紧凑型多光谱三视场电视光学系统

技术领域

本发明属于光电系统技术领域，涉及一种三视场光学通道的光学系统，尤其涉及一种兼顾了可见光和近红外多光谱范围的三视场紧凑型光学系统，该光学系统可用于车载、机载和舰载等光电系统的电视摄像机。

背景技术

电视摄像机是光电系统的重要组成部分，能提供外界景物的图像，供操作手昼间探测、识别和跟踪目标。其光学系统直接影响了光电系统的作战效能，需要对不同的目标具有非常远的作用距离和高分辨率成像性能，且满足系统高集成性、小体积的要求。目前，电视光学系统在导航、观察、跟踪等领域有着越来越广泛的应用，而单视场电视光学系统由于功能单一无法满足现代电视光学系统的发展需求，三视场电视光学系统有大、中、小不同的三个视场，在现代电视光学系统中得到了广泛的应用，大视场可以用于大范围搜索目标和较大目标的识别；中视场可以对目标进一步观察和识别以及对中型目标的跟踪；小视场可以对目标进行精确的跟踪与瞄准以及对低慢小目标的探测。

电视光学系统的工作波段主要分布在可见光(0.45μm～0.7μm)和近红外(0.65μm～0.9μm)波段。单波段电视光学系统的成像技术非常成熟，但各有优缺点。近红外波段大气透过率高，有一定的透雾能力，有利于提高探测距离，但成像器件响应效率低，成像特征与人眼观察有差异，只适用于黑白成像器件；可见光波段大气透过率低，但成像器件响应效率高，成像特征与人眼相近，对黑白和彩色成像器件都适用。因此，利用不同波长范围的光谱,可以提高电视摄像机在不同环境下对目标的探测与识别能力。

目前，三视场电视光学系统的实现方式，主要为打入打出方式、轴向移动方式和多视场耦合方式。打入打出方式是通过一组或多组光学镜组在光路中的切入或移出组合来改变系统焦距，从而实现三视场的转换。该方式的优点是小视场的光轴平行性和光学透过率最优，缺点是转换视场的机械结构复杂、所需时间长，且因为系统中有运动部件，光轴稳定性较差，同时透镜组转换时需要的空间较大。轴向移动方式是通过一组或多组光学镜组沿光轴方向前后移动来改变系统焦距，从而实现三视场的转换。该方式的优点是系统的体积小、重量轻，缺点是系统中有运动部件，光轴有较大范围的跳动且视场转换时间长。多视场耦合方式是多个视场光学系统利用光学耦合元件，通过电机驱动遮光挡片等来实现三视场的转换。该方式的优点是各视场像质优良、性能稳定、光轴平行性易保证、视场转换时间短。

美国专利7099077公开了一种三视场光学系统，该光学系统为折反式离轴结构，光学元件全部采用反射镜，依靠三个平面反射镜的打进打出来实现三视场的转换。但该折反式离轴光学系统存在以下不足：(1)采用的反射镜均为高次非球面反射镜，不易加工，检测手段有限，且成本高；(2)打入打出的结构形式，导致产品体积大，且重复误差对折反式结构成像光束的影响是双倍的，从而光轴平行性难以保证；(3)在高低温状态下，反射镜的变形量较大，且无调焦机构，从而导致系统成像质量的明显下降；(4)离轴结构在装调过程中光轴难找，装调难度大，三视场光轴的一致性差，精度难以保证。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是：提供一种能够使车载高炮光电系统电视摄像机在昼间实现观察、瞄准和跟踪功能的兼顾可见光和近红外光谱范围的三视场紧凑型光学系统。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种紧凑型多光谱三视场电视光学系统，其包括三个能够互换的光学通道和一个滤光片组，三个光学通道分别为小视场光学通道、中视场光学通道、大视场光学通道；

小视场光学通道包括沿光路方向依次布置的小视场物镜组、第一调焦物镜5、反射棱镜6、分光立方棱镜19，来自外界景物的光线进入小视场光学通道后，经小视场物镜组和第一调焦物镜5的会聚后，依次由反射棱镜6和分光立方棱镜19的二次90°折转后，再经滤光片组透射，聚焦在CMOS靶面22上；

中视场光学通道包括沿光路方向依次布置的一对第一光楔13、中视场物镜组、第二调焦物镜组、分光立方棱镜19，来自外界景物的光线进入中视场光学通道后，经中视场物镜组和第二调焦物镜组的会聚后，依次经过分光立方棱镜19和滤光片组的透射，聚焦在CMOS靶面22上；

大视场光学通道包括一对第二光楔7、大视场物镜组、平面反射镜12、分光立方棱镜19，来自外界景物的光线进入大视场光学通道后，经大视场物镜组会聚后，依次由平面反射镜12和分光立方棱镜19的二次90°折转后，再经滤光片组透射，聚焦在CMOS靶面22上。

(三)有益效果

上述技术方案所提供的紧凑型多光谱三视场电视光学系统，有益效果体现在以下几个方面：

(1)所述的各物镜组的光学元件均为球面透镜，且全部透镜材料均选用中国环保玻璃，易加工，易检验，成本低廉。

(2)小视场光学通道、中视场光学通道和大视场光学通道通过耦合光学元件共用一个成像器件；三通道之间依靠改变平面反射镜和遮光板的位置来实现切换，本发明结构相对简单，体积小，操作简单。

(3)小视场光学通道和中视场光学通道均有调焦机构，实现温度变化时像面位移的补偿。

(4)小视场光学通道、中视场光学通道和大视场光学通道均为轴对称透射式结构，装调难度小，三视场光轴一致性易保证。

附图说明

图1是本发明紧凑型多光谱三视场电视光学系统的最佳实施例示意图。

图2是本发明紧凑型多光谱三视场电视光学系统小视场通道示意图。

图3是本发明紧凑型多光谱三视场电视光学系统中视场通道示意图。

图4是本发明紧凑型多光谱三视场电视光学系统大视场通道示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

如图1至图4所示，本发明紧凑型多光谱三视场电视光学系统包括三个可以互换的光学通道和一个滤光片组，三个光学通道分别为小视场光学通道、中视场光学通道、大视场光学通道。

小视场光学通道包括沿光路方向依次布置的小视场物镜组、第一调焦物镜5、反射棱镜6、分光立方棱镜19，来自外界景物的光线进入小视场光学通道后，经小视场物镜组和第一调焦物镜5的会聚后，依次由反射棱镜6和分光立方棱镜19的二次90°折转后，再经滤光片组透射，聚焦在CMOS靶面22上。

中视场光学通道包括沿光路方向依次布置的一对第一光楔13、中视场物镜组、第二调焦物镜组、分光立方棱镜19，来自外界景物的光线进入中视场光学通道后，经中视场物镜组和第二调焦物镜组的会聚后，依次经过分光立方棱镜19和滤光片组的透射，聚焦在CMOS靶面22上。

大视场光学通道包括一对第二光楔7、大视场物镜组、平面反射镜12、分光立方棱镜19，来自外界景物的光线进入大视场光学通道后，经大视场物镜组会聚后，依次由平面反射镜12和分光立方棱镜19的二次90°折转后，再经滤光片组透射，聚焦在CMOS靶面22上。

在本发明中，小视场光学通道、中视场光学通道与大视场光学通道的光轴相互平行，而且其相互间的切换是通过两个电机分别驱动平面反射镜12和遮光板23来实现的。当平面反射镜12垂直于大视场物镜组光轴放置且遮光板23位于所述第二调焦物镜组与所述分光立方棱镜19之间，本发明处于小视场光学通道工作状态；当平面反射镜12垂直于大视场物镜组光轴放置且遮光板23位于所述分光立方棱镜19和所述反射棱镜6之间，本发明处于中视场光学通道工作状态；当平面反射镜12成与大视场物镜组光轴成45°夹角放置且遮光板23位于所述第二调焦物镜组与所述分光立方棱镜19之间，本发明处于大视场光学通道工作状态。

此外，为保证小视场光学通道、中视场光学通道与大视场光学通道具有良好的平行性，本实施例在大视场光学通道和中视场光学通道中分别设置了一对第二光楔7、第一光楔13，以便在装调过程中对三个光学通道的平行性进行调整。

在本优选实施例中，小视场物镜组包括沿光路方向依次布置的第一透镜组、第三透镜2、第二透镜组和第三透镜组，光焦度依次为正、负、正、负；第一调焦物镜5光焦度为负。第一透镜组由第一透镜1-1和第二透镜1-2胶合组成，光焦度依次为负、正；第二透镜组由第四透镜3-1和第五透镜3-2胶合组成，光焦度依次为正、负；第三透镜组由第六透镜4-1和第七透镜4-2胶合组成，光焦度依次为正、负。

中视场物镜组包括沿光路方向依次布置的第四透镜组、第五透镜组和第六透镜组，光焦度依次为负、正、正；第二调焦物镜组由第七透镜组和第十七透镜18组成，光焦度依次为负、正。第四透镜组由第九透镜14-1和第十透镜14-2胶合组成，光焦度依次为正、负；第五透镜组由第十一透镜15-1和第十二透镜15-2胶合组成，光焦度依次为正、负；第六透镜组由第十三透镜16-1和第十四透镜16-2胶合组成，光焦度依次为负、正；第七透镜组由第十五透镜17-1和第十六透镜17-2胶合组成，光焦度依次为正、负。

大视场物镜组由前组和后组组成。前组由第八透镜组、第十八透镜9组成；后组由第九透镜组和第十透镜组组成，光焦度依次为负、正。第八透镜组由第十八透镜8-1和第十九透镜8-2胶合组成，光焦度依次为正、负；第九透镜组由第二十一透镜10-1和第二十二透镜10-2胶合组成，光焦度依次为正、负；第十透镜组由第二十三透镜11-1和第二十四透镜11-2胶合组成，光焦度依次为负、正。

滤光片组由可见光滤光片20和近红外滤光片21组成，以实现可见光波段(0.45μm～0.7μm)和近红外波段(0.75μm～0.9μm)的切换。所述可见光滤光片20镀制了透射0.45μm～0.7μm反射0.75μm～1.15μm的多层膜系，其反射率ρ>98％，透射率τ>92％；所述近红外滤光片21镀制了透射0.75μm～0.9μm反射0.95μm～1.15μm的多层膜系，其反射率ρ>98％，透射率τ>94％。

所述反射棱镜6位于第一调焦物镜5和分光立方棱镜19之间，用于小视场光路的折转，且缩短光路的轴向尺寸。

所述平面反射镜12位于反射棱镜6和分光立方棱镜19之间，且与光轴成45°放置，用于大视场光路的折转，并缩短光路的轴向尺寸。

所述分光立方棱镜19位于滤光组之前，用于三视场光学通道的耦合，以实现三视场共用一个CMOS成像；其分光面上镀制的能量分光膜层为透射0.45μm～0.9μm的减反射膜系，其反射率ρ>45％，透射率τ>45％，以实现小、中、大视场的光通量均衡。

反射棱镜6为45°直角棱镜。反射棱镜6、平面反射镜12、分光立方棱镜19均采用H-K9L环保玻璃制作。可见光滤光片20选用JB450有色玻璃制作，并镀制透射0.45μm～0.6μm的减反射膜系，近红外滤光片21选用HB670有色玻璃制作，并镀制高反射0.85μm～1.15μm(ρ>99％)、高透射0.65μm～0.8μm(τ>96％)的多层膜系。各视场光学通道的主要参数见表1。

表1各视场光学通道物镜组的主要参数

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本实施例中，大视场光学通道采用反摄远的光学结构，其后截距(110mm)远大于焦距(60mm)，以实现与小、中视场光路的耦合。来自外界景物的光线经过具有负光焦度的前组发散，再通过具有正光焦度的后组汇聚后，在成像器件的靶面上成像。

所述平面反射镜和遮光板组合匹配切换，以实现小、中、大视场的转换。当平面反射镜垂直于大视场物镜组光轴放置且遮光板位于所述第二调焦物镜组与所述分光立方棱镜之间，本发明处于小视场光学通道工作状态；当平面反射镜垂直于大视场物镜组光轴放置且遮光板位于所述分光立方棱镜和所述反射棱镜之间，本发明处于中视场光学通道工作状态；当平面反射镜成与大视场物镜组光轴成45°夹角放置且遮光板位于所述第二调焦物镜组与所述分光立方棱镜之间，本发明处于大视场光学通道工作状态；大视场光学通道、中视场光学通道和小视场光学通道的光轴相互平行。

所述的大视场光学通道和中视场光学通道前端各安放了一对光楔，易于三视场光轴平行性的装调。

所述第一调焦物镜依靠直流电机的驱动，沿光轴方向直线移动。在高低温状态和目标距离发生变化时，可通过前后移动第一调焦物镜，实现小视场通道温度离焦和像面偏离的补偿。

所述第二调焦物镜组依靠直流电机的驱动，沿光轴方向直线移动。在高低温状态和目标距离发生变化时，可通过前后移动第二调焦物镜组，实现中视场通道温度离焦和像面偏离的补偿。

本发明三个光学通道共用一个CMOS成像器件。当大视场光学通道为主光路时，采用本发明的电视摄像机可以进行昼间近距离目标的观察、瞄准与测距；当中视场光学通道为主光路时，采用本发明的电视摄像机可以进行昼间中距离目标的观察、瞄准与测距；当小视场光学通道为主光路时，采用本发明的电视摄像机可以进行昼间远距离目标的观察、瞄准与测距。

不难看出，本发明可以将优选实施例中的直角反射棱镜6换成与光轴成45°夹角的平面反射镜；也可以将分光立方棱镜19换成与光轴成45°夹角的平面分光镜；也可以将平面反射镜12换成直角反射棱镜；也可以将可见光滤光片20换成JB400、JB420、JB470等有色玻璃；也可以将近红外滤光片21换成HB650、HB685、HB700、HB720、HWB760等有色玻璃，从而组成多种实施例。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。