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CN109343026A - 一种基于二元面的激光电视一体机光学系统 - Google Patents

一种基于二元面的激光电视一体机光学系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于二元面的激光电视一体机光学系统，前固定组透镜由依次沿光路传播方向设置的第一前固定透镜和第二前固定透镜组成，所述第一前固定透镜具有至少一面沿光路传播方向设置的二元面；本发明采用激光电视一体的设计思路提高系统的一体化设计，采用二元面的结构面形来减轻系统重量，采用析光镜来对光线进行两次分光，来提高光学系统的高功能密度。其中通过滤光镜切换的方式分别对不同波长的激光进行探测，实现激光系统的通用性。与同类产品相比，本发明中，激光电视一体的设计思路提高系统的一体化设计；二元面的合理设计减轻了系统体积重量；析光镜分光的应用提高了光学系统的高功能密度；激光系统的多波段设计实现系统的通用性。

Description

一种基于二元面的激光电视一体机光学系统
技术领域
本发明涉及光电设备技术领域，尤其涉及一种基于二元面的激光电视一体机光学系统。
背景技术
激光测距技术和电视成像技术广泛应用于电视制导、光电侦察，对目标进行观察和跟踪时，既要满足快速飞行物体近处的搜索捕获，也要满足低速或者中速远距离飞行的物体进行追踪；同时也要在同一时间内对跟踪目标进行准确测距，确认目标的实际位置，人们现在对光学系统的高功能密度和一体化设计提高了要求。
为了保证在电视制导及光电侦察等作战行动中，对一定范围内对不同距离的目标实现高清成像及准确测距，提出一种能够应用于光电侦察等行动中的激光电视一体机光学系统。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的缺陷，提供一种基于二元面的激光电视一体机光学系统，提高光学系统的高功能密度和一体化设计。
本发明是通过以下技术方案实现：
一种基于二元面的激光电视一体机光学系统，包括：用于将激光发射出去的发射后组透镜、用于接收从发射后组透镜准直后的激光并再次进行准直的发射前组透镜、用于接收漫反射回来的前固定组透镜、用于分光的析光镜组、用于对经过析光镜组分光后的激光进行剩余像差补偿的后组透镜、用于对从后组透镜补偿后的激光进行测距的第一滤光镜组、用于将析光镜组反射的光线进行二次折转的棱镜组、用于对棱镜组折转的光线进行变倍的变倍组透镜、用于对变倍组透镜变倍后的光线进行补偿的补偿组透镜、用于对补偿组透镜补偿后的光线剩余像差进行补偿的后固定组透镜和用于将后固定组透镜中的光线成像在CCD靶面的第二滤光镜组；
所述发射后组透镜和发射前组透镜沿光路传播方向依次设置并组成激光发射系统，所述前固定组透镜、析光镜组、后组透镜和第一滤光镜组沿光路传播方向依次设置并组成激光接收系统，所述激光发射系统和激光接收系统组成激光测距系统；
所述前固定组透镜、析光镜组、棱镜组、变倍组透镜、补偿组透镜、后固定组透镜和第二滤光镜组沿光路传播方向依次设置并组成连续变焦电视系统；
其中，所述前固定组透镜由依次沿光路传播方向设置的第一前固定透镜和第二前固定透镜组成，所述第一前固定透镜具有至少一面沿光路传播方向设置的二元面。
本发明更进一步改进在于，所述第一前固定透镜中沿光路传播方向的第一个面为二元面。
本发明更进一步改进在于，所述激光器包括固体1064nm基频激光器和固体1550nm基频激光器，且固体1064nm基频激光器或固体1550nm基频激光器输出连续激光或脉冲激光。
本发明更进一步改进在于，第一滤光镜组包括两块滤光镜，用以通过滤光镜的切换对1064nm激光和1550nm激光进行探测。
本发明进一步改进在于，所述析光镜组采用半透半反的镀膜方式。
与现有的技术相比，本发明的有益效果是：
本发明采用激光电视一体的设计思路提高系统的一体化设计，采用二元面的结构面形来减轻系统重量，采用析光镜来对光线进行两次分光，来提高光学系统的高功能密度。其中通过滤光镜切换的方式分别对不同波长的激光进行探测，实现激光系统的通用性。与同类产品相比，本发明中，激光电视一体的设计思路提高系统的一体化设计；二元面的合理设计减轻了系统体积重量；析光镜分光的应用提高了光学系统的高功能密度；激光系统的多波段设计实现系统的通用性。本产品配备结构组件、成像组件和电路控制后，可配装于各种机载、车载的光电跟踪和侦察设备。
附图说明
图1为本发明一个实施例中光学系统示意图；
图2为传统的连续变倍电视和激光测距光学系统示意图。
附图标记如下：
1、发射前组透镜，2、发射后组透镜，3、前固定组透镜，4、析光镜组，5、后组透镜，6、第一滤光镜组，7、棱镜组，8、变倍组透镜，9、补偿组透镜，10、后固定组透镜，11、第二滤光镜组。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种基于二元面的激光电视一体机光学系统，包括：用于将激光发射出去的发射后组透镜2、用于接收从发射后组透镜2准直后的激光并再次进行准直的发射前组透镜1、用于接收漫反射回来的前固定组透镜3、用于分光的析光镜组4、用于对经过析光镜组4分光后的激光进行剩余像差补偿的后组透镜5、用于对从后组透镜5补偿后的激光进行测距的第一滤光镜组6、用于将析光镜组4反射的光线进行二次折转的棱镜组7、用于对棱镜组7折转的光线进行变倍的变倍组透镜8、用于对变倍组透镜8变倍后的光线进行补偿的补偿组透镜9、用于对补偿组透镜9补偿后的光线剩余像差进行补偿的后固定组透镜10和用于将后固定组透镜10中的光线成像在CCD靶面的第二滤光镜组11；
所述发射后组透镜2和发射前组透镜1沿光路传播方向依次设置并组成激光发射系统，所述前固定组透镜3、析光镜组4、后组透镜5和第一滤光镜组6沿光路传播方向依次设置并组成激光接收系统，所述激光发射系统和激光接收系统组成激光测距系统；
所述前固定组透镜3、析光镜组4、棱镜组7、变倍组透镜8、补偿组透镜9、后固定组透镜10和第二滤光镜组11沿光路传播方向依次设置并组成连续变焦电视系统；
其中，所述前固定组透镜3由依次沿光路传播方向设置的第一前固定透镜和第二前固定透镜组成，所述第一前固定透镜具有至少一面沿光路传播方向设置的二元面。
在上述技术方案中，后固定组透镜10可以用来实现连续变焦电视系统的调焦功能，保证调焦过程中光轴稳定精度，同时保证电视系统在高低温环境实验中成像清晰。一般连续变倍电视的调焦机构都放在前固定组透镜3上，由于前固定组透镜3口径大、重量重，调焦过程中会引起光轴的晃动，影响系统的光轴稳定精度。
具体实施时，所述第一前固定透镜中沿光路传播方向的第一个面为二元面，其它的面都是普通面形，普通面形的玻璃比较容易加工，二元光学元件是一种位相型的衍射光学元件，它以光的衍射效应为基本工作原理，采用对光学波面的分析来设计衍射位相轮廓。目前制作二元光学元件的方法主要有微电子工艺中的刻蚀法，高精度钻石车床程序控制切削法等。采用二元面的面形可以减少前固定组透镜3的镜片数量，同时减轻了整个系统的体积重量。
更具体地，一般前固定组的结构形式是三块透镜，而采用二元面的结构形式，为前固定组减少一块透镜，减轻了系统重量。衍射元件的色散与材料无关，色散系数为负数，利用这个性质，前固定组透镜3中的第一块正透镜的第一个面刻有二元光学元件，用来校正系统色差，保证光学系统成像质量的同时减轻系统重量。而传统的连续变倍光学系统的前固定组透镜3只能使用正透镜和负透镜组合消色差，因而二元光学元件在透镜消色差和减少元件的重量和体积上有明显的优点。
具体实施时，所述激光器包括固体1064nm基频激光器和固体1550nm基频激光器，且固体1064nm基频激光器或固体1550nm基频激光器输出连续激光或脉冲激光。
更具体地，所述变倍组透镜8包括两个胶合件，所述补偿组透镜9包括沿光路传播方向依次设置的一个单透镜和一个胶合件，所述后固定组透镜10包括两个胶合件和两个单透镜，沿光路传播方向按照胶合件、单透镜的顺序交替设置。
在上述技术方案中，棱镜组7作用是把析光镜组4反射的光线进行二次折转，让反射光线进入到变倍组透镜8、补偿组透镜9、后固定组透镜10、滤光镜组11，最终光线成像在CCD靶面。变倍组透镜8和补偿组透镜9实现连续变倍，后固定组透镜10对前面的剩余像差进行补偿，同时通过移动后固定组透镜10来实现电视系统的调焦功能，保证电视系统在高低温实验中成像清晰。
具体实施时，所述第一滤光镜组6包括两块滤光镜，在激光测距系统设计中采用的波段有1064nm和1550nm两种，在激光测距中1064nm激光和1550nm两种激光都可以用，实现系统的通用性，同时一路激光可以进行测距，一路激光可以用来照射，为发射物提供指引。第一滤光镜组6中有两块滤光镜，通过滤光镜切换的方式分别对1064nm激光和1550nm的激光进行探测，实现激光测距的功能；在系统设计的过程中保证两个激光的像点位置一致，在滤光镜切换过程中不会带来视差。传统的激光测距都采用的单波段，机构形式比较单一，通用性差。
具体实施时，所述析光镜组4采用半透半反的镀膜方式，作用是将目标与背景的自然光线和漫反射回来的激光进行分光，一部分漫反射激光进入1064nm和1550nm探测器，实现激光测距；一部分自然光线经过棱镜成像在连续变倍电视CCD靶面，实现对不同距离的目标监测；传统的分光形式都是采用棱镜分光，棱镜分光的缺点是体积重量大，由于1064nm和1550nm激光的能量比较大容易损伤膜层；所以对胶合棱镜的胶层要求比较苛刻。而采用析光镜组4用来分光可以减轻系统重量，同时可以抗激光损伤。
更具体地，析光镜组4作用是将目标与背景的自然光线和漫反射回来的激光进行分光，一部分漫反射激光经过后组透镜5、第一滤光镜组6成像在激光探测器上，实现激光测距；一部分自然光线经过棱镜成像在连续变倍电视CCD靶面，实现对不同距离的目标监测。析光镜组4采用半透半反的镀膜方对光线进行两次分光，来提高光学系统的高功能密度；后组透镜5对1064nm和1550nm激光的剩余像差进行补偿，保证两种激光的成像质量；通过滤光镜切换的方式分别对1064nm激光和1550nm的激光进行探测，实现激光测距系统的通用性。
激光电视一体机可以对一定范围内对不同距离的目标实现图像监控和准确测距，从而提高镜头的高功能密度，同时减轻系统的体积重量。目前传统单一的变焦电视和激光测距镜头主要应用于各种机载、车载的光电跟踪和侦察设备，变焦电视镜头用来实现对目标搜索、观察与跟踪；激光测距镜头用来对目标准确测距。光电跟踪和侦察设备中给变焦电视和激光测距镜头预留的空间有限，多功能要求，且对体积重量要求苛刻。而采用激光电视一体机，可以实现对目标的测距、搜索、观察与跟踪，提高了镜头的高功能密度，同时在减轻系统体积重量中占有优势。
在上述实施过程的基础上，得到的激光电视一体机的像质图，连续变焦电视和激光测距系统的成像质量达到衍射极限，成像质量优良。与传统单一的连续变焦电视和激光测距系统(如图2示)相比激光电视一体机在减轻系统体积重量中占有优势。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于二元面的激光电视一体机光学系统，其特征在于，包括：用于将激光发射出去的发射后组透镜(2)、用于接收从发射后组透镜(2)准直后的激光并再次进行准直的发射前组透镜(1)、用于接收漫反射回来的前固定组透镜(3)、用于分光的析光镜组(4)、用于对经过析光镜组(4)分光后的激光进行剩余像差补偿的后组透镜(5)、用于对从后组透镜(5)补偿后的激光进行测距的第一滤光镜组(6)、用于将析光镜组(4)反射的光线进行二次折转的棱镜组(7)、用于对棱镜组(7)折转的光线进行变倍的变倍组透镜(8)、用于对变倍组透镜(8)变倍后的光线进行补偿的补偿组透镜(9)、用于对补偿组透镜(9)补偿后的光线剩余像差进行补偿的后固定组透镜(10)和用于将后固定组透镜(10)中的光线成像在CCD靶面的第二滤光镜组(11)；
所述发射后组透镜(2)和发射前组透镜(1)沿光路传播方向依次设置并组成激光发射系统，所述前固定组透镜(3)、析光镜组(4)、后组透镜(5)和第一滤光镜组(6)沿光路传播方向依次设置并组成激光接收系统，所述激光发射系统和激光接收系统组成激光测距系统；
所述前固定组透镜(3)、析光镜组(4)、棱镜组(7)、变倍组透镜(8)、补偿组透镜(9)、后固定组透镜(10)和第二滤光镜组(11)沿光路传播方向依次设置并组成连续变焦电视系统；
其中，所述前固定组透镜(3)由依次沿光路传播方向设置的第一前固定透镜和第二前固定透镜组成，所述第一前固定透镜具有至少一面沿光路传播方向设置的二元面。
2.根据权利要求1所述的一种基于二元面的激光电视一体机光学系统，其特征在于：所述第一前固定透镜中沿光路传播方向的第一个面为二元面。
3.根据权利要求1所述的一种基于二元面的激光电视一体机光学系统，其特征在于：所述激光器包括固体1064nm基频激光器和固体1550nm基频激光器，且固体1064nm基频激光器或固体1550nm基频激光器输出连续激光或脉冲激光。
4.根据权利要求3所述的一种基于二元面的激光电视一体机光学系统，其特征在于：第一滤光镜组(6)包括两块滤光镜，用以通过滤光镜的切换对1064nm激光和1550nm激光进行探测。
5.根据权利要求1所述的一种基于二元面的激光电视一体机光学系统，其特征在于：所述析光镜组(4)采用半透半反的镀膜方式。
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