5为中近红外通道的点列图；
图6为中长波红外通道的MTF曲线图；
图7为中近红外通道的MTF曲线图；
图中标号说明：
1.第一自由曲面棱镜，2.第二自由曲面棱镜，3.窄带滤光片，4.长波红外探测器，5.近红外探测器，101.高次非球面，102.第一自由曲面，103.第二自由曲面，104.衍射面，201.第三自由曲面，202.第四自由曲面，203.出射球面，204.入射面。
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。
一种具有双波段和双视场的共口径红外自由曲面棱镜光学***，如图1、图2和图3，包括第一自由曲面棱镜1、第二自由曲面棱镜2、窄带滤光片3、长波红外探测器4和近红外探测器5，第一自由曲面棱镜1包括依次连接的高次非球面101、第二自由曲面103、第一自由曲面102和衍射面104，第二自由曲面棱镜2包括依次连接的入射面204、出射球面203、第三自由曲面201和第四自由曲面202，第一自由曲面102和入射面204重合，高次非球面101与入射光瞳重合，第一自由曲面102上镀有分光膜，入射光线经高次非球面101入射后经由第一自由曲面102分光，其中长波红外光线经过第一自由曲面102和第二自由曲面103反射后由衍射面104出射至长波红外探测器4上，近红外光线经依次透射过第一自由曲面102和入射面204，并依次经过第三自由曲面201和第四自由曲面202反射，然后经过出射球面203和从窄带滤光片3后出射至近红外探测器5上。
光学***的F数越小，入瞳口径则越大，集光能力越强，有效入瞳越大，相应视场则越小，根据两组红外响应探测器型号和参数计算，折中视场和集光能力选择该尺寸的入射光瞳的大小，该光学***的F数为0.8～3.0，入射光瞳直径为20mm，其中，在长波红外波段的F数为为0.8～1.5，在近红外波段的F数为1.5～3，在长波红外波段的水平方向和垂直方向的视场角为分别为30°和24°，在近红外波段的水平方向和垂直方向的视场角为分别为15°和12°，实现成像充满长波红外探测器4和近红外探测器5。
第一自由曲面102与光轴的夹角范围为18°～25°，第二自由曲面103与第一自由曲面102的夹角范围为35°～50°，第三自由曲面201与光轴的夹角范围为18°～25°，第三自由曲面201与第四自由曲面202的夹角范围为35°～50°。
高次非球面101和第二自由曲面103、衍射面104的相邻边缘均互不干涉，第一自由曲面102和衍射面104、出射球面203的相邻边缘均互不干涉，第三自由曲面201和出射球面203的相邻边缘互不干涉。
出射球面203与窄带滤光片3的轴向距离为13.5mm，窄带滤光片3与近红外探测器5的轴向距离为10mm，所述衍射面104与长波红外探测器4的轴向距离为4mm。
长波红外探测器4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5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。
长波红外通道以及近红外通道的光学***参数分别如表1和表2所示：
表1长波红外通道的光学***参数表
Figure BDA0002556594660000051
Figure BDA0002556594660000061
表2近红外通道的光学***参数表
Figure BDA0002556594660000062
Figure BDA0002556594660000071
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***后不会聚在一点，而成为有色的弥散斑，本光学***采用内反射，在入射光线经过相同的材料时通过衍射面104校正色差，衍射面104的色散特性与材料的无关性和负向性能够有效消除光学***的色差。
图4和图5分别对应为光学***在长波红外通道和近红外通道的点列图，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，从长波红外通道的点列图可以看出设计结果接近艾里斑衍射极限，故光学***的色差得到校正；
图6和图7分别对应为光学***在长波红外通道和近红外通道的MTF曲线图，MTF曲线图即全视场传递函数图，从长波红外通道的MTF曲线图可以看出光学***的设计接近衍射极限，设计传函值在29lp/mm高于0.3，可满足长波红外探测器使用需求；从近红外通道的MTF曲线图可以看出计传函值在50lp/mm高于0.3，可满足近红外探测器使用需求。
本实施例提供的一种具有双波段和双视场的共口径红外自由曲面棱镜光学***，适用于大相对孔径和高分辨率，光学***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，其适用性优于同类设计构型并可保证较低的制造成本。
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)

1.一种具有双波段和双视场的共口径红外自由曲面棱镜光学***，其特征在于，包括第一自由曲面棱镜(1)、第二自由曲面棱镜(2)、窄带滤光片(3)、长波红外探测器(4)和近红外探测器(5)，所述的第一自由曲面棱镜(1)包括依次连接的高次非球面(101)、第二自由曲面(103)、第一自由曲面(102)和衍射面(104)，所述的第二自由曲面棱镜(2)包括依次连接的入射面(204)、出射球面(203)、第三自由曲面(201)和第四自由曲面(202)，所述的第一自由曲面(102)和入射面(204)重合，入射光线经高次非球面(101)入射后经由第一自由曲面(102)分光，其中长波红外光线经过第一自由曲面(102)和第二自由曲面(103)反射后由衍射面(104)出射至长波红外探测器(4)上，近红外光线经依次透射过第一自由曲面(102)和入射面(204)，并依次经过第三自由曲面(201)和第四自由曲面(202)反射，然后经过出射球面(203)和从窄带滤光片(3)后出射至近红外探测器(5)上。
2.根据权利要求1所述的一种具有双波段和双视场的共口径红外自由曲面棱镜光学***，其特征在于，该光学***的F数为0.8～3.0，入射光瞳直径为15mm～50mm。
3.根据权利要求1所述的一种具有双波段和双视场的共口径红外自由曲面棱镜光学***，其特征在于，所述的第一自由曲面(102)与光轴的夹角范围为18°～25°，所述的第二自由曲面(103)与第一自由曲面(102)的夹角范围为35°～50°，所述的第三自由曲面(201)与光轴的夹角范围为18°～25°，所述的第三自由曲面(201)与第四自由曲面(202)的夹角范围为35°～50°。
4.根据权利要求1所述的一种具有双波段和双视场的共口径红外自由曲面棱镜光学***，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所述的一种具有双波段和双视场的共口径红外自由曲面棱镜光学***，其特征在于，所述的高次非球面(101)和第二自由曲面(103)、衍射面(104)的相邻边缘均互不干涉，所述的第一自由曲面(102)和衍射面(104)、出射球面(203)的相邻边缘均互不干涉，所述的第三自由曲面(201)和出射球面(203)的相邻边缘互不干涉。
6.根据权利要求1所述的一种具有双波段和双视场的共口径红外自由曲面棱镜光学***，其特征在于，所述的第一自由曲面(102)上镀有分光膜。
7.根据权利要求1所述的一种具有双波段和双视场的共口径红外自由曲面棱镜光学***，其特征在于，所述的出射球面(203)与窄带滤光片(3)的轴向距离为3mm～15mm，所述的窄带滤光片(3)与近红外探测器(5)的轴向距离为3mm～10mm，所述衍射面(104)与长波红外探测器(4)的轴向距离为3mm～7mm。
8.根据权利要求1所述的一种具有双波段和双视场的共口径红外自由曲面棱镜光学***，其特征在于，在长波红外波段的水平方向和垂直方向的视场角为分别为30°和24°，在近红外波段的水平方向和垂直方向的视场角为分别为15°和12°。
9.根据权利要求1所述的一种具有双波段和双视场的共口径红外自由曲面棱镜光学***，其特征在于，所述的长波红外探测器(4)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所述的一种具有双波段和双视场的共口径红外自由曲面棱镜光学***，其特征在于，所述的近红外探测器(5)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。
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