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基于单传感器的三波段共口径光学系统设计

张坤 李京宸 孙思 谌庆荣 杨帆

张坤, 李京宸, 孙思, 谌庆荣, 杨帆. 基于单传感器的三波段共口径光学系统设计[J]. 中国光学(中英文), 2024, 17(2): 382-389. doi: 10.37188/CO.2023-0098
引用本文: 张坤, 李京宸, 孙思, 谌庆荣, 杨帆. 基于单传感器的三波段共口径光学系统设计[J]. 中国光学(中英文), 2024, 17(2): 382-389. doi: 10.37188/CO.2023-0098
ZHANG Kun, LI Jing-chen, SUN Si, CHEN Qing-rong, YANG Fan. Design of three-band co-aperture optical system based on single sensor[J]. Chinese Optics, 2024, 17(2): 382-389. doi: 10.37188/CO.2023-0098
Citation: ZHANG Kun, LI Jing-chen, SUN Si, CHEN Qing-rong, YANG Fan. Design of three-band co-aperture optical system based on single sensor[J]. Chinese Optics, 2024, 17(2): 382-389. doi: 10.37188/CO.2023-0098

基于单传感器的三波段共口径光学系统设计

doi: 10.37188/CO.2023-0098
基金项目: 四川省自然科学基金(No. 2023NSFSC1308,No. 2023NSFSC0491);四川省重点研发项目(No. 2022YFG0249);中国科学院光电技术研究所前沿布点项目(No. C21K003)
详细信息
    作者简介:

    张 坤(1993—),男,四川成都人,博士,助理研究员,2016年于西华大学获得学士学位,2021年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得工学博士学位,现为中国科学院光电技术研究所助理研究员,主要从事光学遥感成像系统设计方面的研究。E-mail:zhangkciomp@163.com

    孙 思(1996—),女,四川西充人,硕士,助理工程师,2018年、2021年于西南交通大学分别获得学士、硕士学位,现为中国科学院光电技术研究所助理工程师,主要从事复杂环境光电技术研究。E-mail:sunsi@ioe.ac.cn

  • 中图分类号: O439

Design of three-band co-aperture optical system based on single sensor

Funds: Supported by Natural Science Foundation of Sichuan Province (No. 2023NSFSC1308, No. 2023NSFSC0491); Key Research and Development Project of Sichuan Province (No. 2022YFG0249); Cutting-edge Distribution Program of Institute of Optics and Electronics Chinese Academy Sciences (No. C21K003)
More Information
  • 摘要:

    针对现有多波段成像系统体积大、功耗高和集成化设计困难的问题,本文提出了一种基于单传感器的三波段共口径成像光学系统的设计方法。首先,在光学系统的光阑处设计1×2多波段透镜阵列,把可见光波段和短波红外波段同时成像在一个像平面上,并把两个波段中心波长的成像位置偏差控制在一个像元内以实现双波段融合成像。然后,针对双波段成像衍射极限不同的问题,提出分通道透镜阵列的离轴偏移量和通光口径大小联合优化方法,并采用双电动光阑高速控制三个成像通道的切换速度。最后,设计了一个基于单传感器的焦距为30 mm,工作波段分别为480~900 nm、900~1700 nm和480~1700 nm的三波段共口径光学系统。设计及分析结果表明该系统具有成像质量好、结构紧凑、无运动光学元件、成像波段切换速度快等优点。

     

  • 图 1  基于单传感器的三波段共口径光学系统的成像原理图

    Figure 1.  Imaging principle diagram of a three-band co-aperture optical system based on single sensor

    图 2  三波段共口径光学系统设计流程图

    Figure 2.  Design flow chart of a three-band co-aperture optical system

    图 3  三波段共口径成像光学系统

    Figure 3.  Three-band co-aperture optical system

    图 4  调制传递函数曲线图

    Figure 4.  Modulation transfer function curves

    图 5  光学系统的点列图

    Figure 5.  Spot diagram of the optical system

    图 6  畸变曲线图

    Figure 6.  Diagram of distortion curves

    图 7  1 300 nm与660 nm的成像位置偏差图

    Figure 7.  Deviation of imaging position at 1300 nm and 660 nm

    图 8  蒙特卡洛分析概率图

    Figure 8.  Probability graph of Monte Carlo analysis

    表  1  三波段光学系统的设计指标要求

    Table  1.   Design specifications of the three-band optical system

    参 数 数 值
    焦距/mm 30
    工作谱段1/nm 480~900
    工作谱段2/nm 900~1700
    工作谱段3/nm 480~1700
    F数 (480~900 nm) 5.0
    F数 (900~1700 nm) 3.0
    视场2ω/(°) 16
    畸变/% ≤0.8
    MTF(@100 lp/mm) ≥0.20
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    表  2  光学系统公差分配表

    Table  2.   Tolerance distribution of optical system

    公差项数值
    光圈/fringe≤2
    元件厚度/mm±0.02
    表面偏心/mm±0.01
    元件倾斜/(°)±0.01
    元件偏心/mm±0.01
    表面不规则度/fringe≤0.2
    折射率±0.001
    阿贝数/%±0.3
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    表  3  光学系统的敏感公差

    Table  3.   Sensitivity tolerances of optical system

    480~900 nm 900~1 700 nm
    敏感公差项 MTF变化 敏感公差项 MTF变化
    透镜6阿贝数 −0.043 透镜6折射率 −0.047
    透镜5折射率 −0.043 透镜5折射率 −0.046
    透镜6折射率 −0.035 透镜2偏心 −0.046
    透镜1与2间隔 −0.031 透镜1与2间隔 −0.046
    透镜9与10间隔 −0.030 透镜1偏心 −0.039
    透镜1厚度 −0.027 透镜1厚度 −0.038
    透镜2阿贝数 −0.026 透镜2表面偏心 −0.037
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-06-07
  • 修回日期:  2023-06-27
  • 网络出版日期:  2023-11-06

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