多波段光谱接收与可见光成像共孔径光学系统的制作方法

1.本发明属于光电探测领域，具体涉及一种多波段光谱接收与可见光成像共孔径消热差光学系统。


背景技术：

2.在不同的波段，目标所呈现的光学特征也不尽相同。在工业检测和军事应用中，传统的单波段探测系统无法同时满足200nm～2500nm的全光谱信息和可见光图像信息的获取。为了准确获得目标多维信息，多波段共孔径光学系统应运而生。通过共孔径的方式，目标的多维光谱信息和可见光图像信息经棱镜分光后，分别由各支路光纤和可见光相机接收。经消热差设计后，该系统具备环境温度适应性强、口径大、结构紧凑、探测范围广等优点。
3.为保证目标的光谱信息和图像信息在时间与空间上的一致性，同时减小系统体积，提高效费比，现在多波段探测系统大多采用共孔径形式。但由于设计难度较大，目前国内外尚未发现有工作波段为200nm～2500nm的共孔径消热差系统。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种多波段光谱接收与可见光成像共孔径光学系统，解决了共孔径形式，工作波段为200nm～2500nm光学系统设计难度较大的问题。
5.本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
6.多波段光谱接收与可见光成像共孔径光学系统，该系统包括：保护玻璃、同轴两反系统、反l形分光棱镜、紫外光谱接收系统、近红外光谱接收系统、可见光谱接收系统及可见光成像系统；目标发射光谱，依次经过所述保护玻璃和所述同轴两反系统后，经过反l形分光棱镜反射和透射后，分别被所述紫外光谱接收系统、近红外光谱接收系统、可见光谱接收系统及可见光成像系统接收或成像。
7.优选的，所述同轴两反系统包括：同轴依次设置的次镜和主镜；目标发射光谱照射到所述主镜上，经过主镜反射到所述次镜，再由次镜反射后，经过所述主镜上设置的光阑后，入射到所述反l形分光棱镜上；所述主镜与次镜的通光口径比为0.263，材料均为微晶玻璃，其中主镜的二次曲面系数为-1.093，次镜的二次曲面系数为-2.875。
8.优选的，所述反l形分光棱镜包括：三个等腰直角棱镜和一个道威棱镜；其中第一等腰直角棱镜和第二等腰直角棱镜的长边设置在所述道威棱镜的下底面上，另外第三等腰直角棱镜的长边设置在所述道威棱镜的上底面上，形成反l形结构。
9.优选的，所述第一等腰直角棱镜和所述道威棱镜的下底面间镀膜方案为：反射200nm-400nm紫外波段，透射400nm-2500nm波段；所述第二等腰直角棱镜和所述道威棱镜的下底面间镀膜方案为：对400nm-760nm波段可见光实现5:5分光；所述第三等腰直角棱镜和所述道威棱镜的上底面间镀膜方案为：反射400nm-760nm可见光波段，透射760nm-2500nm近
红外波段。
10.优选的，所述紫外光谱接收系统包括：沿光路经所述第一等腰直角棱镜和所述道威棱镜的下底面间镀膜反射后依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，且第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜的光焦度分别为正、负、正、负，工作波段为200nm～400nm；所述的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜均为球面透镜，玻璃牌号分别为caf2、f_silica、caf2、f_silica；紫外光谱接收系统的后工作距为27.24mm。
11.优选的，所述近红外光谱系统包括：沿光路经所述第一等腰直角棱镜和所述道威棱镜的下底面间镀膜透射，和所述第三等腰直角棱镜和所述道威棱镜的上底面间镀膜透射后依次设置的第五透镜、第六透镜、第七透镜和第八透镜，且第五透镜、第六透镜、第七透镜和第八透镜光焦度分别为正、负、正、负，工作波段为760nm～2500nm；所述的第五透镜、第六透镜、第七透镜和第八透镜均为球面透镜，玻璃牌号分别为h-zpk1a、h-zf62、h-zpk7、h-fk61；近红外光谱接收系统的后工作距为32.1mm。
12.优选的，所述可见光谱系统包括：沿光路经所述第一等腰直角棱镜和所述道威棱镜的下底面间镀膜透射、所述第三等腰直角棱镜和所述道威棱镜的上底面间镀膜反射，和第二等腰直角棱镜和所述道威棱镜的下底面间镀膜反射后依次设置的第九透镜、第十透镜、第十一透镜和第十二透镜，且第九透镜、第十透镜、第十一透镜和第十二透镜光焦度分别为正、负、正、负，工作波段为400nm～760nm；所述第九透镜、第十透镜、第十一透镜和第十二透镜为球面透镜，玻璃牌号分别为h-fk61、h-zlaf75a、h-zpk7、h-zf52；所述可见光谱接收系统的后工作距为12.24mm。
13.优选的，所述可见光成像系统包括：沿光路经所述第一等腰直角棱镜和所述道威棱镜的下底面间镀膜透射、所述第三等腰直角棱镜和所述道威棱镜的上底面间镀膜反射，和第二等腰直角棱镜和所述道威棱镜的下底面间镀膜透射后依次设置的第十三透镜、第十四透镜、第十五透镜和第十六透镜，且第十三透镜、第十四透镜、第十五透镜和第十六透镜的光焦度分别为负、正、正、负，工作波段为400nm～760nm；所述第十三透镜、第十四透镜、第十五透镜和第十六透镜为球面透镜，玻璃牌号分别为h-tf3l、h-zbaf21、h-zpk2a、h-zf52；可见光成像系统的后工作距为36.713mm～42.062mm。
14.优选的，所述光学系统工作温度范围为-20℃～50℃，探测距离为0.5km～1.5km，可见光成像系统采用像面调焦方式，补偿由于温度和物距变化产生的像面漂移，调焦行程小于6mm。
15.本发明的有益效果是：
16.(1)该光学系统可同时对目标的紫外波段(200-400nm)、可见波段(400-760nm)、近红外波段(760nm-2500nm)三个波段进行光谱信息采集，同时也可对目标进行可见光成像，实现了目标的多维信息获取。(2)光学系统的前端采用同轴两反系统，不引入色差，对光路进行折叠，有效地压缩了系统的体积。(3)该光学系统针对环境温度为-20℃～50℃的情况，进行了消热差设计。当光学系统存在0.3mrad的光轴抖动量时，通过反l形分光棱镜的设计，使系统实现对物距为0.5km～1.5km、直径为0.5m大小的面目标进行多光谱采集和成像识别，该系统在复杂环境中具有一定的目标信号提取能力。
附图说明
17.图1本发明多波段光谱接收与可见光成像共孔径光学系统结构示意图。
18.图2本发明反l形分光棱镜的结构示意图。
19.图中：1、平板保护玻璃，2、次镜，3、主镜，4、反l形分光棱镜，4-1、第一等腰直角棱镜，4-2、道威棱镜，4-3、第三等腰直角棱镜，4-4、第二等腰直角棱镜，5、第一透镜，6、第二透镜，7、第三透镜，8、第四透镜，9、第五透镜，10、第六透镜，11、第七透镜，12、第八透镜，13、第九透镜，14、第十透镜，15、第十一透镜，16、第十二透镜，17、第十三透镜，18、第十四透镜，19、第十五透镜，20、第十六透镜。
具体实施方式
20.下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
21.如图1所示，本发明多波段光谱接收与可见光成像共孔径光学系统，所述光学系统包括平板保护玻璃1，次镜2，主镜3，反l形分光棱镜4，紫外光谱接收系统、近红外光谱接收系统、可见光谱接收系统及可见光成像系统。紫外光谱接收系统包括第一透镜5，第二透镜6、第三透镜7和第四透镜8；近红外光谱接收系统包括第五透镜9，第六透镜10，第七透镜11和第八透镜12；可见光谱接收系统包括第九透镜13，第十透镜14，第十一透镜15和第十二透镜16；可见光成像系统包括第十三透镜17，第十四透镜18，第十五透镜19和第十六透镜20；；目标发射光谱通过平板保护玻璃1照射到所述主镜3上，经过主镜3反射到所述次镜2，再由次镜2反射后，经过所述主镜3上的中心孔后，入射到所述反l形分光棱镜4上；经过反l形分光棱镜4反射和透射后，分别通过所述紫外光谱接收系统、近红外光谱接收系统、可见光谱接收系统及可见光成像系统接收或成像。所述紫外光谱接收系统、近红外光谱接收系统和可见光谱接收系统的末端都设有接收光谱的光纤。
22.系统共用前端的主镜3和次射2及平板保护玻璃1，采用卡塞格林系统进行折叠光路，进一步减小了系统的体积，使之实现小型化、轻量化，同时提高了工程可行性。
23.所述主镜3和次镜2同时反射紫外波段(200-400nm)、可见光波段(400-760nm)、近红外波段(760nm-2500nm)，可实现三波段光谱信息采集。
24.所述主镜3为中心开孔的非球面透镜，其二次曲面系数为-1.093，次镜2也为非球面透镜，其二次曲面系数为-2.785，系统遮拦比为0.263，材料均使用热膨胀系数较小的微晶玻璃。
25.由于目标光谱波段范围较宽，考虑分光后镀膜的可实现性，采用反l形分光棱镜4进行分光，其由三块等腰直角棱镜和一块道威棱镜4-2组成，如图2所示。镀膜方案为所述第一等腰直角棱镜4-1和所述道威棱镜4-2的下底面间首先反射200nm～400nm的紫外波段由紫外光谱接收系统接收，同时透过400nm～2500nm的波段；其后，所述第三等腰直角棱镜4-3和所述道威棱镜4-2的上底面间分光，透过760nm～2500nm的近红外波段由近红外光谱接收系统接收，反射400nm～760nm可见光波段；最后，所述第二等腰直角棱镜4-4和所述道威棱镜4-2的下底面间对反射的可见光波段进行5:5分光，分别被可见光接收系统和可见光成像系统接收。
26.为了校正像差并会聚光线，紫外光谱接收系统的折射镜组为第一透镜5、第二透镜6、第三透镜7和第四透镜8，且其光焦度分别为正、负、正、负。近红外光谱接收系统系统的折
射镜组为第五透镜9、第六透镜10、第七透镜11和第八透镜12，其光焦度分别为正、负、正、负。可见光谱接收系统的折射镜组为第九透镜13、第十透镜14、第十一透镜15和第十二透镜16，且其光焦度分别为正、负、正、负。可见成像系统的折射镜组为第十三透镜17、第十四透镜18、第十五透镜19和第十六透镜20，且其光焦度分别为负、正、正、负。
27.本实施例中，紫外光谱接收系统的后工作距为27.24mm、红外光谱接收系统的后工作距为32.1mm、可见光谱接收系统的后工作距为12.24mm、可见光成像系统的后工作距为36.713mm～42.062mm。
28.主镜3与次镜2的中心间隔为298mm，第一透镜5与第二透镜6的中心间隔为3.0mm，第二透镜6与第三透镜7的中心间隔为0.86mm，第三透镜7与第四透镜8的中心间隔为0.3mm；第五透镜9与第六透镜10的中心间隔为1.2mm，第六透镜10与第七透镜11的中心间隔为1.1mm，第七透镜11与第八透镜12的中心间隔为1.83mm；第九透镜13与第十透镜14的中心间隔为7.3mm，第十透镜14与第十一透镜15的中心间隔为7mm，第十一透镜15与第十二透镜16的中心间隔为3mm；第十三透镜17与十四透镜18的中心间隔为0.5mm，第十四透镜18与第十五透镜19的中心间隔为39.52mm，第十五透镜19与第十六透镜20的中心间隔为4.95mm。
29.第一透镜5厚度为5mm，第二透镜6厚度为3mm，第三透镜7厚度为4mm，第四透镜8厚度为3mm；第五透镜9厚度为3.5mm，第六透镜10厚度为2mm，第七透镜11厚度为2.5mm，第八透镜12厚度为2.5mm；第九透镜13厚度为3mm，第十透镜14厚度为4mm，第十一透镜15厚度为3.5mm，第十二透镜16厚度为2mm；第十三透镜17厚度为10mm，第十四透镜18厚度为9mm，第十五透镜19厚度为8mm，第十六透镜20厚度为8mm。表1为紫外光谱成像系统折射镜组详细参数。表2为近红外光谱接收系统折射镜组详细参数。表3为可见光谱接收系统折射镜组详细参数。表4为可见光成像系统折射镜组详细参数。
30.表1为紫外光谱成像系统折射镜组详细参数
[0031][0032]
表2为近红外光谱接收系统折射镜组详细参数
[0033][0034]
表3为可见光谱接收系统折射镜组详细参数
[0035][0036]
表4为可见光成像系统折射镜组详细参数
[0037][0038]
本发明提供的光学系统结构紧凑，可实现小型化、轻量化，且在消热差的基础上，可实现系统在环境温度变化范围为-20℃～50℃的条件下，对0.5km～1.5km的目标进行多波段探测，系统可采集目标的紫外、可见、近红外波段的光谱信息，同时对目标的可见光波段进行成像，进而获得更丰富的目标信息，对多波段探测系统具有一定的指导意义。