本發(fā)明屬于光學(xué)器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種穩(wěn)定型寬波段光學(xué)鏡頭。

背景技術(shù)：

隨著軍事目標(biāo)偽裝與隱身技術(shù)的不斷進(jìn)步，傳統(tǒng)使用的單一波段的光學(xué)探測(cè)手段受到很大的挑戰(zhàn)，已經(jīng)難以滿足軍事偵查中的復(fù)雜需求。由于同一目標(biāo)在不同的光譜波段具有截然不同的光學(xué)特征，而且每一波段都有特殊的作用，比如，LED光源在近紅外波段有很高的輻射效率，短波紅外具有很好的輝光夜視功能，中波紅外對(duì)高溫物體有較強(qiáng)的探測(cè)效果，長(zhǎng)波紅外對(duì)地表物體的輻射有較好的探測(cè)效果，因此為了在軍事應(yīng)用中更好的在識(shí)別不同目標(biāo)，雙波段甚至多波段成像技術(shù)成為研究的熱點(diǎn)。

在這類應(yīng)用中對(duì)光學(xué)鏡頭提出了越來越高的要求，具體表現(xiàn)如下：

1、覆蓋至少兩個(gè)波段，包括近紅外、短波紅外、中波紅外和長(zhǎng)波紅外；

2、小巧，輕薄。即要求總長(zhǎng)短，鏡片數(shù)目少，后焦適當(dāng)；

3、高亮度。即F#數(shù)??；

而現(xiàn)有的光學(xué)鏡頭設(shè)計(jì)中，通常只能覆蓋兩個(gè)波段，即中波紅外和長(zhǎng)波紅外，而且光學(xué)鏡片數(shù)量和材料種類都比較多，體積和重量成為制約進(jìn)一步應(yīng)用的瓶頸。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供了一種穩(wěn)定型寬波段光學(xué)系統(tǒng)，本發(fā)明僅通過一種光學(xué)材料實(shí)現(xiàn)0.7μm～14μm超寬波段的共口徑成像，且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，裝調(diào)容易，而且穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種穩(wěn)定型寬波段光學(xué)系統(tǒng)，，包括由左至右順次設(shè)置的第一光學(xué)元件L₁和第二光學(xué)元件L₂，其中二者材質(zhì)相同；所述的第一光學(xué)元件L₁前表面外環(huán)區(qū)域s₁為透射面，中心圓區(qū)域s₂為內(nèi)反射面；第一光學(xué)元件L₁的后表面s₃為透射面；所述第二光學(xué)元件L₂前表面外環(huán)區(qū)域s₄為反射面，中心圓區(qū)域s₅為透射面；第二光學(xué)元件L₂的后表面中心圓區(qū)域s₆為透射面。

進(jìn)一步地，光線由左側(cè)入射后，經(jīng)過第一光學(xué)元件L₁的前表面外環(huán)區(qū)域s₁、后表面s₃出射到達(dá)第二光學(xué)元件L₂的前表面外環(huán)區(qū)域s₄，發(fā)生反射，然后入射到第一光學(xué)元件L₁的后表面s₃，經(jīng)過透射到達(dá)前表面內(nèi)反射面s₂，經(jīng)過反射重新經(jīng)過后表面s₃，透射出第一光學(xué)元件L₁，到達(dá)第二光學(xué)元件L₂的前表面中心圓形區(qū)域s₅，最后經(jīng)過第二光學(xué)元件L₂的后表面中心圓形區(qū)域s₆出射至探測(cè)器靶面成像。

進(jìn)一步地，第一光學(xué)元件L₁和第二光學(xué)元件L₂采用的材料均為硒化鋅。

進(jìn)一步地，第一光學(xué)元件L₁為彎月形透鏡，第二光學(xué)元件L₂的前表面為凹面。

進(jìn)一步地，第一光學(xué)元件L₁的光焦度1/f₁為負(fù)，第二光學(xué)元件L₂的光焦度1/f₂為正，f₁、f₂分別為第一光學(xué)元件L₁和第二光學(xué)元件L₂的焦距。

進(jìn)一步地，L₁和L₂的光學(xué)表面s₁、s₂、s₃、s₄、s₅和s₆均為非球面；其中第一光學(xué)元件L₁前表面外環(huán)區(qū)域s₁和中心環(huán)區(qū)域s₂為連續(xù)表面，兩個(gè)表面具有同一個(gè)非球面函數(shù)；光學(xué)元件L₂的前表面外環(huán)區(qū)域s₄和中心環(huán)區(qū)域s₅為連續(xù)表面，兩個(gè)表面具有同一個(gè)非球面函數(shù)。

進(jìn)一步地，整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的焦距f的比率符合以下要求：

-10<f₁/f<-30

10<f₂/f<20

0.9<f/D<2.1

其中f為整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的焦距，D為空氣換算距離后的光學(xué)系統(tǒng)總長(zhǎng)、即從L₁的表面到探測(cè)器靶面之間的距離，f/D為整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的焦比值。

進(jìn)一步地，第一光學(xué)元件L₁和第二光學(xué)元件L₂的表面非球面滿足如下函數(shù)：

其中z為以各非球面與光軸交點(diǎn)為起點(diǎn)且平行光軸方向的軸向值，k為Conic系數(shù)，c為鏡面中心曲率半徑的倒數(shù)，r為鏡面中心高度；a₄、a₆、a₈、a₁₀、a₁₂為非球面系數(shù)。

有益效果：

1、本發(fā)明僅利用兩片光學(xué)元件、一種光學(xué)材料，光線由左側(cè)入射后，經(jīng)過第一光學(xué)元件L₁的前表面外環(huán)區(qū)域s₁、后表面s₃出射到達(dá)第二光學(xué)元件L₂的前表面外環(huán)區(qū)域s₄，發(fā)生反射，然后入射到第一光學(xué)元件L₁的后表面s₃，經(jīng)過透射到達(dá)前表面內(nèi)反射面s₂，經(jīng)過反射重新經(jīng)過后表面s₃，透射出第一光學(xué)元件L₁，到達(dá)第二光學(xué)元件L₂的前表面中心圓形區(qū)域s₅，最后經(jīng)過第二光學(xué)元件L₂的后表面中心圓形區(qū)域s₆出射至探測(cè)器靶面成像；其中“經(jīng)過透射到達(dá)前表面內(nèi)反射面s₂，經(jīng)過反射重新經(jīng)過后表面s₃”的過程能夠產(chǎn)生一個(gè)特殊色差來平衡整個(gè)系統(tǒng)其他表面產(chǎn)生的色差，這與現(xiàn)有技術(shù)通過不同材料的使用來校正色差的方法不同，在現(xiàn)有技術(shù)中由于采用多種不同材料來進(jìn)行色差的校正，會(huì)大大限制鏡頭的接收波段范圍；而采用本發(fā)明中的光學(xué)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)色差的校正，則采用一種材質(zhì)即可實(shí)現(xiàn)寬波段的光學(xué)接收，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，能夠覆蓋波長(zhǎng)0.7～1.6μm、3.7～4.8μm和8～14μm三個(gè)波段，F(xiàn)#1.2(有效F#1.6)，遠(yuǎn)射比達(dá)0.58光學(xué)系統(tǒng)。

2、本發(fā)明中光學(xué)結(jié)構(gòu)經(jīng)過多次折射和反射，縮短了系統(tǒng)的總長(zhǎng)，很好的矯正了各種軸上及軸外像差，因此具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，裝調(diào)容易，而且穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的超寬波段共口徑光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；

圖2是非球面?zhèn)纫晥D；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例中系統(tǒng)在0.7～1.6μm的光學(xué)傳遞函數(shù)MTF；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例中系統(tǒng)在3.7～4.8μm的光學(xué)傳遞函數(shù)MTF；

圖5是本發(fā)明實(shí)施例中系統(tǒng)在8～14μm的光學(xué)傳遞函數(shù)MTF；

圖6是本發(fā)明實(shí)施例中系統(tǒng)在0.7～1.6μm的色差曲線；

圖7是本發(fā)明實(shí)施例中系統(tǒng)在3.7～4.8μm的色差曲線；

圖8是本發(fā)明實(shí)施例中系統(tǒng)在8～14μm的色差曲線。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖并舉實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。

一種穩(wěn)定型寬波段光學(xué)系統(tǒng)，如圖1所示，包括由左至右順次設(shè)置的第一光學(xué)元件L₁和第二光學(xué)元件L₂；所述的第一光學(xué)元件L₁前表面外環(huán)區(qū)域s₁為透射面，中心圓區(qū)域s₂為內(nèi)反射面；第一光學(xué)元件L₁的后表面s₃為透射面；所述第二光學(xué)元件L₂前表面外環(huán)區(qū)域s₄為反射面，中心圓區(qū)域s₅為透射面；第二光學(xué)元件L₂的后表面中心圓區(qū)域s₆為透射面。

本發(fā)明中，光線由左側(cè)入射后，經(jīng)過第一光學(xué)元件L₁的前表面外環(huán)區(qū)域s₁，經(jīng)過s₃出射到達(dá)第二光學(xué)元件L₂的前表面外環(huán)區(qū)域s₄，發(fā)生反射，然后入射到第一光學(xué)元件L₁的后表面s₃，經(jīng)過透射到達(dá)前表面內(nèi)反射面s₂，經(jīng)過反射重新經(jīng)過后表面s₃，透射出第一光學(xué)元件L₁，到達(dá)第二光學(xué)元件L₂的前表面中心圓形區(qū)域s₅，最后經(jīng)過第二光學(xué)元件L₂的后表面中心圓形區(qū)域s₆出射至探測(cè)器靶面成像。其中“經(jīng)過透射到達(dá)前表面內(nèi)反射面s₂，經(jīng)過反射重新經(jīng)過后表面s₃”的過程能夠產(chǎn)生一個(gè)特殊色差來平衡整個(gè)系統(tǒng)其他表面產(chǎn)生的色差，這與現(xiàn)有技術(shù)通過不同材料的使用來校正色差的方法不同，在現(xiàn)有技術(shù)中由于采用多種不同材料來進(jìn)行色差的校正，會(huì)大大限制鏡頭的接收波段范圍；而采用本發(fā)明中的光學(xué)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)色差的校正，則采用一種材質(zhì)即可實(shí)現(xiàn)寬波段的光學(xué)接收。

本發(fā)明中，第一光學(xué)元件L₁和第二光學(xué)元件L₂采用的材料均為硒化鋅。

本發(fā)明中，第一光學(xué)元件L₁為彎月形透鏡，第二光學(xué)元件L₂的前表面為凹面。

本發(fā)明中，第一光學(xué)元件L₁的光焦度1/f₁為負(fù)，第二光學(xué)元件L₂的光焦度1/f₂為正，f₁、f₂分別為第一光學(xué)元件L₁和第二光學(xué)元件L₂的焦距。

本發(fā)明中，L₁和L₂的光學(xué)表面s₁、s₂、s₃、s₄、s₅和s₆均為非球面，非球面?zhèn)纫晥D如圖2所示；其中第一光學(xué)元件L₁前表面外環(huán)區(qū)域s₁和中心環(huán)區(qū)域s₂為連續(xù)表面，兩個(gè)表面具有同一個(gè)非球面函數(shù)；光學(xué)元件L₂的前表面外環(huán)區(qū)域s₄和中心環(huán)區(qū)域s₅為連續(xù)表面，兩個(gè)表面具有同一個(gè)非球面函數(shù)。

本發(fā)明中，整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的焦距f的比率符合以下要求：

-10<f₁/f<-30

10<f₂/f<20

0.9<f/D<2.1

其中f為整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的焦距，D為空氣換算距離后的光學(xué)系統(tǒng)總長(zhǎng)，f/D為整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的焦比值。

本發(fā)明中，第一光學(xué)元件L₁和第二光學(xué)元件L₂的表面非球面滿足如下函數(shù)：

其中z為以各非球面與光軸交點(diǎn)為起點(diǎn)且平行光軸方向的軸向值，k為Conic系數(shù)，c為鏡面中心曲率半徑的倒數(shù)，r為鏡面中心高度；a₄、a₆、a₈、a₁₀、a₁₂為非球面系數(shù)。

實(shí)施例、

如圖1所示，本發(fā)明的超寬波段光學(xué)系統(tǒng)包括第一光學(xué)元件L₁和第二光學(xué)元件L₂。利用硒化鋅材料在0.55～18μm超寬的適用波段，通過曼金反射鏡結(jié)構(gòu)特殊的色差特性，有效地消除了系統(tǒng)的色差，實(shí)現(xiàn)了0.7～1.6μm,3.7～4.8μm,8～14μm多波段共口徑成像光學(xué)系統(tǒng)。第一光學(xué)元件L₁前表面外環(huán)區(qū)域s₁為透射面，中心圓區(qū)域s₂為內(nèi)反射面；第一光學(xué)元件L₁的后表面s₃為透射面；第二光學(xué)元件L₂前表面外環(huán)區(qū)域s₄為反射面，中心圓區(qū)域s₅為透射面；第二光學(xué)元件L₂的后表面中心圓區(qū)域s₆為透射面；

下面對(duì)本光學(xué)系統(tǒng)的光路進(jìn)行簡(jiǎn)要描述：

光線經(jīng)過第一光學(xué)元件L₁的前表面外環(huán)區(qū)域s₁，經(jīng)過s₃出射到達(dá)第二光學(xué)元件L₂的前表面外環(huán)區(qū)域s₄，發(fā)生反射，重新入射到第一光學(xué)元件L₁的后表面s₃，經(jīng)過透射到達(dá)前表面內(nèi)反射面s₂，經(jīng)過反射重新經(jīng)過后表面s₃，透射出第一光學(xué)元件L₁，到達(dá)第二光學(xué)元件L₂的前表面中心圓形區(qū)域s₅，最后經(jīng)過第二光學(xué)元件L₂的后表面中心圓形區(qū)域s₆出射至探測(cè)器靶面成像。經(jīng)過多次折射和反射，縮短了系統(tǒng)的總長(zhǎng)，很好的矯正了各種軸上及軸外像差。

上述非球面面形滿足如下函數(shù)：

其中z為以各非球面與光軸交點(diǎn)為起點(diǎn)且平行光軸方向的軸向值，k為Conic系數(shù)，c為鏡面中心曲率半徑的倒數(shù)，r為鏡面中心高度；a₂、a₄、a₆、a₈、a₁₀為非球面系數(shù)

以下僅是作為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)例，選用的系統(tǒng)焦距為80mm，焦比值(F/D)為1.72，全系統(tǒng)總長(zhǎng)46.5mm，半瞬時(shí)視場(chǎng)5°，設(shè)計(jì)結(jié)果顯示對(duì)0.7～1.6μm波段光學(xué)傳遞函數(shù)在50lp/mm處大于0.4，對(duì)3.7～4.8μm波段光學(xué)傳遞函數(shù)在17lp/mm處大于0.7，對(duì)8～14μm波段光學(xué)傳遞函數(shù)接近衍射極限，同時(shí)各個(gè)波段的色差曲線中看出光學(xué)系統(tǒng)很好地消除了色差，成像質(zhì)量?jī)?yōu)良。對(duì)照?qǐng)D1選取一系列較優(yōu)數(shù)據(jù)如下表1、表2所示。

表1

其中，表1中第四列的數(shù)據(jù)由上至下為：S₁幾何中心至S₃幾何中心之間的距離；S₃幾何中心至S₄幾何中心之間的距離；S₄幾何中心至S₃幾何中心之間的距離；S₃幾何中心至S₂幾何中心之間的距離；S₂幾何中心至S₅幾何中心之間的距離；S₅幾何中心至S₆幾何中心之間的距離。

表2

上述較佳實(shí)施例中光學(xué)元件L₁和L₂采用的材料均為ZnSe，都是非球面。

在本實(shí)施例的基礎(chǔ)上，圖3展示了本系統(tǒng)在0.7～1.6μm的光學(xué)傳遞函數(shù)MTF；圖4展示了本系統(tǒng)在3.7～4.8μm的光學(xué)傳遞函數(shù)MTF；圖5展示了本系統(tǒng)在8～14μm的光學(xué)傳遞函數(shù)MTF；圖6展示了本系統(tǒng)在0.7～1.6μm的色差曲線；圖7展示了本系統(tǒng)在3.7～4.8μm的色差曲線；圖8展示了本系統(tǒng)在8～14μm的色差曲線。

由上圖中可以看出，本實(shí)施例實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)覆蓋0.7～1.6μm、3.7～4.8μm和8～14μm三個(gè)波段，F(xiàn)#1.2(有效F#1.6)，遠(yuǎn)射比達(dá)0.58的緊湊型光學(xué)系統(tǒng)。

綜上，以上僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。