[發明專利]具有雙波段和雙視場的共口徑紅外自由曲面棱鏡光學系統

有效

• 申請號: 202010593406.0
• 申請日: 2020-06-27
• 公開（公告）號: CN111751914B
• 公開（公告）日: 2021-09-03
• 發明（設計）人: 王占山;余俊;沈正祥;王旭
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: G02B5/04
• 分類號: G02B5/04;G02B17/08;G02B27/10;G03B13/02
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 翁惠瑜

本發明涉及一種具有雙波段和雙視場的共口徑紅外自由曲面棱鏡光學系統，包括第一自由曲面棱鏡、第二自由曲面棱鏡、窄帶濾光片、長波紅外探測器和近紅外探測器，第一自由曲面棱鏡包括依次連接的高次非球面、第二自由曲面、第一自由曲面和衍射面，第二自由曲面棱鏡包括依次連接的入射面、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，入射光線經由第一自由曲面分光，長波紅外光線經過兩次反射后由衍射面出射至長波紅外探測器上，近紅外光線經依經過兩次反射后由從窄帶濾光片出射至近紅外探測器上。與現有技術相比，本發明具有結構緊湊、適用范圍廣和成像質量好等優點。

技術領域

本發明涉及光學系統和器件設計領域，尤其是涉及一種具有雙波段和雙視場的共口徑紅外自由曲面棱鏡光學系統。

背景技術

紅外成像系統具有隱蔽性好、抗干擾能力強以及具有一定識別目標偽裝的能力，廣泛應用于紅外夜視、紅外偵查和紅外制導等領域。然而，單一波段的成像系統容易受區域地形、環境溫度、目標偽裝等因素影響最終探測的準確度。如果一個紅外探測成像系統能夠同時在其中兩個波段獲取目標信息，就可以對復雜背景的干擾信息進行抑制，提高對目標探測的準確度，從而降低在預警、搜索和跟蹤系統中的虛警率。如果一個紅外成像系統具有的大小不同兩個視場，則可以實現大視場的目標搜尋與小視場的精確跟蹤。但是，傳統雙波段、雙視場紅外成像采用多片組合的折射、反射或折反式鏡頭設計，其系統體積大，機械結構設計復雜，因而不利于復雜多變的環境應用。自由曲面棱鏡具有設計優化變量多、結構靈活和系統高度集成的特性，且由于利用界面內表面的全反射特性，因此其光學效率較傳統多片式光學鏡頭要高出很多。目前，基于自由曲面棱鏡的光學成像系統設計構型已在可見光波段的增強現實目視系統中使用。將自由曲面棱鏡引入雙波段/雙視場紅外成像系統可顯著提升傳統雙波段/雙視場探測系統的綜合性能，這種設計結構可以實現低成本、高性能且構型緊湊，此類系統在航天遙感、機載偵察、紅外導引系統等領域具有十分重要的意義。

國內外在針對自由曲面棱鏡光學系統的研究，目前主要集中于目視光學和照明光學系統。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鏡結構用于頭戴顯示系統；Hoshi、Yamazaki等人在《Off-axial HMD optical system consisting ofaspherical surfaces without rotational symmetry》中相繼提出用于增強現實的透視頭戴顯示系統；北京理工大學的程德文等人在《Lightweight spatial-multiplexed dualfocal-plane head-mounted display using two freeform prisms》(COL 11(3),031201,2013)中提出了四種雙焦面的抬頭顯示目視系統設計，但上述設計構型的最終成像質量僅能用于目視系統。S.R.Kiontke等人在《Monolithic freeform element》(Proc.SPIE 9575,95750G,2015)中提到的一款視場角24°，長度僅22mm(最長的維度)的自由曲面棱鏡紅外鏡頭，材料為鍺，其工作波段為長波紅外波段，但該系統是單通道的長波紅外系統，設計構型并沒有涉及到雙波段、雙視場的成像系統，且沒有實質性地校正系統色差，成像質量不理想。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種具有雙波段和雙視場的共口徑紅外自由曲面棱鏡光學系統，結構緊湊，適用范圍廣，成像質量好。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：