一种稳定型宽波段光学系统技术领域
本发明属于光学器件技术领域，具体涉及一种稳定型宽波段光学镜头。
背景技术
随着军事目标伪装与隐身技术的不断进步，传统使用的单一波段的光学探测手段
受到很大的挑战，已经难以满足军事侦查中的复杂需求。由于同一目标在不同的光谱波段
具有截然不同的光学特征，而且每一波段都有特殊的作用，比如，LED光源在近红外波段有
很高的辐射效率，短波红外具有很好的辉光夜视功能，中波红外对高温物体有较强的探测
效果，长波红外对地表物体的辐射有较好的探测效果，因此为了在军事应用中更好的在识
别不同目标，双波段甚至多波段成像技术成为研究的热点。
在这类应用中对光学镜头提出了越来越高的要求，具体表现如下：
1、覆盖至少两个波段，包括近红外、短波红外、中波红外和长波红外；
2、小巧，轻薄。即要求总长短，镜片数目少，后焦适当；
3、高亮度。即F#数小；
而现有的光学镜头设计中，通常只能覆盖两个波段，即中波红外和长波红外，而且
光学镜片数量和材料种类都比较多，体积和重量成为制约进一步应用的瓶颈。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种稳定型宽波段光学系统，本发明仅通过一种光学材
料实现0.7μm～14μm超宽波段的共口径成像，且具有结构简单紧凑，装调容易，而且稳定性
高的优点。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：一种稳定型宽波段光学系统，，包括由
左至右顺次设置的第一光学元件L1和第二光学元件L2，其中二者材质相同；所述的第一光学
元件L1前表面外环区域s1为透射面，中心圆区域s2为内反射面；第一光学元件L1的后表面s3
为透射面；所述第二光学元件L2前表面外环区域s4为反射面，中心圆区域s5为透射面；第二
光学元件L2的后表面中心圆区域s6为透射面。
进一步地，光线由左侧入射后，经过第一光学元件L1的前表面外环区域s1、后表面
s3出射到达第二光学元件L2的前表面外环区域s4，发生反射，然后入射到第一光学元件L1的
后表面s3，经过透射到达前表面内反射面s2，经过反射重新经过后表面s3，透射出第一光学
元件L1，到达第二光学元件L2的前表面中心圆形区域s5，最后经过第二光学元件L2的后表面
中心圆形区域s6出射至探测器靶面成像。
进一步地，第一光学元件L1和第二光学元件L2采用的材料均为硒化锌。
进一步地，第一光学元件L1为弯月形透镜，第二光学元件L2的前表面为凹面。
进一步地，第一光学元件L1的光焦度1/f1为负，第二光学元件L2的光焦度1/f2为
正，f1、f2分别为第一光学元件L1和第二光学元件L2的焦距。
进一步地，L1和L2的光学表面s1、s2、s3、s4、s5和s6均为非球面；其中第一光学元件L1
前表面外环区域s1和中心环区域s2为连续表面，两个表面具有同一个非球面函数；光学元件
L2的前表面外环区域s4和中心环区域s5为连续表面，两个表面具有同一个非球面函数。
进一步地，整个光学系统的焦距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为整个光学系统的焦距，D为空气换算距离后的光学系统总长、即从L1的表
面到探测器靶面之间的距离，f/D为整个光学系统的焦比值。
进一步地，第一光学元件L1和第二光学元件L2的表面非球面满足如下函数：
其中z为以各非球面与光轴交点为起点且平行光轴方向的轴向值，k为Conic系数，
c为镜面中心曲率半径的倒数，r为镜面中心高度；a4、a6、a8、a10、a12为非球面系数。
有益效果：
1、本发明仅利用两片光学元件、一种光学材料，光线由左侧入射后，经过第一光学
元件L1的前表面外环区域s1、后表面s3出射到达第二光学元件L2的前表面外环区域s4，发生
反射，然后入射到第一光学元件L1的后表面s3，经过透射到达前表面内反射面s2，经过反射
重新经过后表面s3，透射出第一光学元件L1，到达第二光学元件L2的前表面中心圆形区域
s5，最后经过第二光学元件L2的后表面中心圆形区域s6出射至探测器靶面成像；其中“经过
透射到达前表面内反射面s2，经过反射重新经过后表面s3”的过程能够产生一个特殊色差来
平衡整个系统其他表面产生的色差，这与现有技术通过不同材料的使用来校正色差的方法
不同，在现有技术中由于采用多种不同材料来进行色差的校正，会大大限制镜头的接收波
段范围；而采用本发明中的光学结构来实现色差的校正，则采用一种材质即可实现宽波段
的光学接收，经试验验证，能够覆盖波长0.7～1.6μm、3.7～4.8μm和8～14μm三个波段，F#
1.2(有效F#1.6)，远射比达0.58光学系统。
2、本发明中光学结构经过多次折射和反射，缩短了系统的总长，很好的矫正了各
种轴上及轴外像差，因此具有结构简单紧凑，装调容易，而且稳定性高的优点。
附图说明
图1是本发明的超宽波段共口径光学系统的结构图；
图2是非球面侧视图；
图3是本发明实施例中系统在0.7～1.6μm的光学传递函数MTF；
图4是本发明实施例中系统在3.7～4.8μm的光学传递函数MTF；
图5是本发明实施例中系统在8～14μm的光学传递函数MTF；
图6是本发明实施例中系统在0.7～1.6μm的色差曲线；
图7是本发明实施例中系统在3.7～4.8μm的色差曲线；
图8是本发明实施例中系统在8～14μm的色差曲线。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
一种稳定型宽波段光学系统，如图1所示，包括由左至右顺次设置的第一光学元件
L1和第二光学元件L2；所述的第一光学元件L1前表面外环区域s1为透射面，中心圆区域s2为
内反射面；第一光学元件L1的后表面s3为透射面；所述第二光学元件L2前表面外环区域s4为
反射面，中心圆区域s5为透射面；第二光学元件L2的后表面中心圆区域s6为透射面。
本发明中，光线由左侧入射后，经过第一光学元件L1的前表面外环区域s1，经过s3
出射到达第二光学元件L2的前表面外环区域s4，发生反射，然后入射到第一光学元件L1的后
表面s3，经过透射到达前表面内反射面s2，经过反射重新经过后表面s3，透射出第一光学元
件L1，到达第二光学元件L2的前表面中心圆形区域s5，最后经过第二光学元件L2的后表面中
心圆形区域s6出射至探测器靶面成像。其中“经过透射到达前表面内反射面s2，经过反射重
新经过后表面s3”的过程能够产生一个特殊色差来平衡整个系统其他表面产生的色差，这
与现有技术通过不同材料的使用来校正色差的方法不同，在现有技术中由于采用多种不同
材料来进行色差的校正，会大大限制镜头的接收波段范围；而采用本发明中的光学结构来
实现色差的校正，则采用一种材质即可实现宽波段的光学接收。
本发明中，第一光学元件L1和第二光学元件L2采用的材料均为硒化锌。
本发明中，第一光学元件L1为弯月形透镜，第二光学元件L2的前表面为凹面。
本发明中，第一光学元件L1的光焦度1/f1为负，第二光学元件L2的光焦度1/f2为
正，f1、f2分别为第一光学元件L1和第二光学元件L2的焦距。
本发明中，L1和L2的光学表面s1、s2、s3、s4、s5和s6均为非球面，非球面侧视图如图2
所示；其中第一光学元件L1前表面外环区域s1和中心环区域s2为连续表面，两个表面具有同
一个非球面函数；光学元件L2的前表面外环区域s4和中心环区域s5为连续表面，两个表面具
有同一个非球面函数。
本发明中，整个光学系统的焦距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为整个光学系统的焦距，D为空气换算距离后的光学系统总长，f/D为整个光
学系统的焦比值。
本发明中，第一光学元件L1和第二光学元件L2的表面非球面满足如下函数：
其中z为以各非球面与光轴交点为起点且平行光轴方向的轴向值，k为Conic系数，
c为镜面中心曲率半径的倒数，r为镜面中心高度；a4、a6、a8、a10、a12为非球面系数。
实施例、
如图1所示，本发明的超宽波段光学系统包括第一光学元件L1和第二光学元件L2。
利用硒化锌材料在0.55～18μm超宽的适用波段，通过曼金反射镜结构特殊的色差特性，有
效地消除了系统的色差，实现了0.7～1.6μm,3.7～4.8μm,8～14μm多波段共口径成像光学
系统。第一光学元件L1前表面外环区域s1为透射面，中心圆区域s2为内反射面；第一光学元
件L1的后表面s3为透射面；第二光学元件L2前表面外环区域s4为反射面，中心圆区域s5为透
射面；第二光学元件L2的后表面中心圆区域s6为透射面；
下面对本光学系统的光路进行简要描述：
光线经过第一光学元件L1的前表面外环区域s1，经过s3出射到达第二光学元件L2
的前表面外环区域s4，发生反射，重新入射到第一光学元件L1的后表面s3，经过透射到达前
表面内反射面s2，经过反射重新经过后表面s3，透射出第一光学元件L1，到达第二光学元件
L2的前表面中心圆形区域s5，最后经过第二光学元件L2的后表面中心圆形区域s6出射至探
测器靶面成像。经过多次折射和反射，缩短了系统的总长，很好的矫正了各种轴上及轴外像
差。
上述非球面面形满足如下函数：
其中z为以各非球面与光轴交点为起点且平行光轴方向的轴向值，k为Conic系数，
c为镜面中心曲率半径的倒数，r为镜面中心高度；a2、a4、a6、a8、a10为非球面系数
以下仅是作为本发明的一个优选实例，选用的系统焦距为80mm，焦比值(F/D)为
1.72，全系统总长46.5mm，半瞬时视场5°，设计结果显示对0.7～1.6μm波段光学传递函数在
50lp/mm处大于0.4，对3.7～4.8μm波段光学传递函数在17lp/mm处大于0.7，对8～14μm波段
光学传递函数接近衍射极限，同时各个波段的色差曲线中看出光学系统很好地消除了色
差，成像质量优良。对照图1选取一系列较优数据如下表1、表2所示。
表1
其中，表1中第四列的数据由上至下为：S1几何中心至S3几何中心之间的距离；S3几
何中心至S4几何中心之间的距离；S4几何中心至S3几何中心之间的距离；S3几何中心至S2几
何中心之间的距离；S2几何中心至S5几何中心之间的距离；S5几何中心至S6几何中心之间的
距离。
表2
上述较佳实施例中光学元件L1和L2采用的材料均为ZnSe，都是非球面。
在本实施例的基础上，图3展示了本系统在0.7～1.6μm的光学传递函数MTF；图4展
示了本系统在3.7～4.8μm的光学传递函数MTF；图5展示了本系统在8～14μm的光学传递函
数MTF；图6展示了本系统在0.7～1.6μm的色差曲线；图7展示了本系统在3.7～4.8μm的色差
曲线；图8展示了本系统在8～14μm的色差曲线。
由上图中可以看出，本实施例实现了波长覆盖0.7～1.6μm、3.7～4.8μm和8～14μm
三个波段，F#1.2(有效F#1.6)，远射比达0.58的紧凑型光学系统。
综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在
本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护
范围之内。