[發(fā)明專利]一種基于自由曲面棱鏡的緊湊型紅外取景器光學(xué)系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010593410.7
• 申請日: 2020-06-27
• 公開（公告）號: CN111751915B
• 公開（公告）日: 2021-05-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王占山;余俊;沈正祥;王旭
• 申請（專利權(quán)）人: 同濟大學(xué)
• 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(chǎn)權(quán)代理有限公司 31225
• 代理人: 翁惠瑜

本發(fā)明涉及一種基于自由曲面棱鏡的緊湊型紅外取景器光學(xué)系統(tǒng)，包括自由曲面棱鏡、三角棱鏡、窄帶濾光片、近紅外探測器和長波紅外探測器，自由曲面棱鏡包括依次連接的高次非球面、第二次反射自由曲面、第一次反射自由曲面和分光平面，入射光線經(jīng)高次非球面入射后依次經(jīng)過反射自由曲面和第二次反射自由曲面反射，達到分光平面時分成近紅外光線和長波紅外光線，近紅外光線透射后依次經(jīng)過三角棱鏡和窄帶濾光片后達到近紅外探測器上，長波紅外光線反射后由衍射面出射并到達長波紅外探測器上。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有成像質(zhì)量好、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種光學(xué)系統(tǒng)和器件設(shè)計領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于自由曲面棱鏡的緊湊型紅外取景器光學(xué)系統(tǒng)。

背景技術(shù)

雙波段成像系統(tǒng)可針對同一目標在兩個波段同時獲得探測數(shù)據(jù)，有效抑制復(fù)雜背景的干擾信息，提升目標觀測的精準性。一般雙波段成像系統(tǒng)主要以三種方式構(gòu)成：第一種是用兩套獨立的單波段的成像系統(tǒng)；第二種是兩個響應(yīng)不同波段的探測器共用一個光學(xué)系統(tǒng)；第三種是用一個響應(yīng)兩個波段的雙色紅外探測器共用一個光學(xué)系統(tǒng)。前一種方法需要設(shè)計兩套獨立的成像系統(tǒng)，后兩種方法需要設(shè)計寬帶消色差的系統(tǒng)，一般使用純反射式結(jié)構(gòu)。然而，傳統(tǒng)的純折射、純反射或折反式雙波段的光學(xué)系統(tǒng)通常用兩個通道或者包含分光鏡分光設(shè)計，需要多片式鏡片組合成像校正像差，鏡片的裝配工藝和檢測手段繁瑣，最終系統(tǒng)具有較大的體積且機械結(jié)構(gòu)也相當復(fù)雜。基于自由曲面棱鏡的光學(xué)成像系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)低成本、高性能且構(gòu)型緊湊，這種設(shè)計構(gòu)型已在可見光波段的增強現(xiàn)實目視系統(tǒng)中使用。

S.R.Kiontke在《Monolithic freeform element》(Proc.SPIE 9575,95750G,2015)中研制出一款視場角24°，長度為22mm的自由曲面棱鏡鏡頭，材料為鍺，其工作波段為長波紅外波段，但該鏡頭采用的光學(xué)系統(tǒng)是單通道的長波紅外系統(tǒng)，且沒有實質(zhì)地校正系統(tǒng)色差，成像質(zhì)量并不理想；北京理工大學(xué)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)中提到了四種雙焦面的抬頭顯示目視系統(tǒng)設(shè)計，但這些設(shè)計構(gòu)型并沒有涉及到雙波段的接收成像，且最終的成像質(zhì)量僅能用于目視系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種基于自由曲面棱鏡的緊湊型紅外取景器光學(xué)系統(tǒng)，成像質(zhì)量好，結(jié)構(gòu)緊湊。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

一種基于自由曲面棱鏡的緊湊型紅外取景器光學(xué)系統(tǒng)，包括自由曲面棱鏡、三角棱鏡、窄帶濾光片、近紅外探測器和長波紅外探測器，所述的自由曲面棱鏡包括依次連接的高次非球面、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，所述的三角棱鏡包括入射平面和出射球面，所述的入射平面與分光平面緊貼，入射光線經(jīng)高次非球面入射后依次經(jīng)過第一次反射自由曲面和第二次反射自由曲面反射，達到分光平面時分成近紅外光線和長波紅外光線，所述的近紅外光線依次透射過分光平面、入射平面、出射球面和窄帶濾光片后達到近紅外探測器上，所述的長波紅外光線在分光平面上反射后由衍射面出射并到達長波紅外探測器上。

進一步地，該光學(xué)系統(tǒng)的F數(shù)為1.2～2.0，入射光瞳直徑為15mm～50mm，所述的第一次反射自由曲面與第一次反射自由曲面與入射光線的光軸的夾角范圍為18°～25°，所述的第二次反射自由曲面與第一次反射自由曲面的夾角范圍為35°～50°，所述的分光平面與入射光線的光軸的夾角范圍為35°～50°。

進一步地，所述的高次非球面與入射光瞳重合，所述的高次非球面與第二次反射自由曲面、分光平面的相鄰邊緣均互不干涉，所述的第一次反射自由曲面和衍射面的相鄰邊緣互不干涉。

進一步地，所述的分光平面為傾斜平面，并滿足長波紅外的全反射條件，所述的分光平面上鍍有分光膜，滿足中波紅外的透射條件。