[发明专利]一种基于自由曲面棱镜的紧凑型红外取景器光学系统

说明书

本发明涉及一种基于自由曲面棱镜的紧凑型红外取景器光学系统，包括自由曲面棱镜、三角棱镜、窄带滤光片、近红外探测器和长波红外探测器，自由曲面棱镜包括依次连接的高次非球面、第二次反射自由曲面、第一次反射自由曲面和分光平面，入射光线经高次非球面入射后依次经过反射自由曲面和第二次反射自由曲面反射，达到分光平面时分成近红外光线和长波红外光线，近红外光线透射后依次经过三角棱镜和窄带滤光片后达到近红外探测器上，长波红外光线反射后由衍射面出射并到达长波红外探测器上。与现有技术相比，本发明具有成像质量好、结构紧凑等优点。

技术领域

本发明涉及一种光学系统和器件设计领域，尤其是涉及一种基于自由曲面棱镜的紧凑型红外取景器光学系统。

背景技术

双波段成像系统可针对同一目标在两个波段同时获得探测数据，有效抑制复杂背景的干扰信息，提升目标观测的精准性。一般双波段成像系统主要以三种方式构成：第一种是用两套独立的单波段的成像系统；第二种是两个响应不同波段的探测器共用一个光学系统；第三种是用一个响应两个波段的双色红外探测器共用一个光学系统。前一种方法需要设计两套独立的成像系统，后两种方法需要设计宽带消色差的系统，一般使用纯反射式结构。然而，传统的纯折射、纯反射或折反式双波段的光学系统通常用两个通道或者包含分光镜分光设计，需要多片式镜片组合成像校正像差，镜片的装配工艺和检测手段繁琐，最终系统具有较大的体积且机械结构也相当复杂。基于自由曲面棱镜的光学成像系统设计结构可以实现低成本、高性能且构型紧凑，这种设计构型已在可见光波段的增强现实目视系统中使用。

S.R.Kiontke在《Monolithic freeform element》(Proc.SPIE 9575,95750G,2015)中研制出一款视场角24°，长度为22mm的自由曲面棱镜镜头，材料为锗，其工作波段为长波红外波段，但该镜头采用的光学系统是单通道的长波红外系统，且没有实质地校正系统色差，成像质量并不理想；北京理工大学的程德文等人在《Lightweight spatial-multiplexed dual focal-plane head-mounted display using two freeform prisms》(COL 11(3),031201,2013)中提到了四种双焦面的抬头显示目视系统设计，但这些设计构型并没有涉及到双波段的接收成像，且最终的成像质量仅能用于目视系统。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于自由曲面棱镜的紧凑型红外取景器光学系统，成像质量好，结构紧凑。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于自由曲面棱镜的紧凑型红外取景器光学系统，包括自由曲面棱镜、三角棱镜、窄带滤光片、近红外探测器和长波红外探测器，所述的自由曲面棱镜包括依次连接的高次非球面、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，所述的三角棱镜包括入射平面和出射球面，所述的入射平面与分光平面紧贴，入射光线经高次非球面入射后依次经过第一次反射自由曲面和第二次反射自由曲面反射，达到分光平面时分成近红外光线和长波红外光线，所述的近红外光线依次透射过分光平面、入射平面、出射球面和窄带滤光片后达到近红外探测器上，所述的长波红外光线在分光平面上反射后由衍射面出射并到达长波红外探测器上。

进一步地，该光学系统的F数为1.2～2.0，入射光瞳直径为15mm～50mm，所述的第一次反射自由曲面与第一次反射自由曲面与入射光线的光轴的夹角范围为18°～25°，所述的第二次反射自由曲面与第一次反射自由曲面的夹角范围为35°～50°，所述的分光平面与入射光线的光轴的夹角范围为35°～50°。

进一步地，所述的高次非球面与入射光瞳重合，所述的高次非球面与第二次反射自由曲面、分光平面的相邻边缘均互不干涉，所述的第一次反射自由曲面和衍射面的相邻边缘互不干涉。

进一步地，所述的分光平面为倾斜平面，并满足长波红外的全反射条件，所述的分光平面上镀有分光膜，满足中波红外的透射条件。