具有多视场的极宽带紧凑光学系统 要求在先提交的美国申请的权益
本申请要求 2009 年 8 月 31 日提交的标题为 “具有多视场的极宽带紧凑光学系统” 的美国专利申请 No.12/550962 的权益， 该美国专利申请 No.12/550962 要求 2009 年 6 月 19 日提交的标题为 “具有多视场的极宽带紧凑光学系统” 的美国临时申请 No.61/218,577 的 权益。
技术领域
本发明涉及具有紧凑的全反射设计的光学系统， 该设计具有用于对物体成像的多 视场。该光学系统也具有相同的观察方向， 且可具有用于增加激光测距和指示部件的若干 不同配置。 背景技术 成像检测器技术的进步开创了新的光学设计空间。 最新发展包括将以前仅可利用 单独的成像检测器实现的功能 ( 白天 / 夜间 / 全天候成像 ) 进行组合。例如， 现在的单个 成像检测器能够从 0.9μm 到 5μm 或 3μm 到 12μm 成像。以前， 这些波段被分为两个单独 的更小的波段 ( 短波长红外 (SWIR) 和中波长红外 (MWIR) 或 MWIR 和长波长红外 (LWIR))， 这两个更小的波段需要使用两个单独的成像检测器。在这些较小波长范围中， 典型地， 优 选用于各个单独波段的折射光学系统。然而， 因为成像检测器的带宽增加从而光学系统的 带宽增加， 能在该增加的频谱范围上传输的可用折射光学材料有限。此外， 现有的材料使 得其难以提供颜色校正。例如， 当从 SWIR 移动到 MWIR 时， 冕玻璃 (crown) 转变成燧石玻 璃 (flint) 以及燧石玻璃转变成冕玻璃。这使得设计用于整个波段的可与新的成像检测器 一起使用的紧凑轻便的折射光学系统具有挑战性。另外， 诸如多成像视场， 掌上操作， 以及 100％冷屏蔽之类的附加特征使得设计符合增加的光谱带宽需求之上的所有规范的折射光 学系统更加困难。因此， 需要一种光学系统以解决与传统折射光学系统相关联的缺点。本 发明的光学系统和方法能够满足该需要和其他需要。
发明内容 在一个方面中， 本发明提供一种适于在窄视场模式或宽视场模式下操作以对物体 成像的光学系统 ( 全反射式望远镜 )。 该光学系统包括 ： (a) 第一 ( 大 ) 输入孔径 ； (b) 第二 ( 小 ) 输入孔径 ； (c) 反射式扩束器 ； (d) 反射式成像器 ； (e) 可移动的视场改变反射镜 ； 以 及 (f) 成像检测器。在窄视场模式下 ： (i) 可移动的视场改变折叠反射镜位于光束路径外 ； (ii) 反射式成像器接收穿过第一输入孔径的第一光束 ； 以及 (iii) 成像设备接收穿过反射 式成像器的第一光束并对物体成像。在宽视场模式下 ： (i) 反射式扩束器接收穿过第二输 入孔径的第二光束 ； (ii) 可移动的视场改变折叠反射镜位于光束路径中， 并且接收和反射 穿过反射式扩束器的第二光束 ； (iii) 反射式成像器接收从可移动的视场改变折叠反射镜 反射的第二光束 ； 以及 (iv) 成像检测器接收穿过反射式成像器的第二光束并对物体成像。
如果需要， 该光学系统可具有用于增加激光测距和指示部件的若干不同配置。
在另一方面， 本发明提供了一种用于对物体成像的方法。该方法包括以下步骤 ： (a) 提供光学系统 ( 全反射式望远镜 )， 该光学系统包括第一 ( 大 ) 输入孔径、 第二 ( 小 ) 输 入孔径、 反射式扩束器、 反射式成像器、 可移动的视场改变反射镜和成像检测器 ； (b) 在窄 视场模式下操作光学系统以对物体成像， 其中 ： (i) 可移动的视场改变折叠反射镜位于光 束路径外 ； (ii) 反射式成像器接收穿过第一输入孔径的第一光束 ； 以及 (iii) 成像设备接 收穿过反射式成像器的第一光束并对物体成像 ； 以及 (c) 在宽视场模式下操作光学系统以 对物体成像， 其中 ： (i) 反射式扩束器接收穿过第二输入孔径的第二光束 ； (ii) 可移动的视 场改变折叠反射镜位于光束路径中， 并且接收和反射穿过反射式扩束器的第二光束 ； (iii) 反射式成像器接收从可移动的视场改变折叠反射镜反射的第二光束 ； 以及 (iv) 成像检测 器接收穿过反射式成像器的第二光束并对物体成像。如果需要， 光学系统可具有用于增加 激光测距和指示部件的若干不同配置。
本发明另外的方面将在随后的详细描述、 附图和任一权利要求中部分地陈述， 且 可根据该详细描述部分地被推导出， 或可通过实践本发明而部分地获知。应当理解上述一 般描述和以下详细说明仅是示例性和说明性的， 而不限制所公开的本发明。 附图简述
可通过参考以下详细描述并结合附图来更彻底地理解本发明， 其中 ：
图 1A-1C 是示出根据本发明的第一实施例的光学系统的基本部件的简图 ；
图 2A-2C 是示出根据本发明的第二实施例的光学系统的基本部件的简图 ；
图 3 是示出根据本发明的第三实施例的光学系统的简图 ；
图 4 是示出根据本发明的另一实施例的在图 1 中所示光学系统的简图， 其进一步 包括激光器 ( 测距仪 - 指示器 ) ；
图 5A 和 5B 是示出根据本发明的又一实施例的在图 2A-2C 中所示的光学系统的简 图， 其进一步包括激光器 ( 测距仪 - 指示器 ) ； 以及
图 6 是示出根据本发明再一实施例的在图 2A-2C 中所示的光学系统的简图， 其进 一步包括激光器 ( 测距仪 - 指示器 )。
具体实施方式
参照图 1A-1C， 示出了根据本发明的第一实施例的光学系统 100( 反射式望远镜 100)。在图 1A 中， 光学系统 100 包括第一 ( 大 ) 输入孔径 102、 第二 ( 小 ) 输入孔径 104、 反射式扩束器 106( 例如， 增强的无焦 (afocal) 三镜消像散镜 106)、 反射式成像器 108( 例 如， 有焦三镜消像散镜 108)、 可移动的视场改变反射镜 110 以及成像检测器 112。 如果需要， 光学系统 100 可被封装在电光万向架组件 114 中。
光学系统 100 适合于在窄视场 (NFOV) 模式 ( 例如， 1° -4° ) 或宽视场 (WFOV) 模 式 ( 例如， 4° -20° ) 下操作以对物体 ( 未示出 ) 成像。例如， 当可移动的视场改变反射镜 110 位于光束路径外时 ( 见虚线 )， 有焦三镜消像散镜通过大输入孔径 102 将物体的窄视场 成像到成像检测器 112 上 ( 见图 1B)。当可移动的视场改变反射镜 110 翻转到无焦三镜消 像散镜 106 与有焦三镜消像散镜 108 之间的位置时， 穿过较小输入孔径 104 的物体的较宽 视场被成像到同一成像检测器 112 上 ( 见图 1C)。窄视场和宽视场之间的视场比例取决于无焦三镜消像散镜 106 的无焦放大率。无焦三镜消像散镜 106 的特殊紧凑折叠配置允许两 个视场均在相同的方向朝物体 “观看” 。
在图 1B 中， 光学系统 100 被示为配置在 NFOV 模式下， 在该模式期间可移动的视场 改变反射镜 110 位于光束路径外， 因此物体的窄视场被成像到成像检测器 112 上。在该配 置中， 光学系统 100 被示为从物体 ( 未示出 ) 接收穿过第一 ( 大 ) 输入孔径 102 的入射光 束 150a( 光束 150a)。光束 150a 被主反射镜 108a( 例如， 主非球面凹面镜 108a) 反射， 这使 得光束 150a 会聚为光束 150b。光束 150b 入射在第二反射镜 108b( 例如， 第二非球面凸面 镜 108b) 上， 该第二反射镜 108b 反射形成中间像 152 的会聚光束 150c， 接着光束 150c 发 散并入射在第三反射镜 108c( 例如， 第三非球面反射镜 108c) 上。第三反射镜 108c 接收发 散光束 150c 并反射会聚光束 150d， 该会聚光束 150d 形成可访问 (accessible) 的出射光 瞳 154。从出射光瞳 154， 光束 150d 会聚并入射在成像检测器 112 上。成像检测器 112 分 析光束 150d 并提供物体的窄视场像。为了清楚起见， 图 1B 未示出与物体的宽视场 ( 下文 所讨论的 ) 相关联的入射光束 160a( 光束 160a)。
在图 1C 中， 光学系统 100 被示为配置在 WFOV 模式下， 在该模式期间可移动的视场 转换反射镜 110 位于无焦三镜消像散镜 106 和有焦三镜消像散镜 108 之间， 因此物体的宽 视场被成像在成像检测器 112 上。在该配置中， 光学系统 100 被示为接收来自物体 ( 未示 出 ) 的穿过第二 ( 小 ) 输入孔径 104 的入射光束 160a( 光束 160a)。光束 160a 入射在第三 反射镜 106a( 例如， 第三非球面反射镜 106a) 上， 第三反射镜 106a 反射会聚光束 160b， 该 会聚光束 160b 形成中间像 162， 然后会聚并入射在折叠反射镜 106b( 可以是非球面折叠反 射镜 106b 以获得更宽的视场 ) 上。中间像 162 可能位于折叠反射镜 106b 的任一侧。折叠 反射镜 106b 反射发散光束 160c， 该发散光束 160c 入射在第二反射镜 106c( 例如， 第二非 球面反射镜 106c) 上， 该第二反射镜 106c 反射发散光束 160d。光束 160d 入射在主反射镜 106d( 例如， 主非球面反射镜 106d) 上， 该主反射镜 106d 向可移动的视场改变反射镜 110 反 射准直光束 160e。可移动的视场改变反射镜 110 反射光束 160f， 该光束 160f 入射在主反 射镜 108a 上。主反射镜 108a 反射光束 160f 以形成会聚光束 160g。光束 160g 入射在第二 反射镜 108b 上， 该第二反射镜 108b 反射会聚光束 160h， 该会聚光束 160h 形成中间像 164， 然后光束 160h 发散并入射在第三反射镜 108c 上。第三反射镜 108c 接收发散光束 160h 并 反射会聚光束 160i， 该会聚光束 160i 形成可访问的出射光瞳 166。从出射光瞳 166， 光束 160i 会聚并入射在成像检测器 112 上。成像检测器 112 分析光束 160i 并提供物体的宽视 场像。为了清楚起见， 图 1C 未示出与物体的窄视场相关联的入射光束 150a( 光束 150a)。
示例性光学系统 100 的规格数据由以下表 1-6 提供。表 1-3 呈现了示例性的无焦 三镜消像散镜 106 的表面规格数据， 该三镜消像散镜 106 具有 4 倍放大率、 12.5mm 的入射光 瞳直径和 4° x 4°的视场。在表 1 中， 所有尺寸都以毫米为单位给出。
表1：
在表 1 中， 元件编号 1-4 分别对应于第三反射镜 106a、 折叠反射镜 106b、 第二反射 镜 106c 以及主反射镜 106d。 “偏心” (D(j)) 定义了新坐标系 ( 移位和 / 或旋转 )， 新坐标 系被用于定义光学系统 100 的表面。厚度表示到下一表面的轴向距离。A(i) 表示由以下等 式和表 2 所定义的非球面反射镜 i。
表2：
在表 3 中， 给出了偏心系数据， 其中由角度 α、 β、 γ( 度 ) 定义倾斜配置， 以遵循 标准笛卡尔 (cartesian) 坐标系命名原则。尾码 BEND 表示依照反射使坐标系倾斜与所讨 论表面的倾斜相等的量。
表3：
表 4-6 呈现了示例性的有焦三镜消像散镜 108 的表面规格数据， 该三镜消像散镜 108 具有 200mm 的有效焦距 (EFL)、 F/4 和 1° x 1°的视场。在表 4 中， 所有尺寸规格以毫 米为单位给出。
表4：
在表 4 中， 元件编号 1-3 分别对应于主反射镜 108a、 第二反射镜 108b 和第三反射 镜 108c。 “偏心” (D(j)) 定义了新坐标系 ( 移位和 / 或旋转 )， 新坐标系被用于定义光学系 统 100 的表面。厚度表明到下一表面的轴向距离。A(i) 表示由以下等式和表 5 所定义的非 球面反射镜 i。
表5：
在表 6 中， 给出偏心系统数据， 其中由角度 α、 β、 γ( 度 ) 定义倾斜配置以便遵循 标准笛卡尔坐标系命名原则。尾码 RETU 表示返回偏心之前的坐标系。
表6：
参照图 2A-2C， 示出了根据本发明的第二实施例的光学系统 200( 反射式望远镜 200)。在图 2A 中， 光学系统 200 包括第一 ( 大 ) 输入孔径、 第二 ( 小 ) 输入孔径 204、 反射 式扩束器 206( 例如， 增强的无焦三镜消像散镜 206)、 反射式成像器 208( 例如， 增强的有焦 三镜消像散镜 208)、 可移动的视场改变反射镜 210， 以及成像检测器 212。 如果需要， 光学系 统 200 可被封装在电光万向架组件 214 中。
光学系统 200 适合于在窄视场 (NFOV) 模式 ( 例如， 1° -4° ) 或宽视场 (WFOV) 模 式 ( 例如， 4° -20° ) 中操作以对物体 ( 未示出 ) 成像。例如， 当可移动的视场改变反射镜
210 位于光束路径外时 ( 见虚线 )， 有焦三镜消像散镜 208 通过大的输入孔径 202 将物体的 窄视场成像到成像检测器 212 上 ( 见图 2B)。当可移动的视场改变反射镜 210 翻转到无焦 三镜消像三镜 206 和有焦三镜消像散镜 208 之间的位置时， 穿过较小输入孔径 204 的物体 的较宽视场被成像到相同的成像检测器 212 上 ( 见图 2C)。窄视场和宽视场之间的视场比 例取决于无焦三镜消像散镜 206 的无聚焦放大率。无焦三镜消像散镜 206 的专用紧凑折叠 配置允许两个视场在相同方向上朝物体 “观看” 。
在图 2B 中， 光学系统 200 被示为配置在 NFOV 模式， 在该模式期间可移动的视场改 变反射镜 210 位于光束路径外， 因此物体的窄视场被成像到成像检测器 212 上。在该配置 中， 光学系统 200 被示为接收来自物体 ( 未示出 ) 的穿过第一 ( 大 ) 输入孔径 202 的入射 光束 250a( 光束 250a)。光束 250a 由主反射镜 208a( 例如， 主非球面凹面镜 208a) 反射， 使 得光束 250a 会聚为光束 250b。光束 250b 入射在第二反射镜 208b( 例如， 第二非球面凸面 镜 208b) 上， 第二反射镜 208b 反射形成中间像 252 的会聚光束 250c， 然后光束 250c 发散并 入射在折叠反射镜 208c( 可以是非球面折叠反射镜 208c 以获得更宽的视场 ) 上。折叠反 射镜 208c 接收发散光束 250c 并向第三反射镜 208d( 例如， 第三非球面反射镜 208d) 反射 会聚光束 250d， 第三反射镜 208d 反射会聚光束 250e， 该会聚光束 250e 形成可访问的出射 光瞳 254。从出射光瞳 254， 光束 250e 会聚并入射在成像检测器 212 上。成像检测器 212 分析光束 250e 并提供物体的窄视场像。为了清晰起见， 图 2B 未示出与物体的宽视场 ( 下 文所讨论的 ) 相关联的入射光束 260a( 光束 260a)。 在图 2C 中， 光学系统 200 被示为配置在 WFOV 模式， 在该模式期间可移动的视场改 变反射镜 210 位于无焦三镜消像散镜 206 和有焦三镜消像散镜 208 之间， 因此物体的宽视 场被成像在成像检测器 212 上。在该配置中， 光学系统 200 被示为从物体 ( 未示出 ) 接收 穿过第二 ( 小 ) 输入孔径 204 的入射光束 260a( 光束 260a)。光束 260a 入射在第三反射 镜 206a( 例如， 第三非球面反射镜 206a) 上， 第三反射镜 206a 反射会聚光束 260b， 该会聚光 束 260b 形成中间像 262， 随后会聚并入射在折叠反射镜 206b 上。折叠反射镜 206b 反射发 散光束 260c， 光束 260c 入射在第二反射镜 206c( 例如， 第二非球面反射镜 206c) 上， 第二 反射镜 206c 反射发散光束 260d。光束 260d 入射在主反射镜 206d( 例如， 主非球面反射镜 206d) 上， 主反射镜 206d 向可移动的视场改变反射镜 210 反射准直光束 260e。可移动的视 场改变反射镜 210 反射光束 260f 使其入射在主反射镜 208a 上。主反射镜 208a 反射光束 260f 以形成会聚光束 260g。 光束 260g 入射在第二反射镜 208b 上， 第二反射镜 208b 反射形 成中间像 264 的会聚光束 260h， 然后光束 260h 发散并入射在折叠反射镜 208c 上。折叠反 射镜 208c 接收发散光束 260h 并向第三反射镜 208d 反射发散光束 260i， 第三反射镜 208d 反射会聚光束 260j 形成可访问的出射光瞳 266。从出射光瞳 266， 光束 260j 会聚并入射在 成像检测器 212 上。成像检测器 212 分析光束 260j 并提供物体的窄视场像。为了清晰起 见， 图 2C 未示出与物体的窄视场相关联的入射光束 250a( 光束 250a)。
示例性光学系统 200 的规格数据由以下表 7-12 提供。表 7-9 呈现了示例性的无 焦三镜消像散镜 206 的表面规格数据， 该三镜消像散镜 206 具有 4 倍放大率、 12.5mm 的入射 光瞳直径和 8° x 8°的视场。在表 7 中， 所有尺寸以毫米为单位给出。
表7：
在表 7 中， 元件编号 1-4 分别对应于第三反射镜 206a、 折叠反射镜 206b、 第二反射 镜 206c 以及主反射镜 206d。 “偏心” (D(j)) 定义了新坐标系 ( 移位和 / 或旋转 )， 新坐标 系被用于定义光学系统 200 的表面。厚度表明到下一表面的轴向距离。A(i) 表示由以下等 式和表 8 所定义的非球面反射镜 i。
表8：
在表 9 中， 给出偏心系统数据， 其中由角度 α、 β、 γ( 度 ) 定义倾斜配置以便遵循 标准笛卡尔坐标系统。后面的编码 BEND 表示依照反射使坐标系统倾斜与所讨论的表面的 倾斜相等的量。
表9：
表 10-12 呈现了示例性的增强的有焦三镜消像散镜 208 的表面规格数据， 该三镜 消像散镜 208 具有 200mm 的有效焦距 (EFL)、 F/4 和 2° x 2°的视场。在表 10 中， 所有尺 寸以毫米为单位给出。
表 10 ：
在表 10 中， 元件编号 1-4 分别对应于主反射镜 208a、 第二反射镜 208b、 折叠反射 镜 208c 以及第三反射镜 208d。 “偏心” (D(j)) 定义了新坐标系 ( 移位和 / 或旋转 )， 新坐 标系被用于定义光学系统 200 的表面。厚度表示到下一表面的轴向距离。A(i) 表示由以下 等式所定义的非球面反射镜 i。
其中， 在表 11 中给出了基本曲率 (CURV) 和非球面常量 K、 A、 B、 C 和 D。 表 11 ：在表 12 中， 给出偏心系统数据， 其中由角度 α、 β、 γ( 度 ) 定义倾斜配置以便遵 循标准笛卡尔坐标系命名原则。尾码 BEND 表示依照反射使坐标系统倾斜与所讨论表面的 倾斜相等的量。尾码 RETU 表示返回偏心之前的坐标系。
表 12 ：
参照图 3， 其是示出根据本发明的第三实施例的光学系统 200′的示意图。类似于 光学系统 200， 光学系统 200′包括第一 ( 大 ) 输入孔径 202、 第二 ( 小 ) 输入孔径 204、 反 射扩束器 206( 第三反射镜 206a、 折叠反射镜 206b、 第二反射镜 206c 和主反射镜 206d)、 反 射式成像器 208( 主反射镜 208a、 第二反射镜 208b、 折叠反射镜 208c 和第三反射镜 208d)、 可移动的视场改变反射镜 210 和成像检测器 212。光学系统 200′封装在电光万向架组件 214 内。 然而， 光学系统 200′还包括接收来自第三反射镜 208d 的光束 250e 或 260j 的附加 折叠反射镜 302( 在反射式成像器 208 中 )。附加折叠反射镜 302 反射光束 250e 或 260j， 光束 250e 或 260j 形成可访问的出射光瞳 268 并随后在被成像检测器 212 接收前会聚。
参照图 4， 其是示出根据本发明的另一实施例的包括激光器 400( 测距仪 - 指示器 400) 的光学系统 100′的示意图。 类似于光学系统 100， 光学系统 100′包括第一 ( 大 ) 输入 孔径 102、 第二 ( 小 ) 输入孔径 104、 反射式扩束器 106( 第三反射镜 106a、 折叠反射镜 106b、 第二反射镜 106c 和主反射镜 106d)、 反射式成像器 108( 主反射镜 108a、 第二反射镜 108b、 第三反射镜 108c)、 可移动的视场改变反射镜 110 和成像检测器 112。光学系统 100′被封 装在电光万向架组件 114 内。因此， 光学系统 100′还包括发射激光束 402 的激光器 400， 激光光束 402 被可移动的视场改变折叠反射镜 110 反射并通过第一输入孔径 102 朝向物体 ( 例如， 目标 ) 传播。此外， 指向物体 ( 例如， 目标 ) 的一部分激光束 402 将被物体 ( 例如， 目标 ) 反射， 随后在第一输入孔径 102 处被接收并被引导至可移动的视场改变折叠反射镜 因此， 从物 110， 并从可移动的视场转换折叠反射镜 110 向激光器 400 中的检测器 404 反射。 体 ( 例如， 目标 ) 反射的激光束 402′将有效地沿着与所发射的激光束 402 的路径反向的路 径。在一个应用中， 激光器 400 能够被用于通过测量激光束 402 和 402′从激光器 400 到物 体 ( 例如， 目标 ) 和返回至激光器 400 的往返所需的时间来对物体测距。在另一应用中， 从 反射式望远镜 100’ 发射的激光束 402 可被用于指示—加亮物体 ( 例如， 目标 )， 因此一物件 ( 例如激光制导武器 ) 能够识别高亮物体 ( 例如， 目标 )。可见， 只有当光学系统 100′在宽 视场模式操作时， 在该模式期间可移动的视场改变反射镜 110 翻转到反射式扩束器 106 和 反射式成像器 108 之间的位置， 激光器 400 才能够被使用。如果需要， 激光器 400 可被利用 并定位在以上参照图 2A-2C 和 3 所描述的光学系统 200 和 200′的相同的位置。
参照图 5A 和 5B， 其是示出根据本发明的又一实施例的包括激光器 500( 测距 仪 - 指示器 500) 的光学系统 200″的示意图。类似于光学系统 200， 光学系统 200″包括 第一 ( 大 ) 输入孔径 202、 第二 ( 小 ) 输入孔径 204、 反射式扩束器 206( 第三反射镜 206a、 折叠反射镜 206b、 第二反射镜 206c 和主反射镜 206d)、 反射式成像器 208( 主反射镜 208a、 第二反射镜 208b、 凹槽分束器 208c′ ( 用于代替折叠反射镜 208c) 和第三反射镜 208d)、 可移动的视场改变反射镜 210 和成像检测器 212。光学系统 200″封装在电光万向架组件 214 内。 然而， 光学系统 200″还包括激光器 500 并使用凹槽分束器 208c′代替折叠反射镜 208。相对于反射光束 250d 和 260i( 见图 2B 和 2C)， 凹槽分束器 208c′的功能与折叠反射
镜 208 一样， 但也允许激光器 500 通过凹槽分束器 208c′发射和接收激光束 502 和 502′， 如下文所讨论。为了清楚起见， 图 5A 和 5B 未示出光束 250a、 250b...250e 和光束 260a、 260b...260j。
在图 5A 中， 光学系统 200″被示为配置在 NFOV 模式， 在该模式期间可移动的视场 改变反射镜 210 位于光束路径外， 因此物体的窄视场被成像到成像检测器 212 上 ( 参见之 前与光学系统 200 相关联的讨论 )。 此外， 激光器 500 发射激光束 502， 激光束 502 在穿过第 一输入孔径 202 朝向物体 ( 例如， 目标 ) 之前穿过凹槽分束器 208c′并被第二反射镜 208b 和主反射镜 208a 反射。此外， 被引导至物体 ( 例如， 目标 ) 的一部分激光束 502 将被物体 ( 例如， 目标 ) 反射， 随后在第一输入孔径 202 被接收并在穿过凹槽分束器 208c′并被激 光器 500 中的检测器 504 接收之前由主反射镜 208a 和第二反射镜 208b 反射。因此， 从物 体 ( 例如目标 ) 反射的激光束 502′会有效地沿着与所发射的激光束 502 的路径相反的路 径。在一个应用中， 激光器 500 能够被用于通过测量激光束 502 和 502′从激光器 500 到物 体 ( 例如， 目标 ) 和返回至激光器 500 的往返所需的时间来对物体 ( 例如， 目标 ) 测距。在 另一应用中， 从反射式望远镜 200″发射的激光束 502 可被用于指示—加亮物体 ( 例如， 目 标 )， 因此一物件 ( 例如， 激光制导武器 ) 是能够识别高亮物体 ( 例如， 目标 )。如果需要， 激光器 500 和凹槽分束器 208c′可被利用并定位在以上参照图 3 所描述的光学系统 200′ 中的相同的位置。 在图 5B 中， 光学系统 200″被示为配置在 WFOV 模式， 在该模式期间可移动的视场 改变反射镜 210 位于无焦三镜消像散镜 206 和有焦三镜消像散镜 208 之间， 因此物体的宽 视场被成像在成像检测器 212 上 ( 见之前与光学系统 200 有关的讨论 )。此外， 激光器 500 发射激光束 502， 激光束 502 在穿过第二输入孔径 204 朝向物体 ( 例如， 目标 ) 之前穿过凹 槽分束器 208c′并被第二反射镜 208b、 主反射镜 208a、 可移动的视场改变反射镜 210、 主反 射镜 206d、 第二反射镜 206c、 折叠反射镜 206b 和第三反射镜 206a 反射。然后， 被引导至物 体 ( 例如， 目标 ) 的激光束 502 的一部分将被物体 ( 例如， 目标 ) 反射， 以及随后在第二输入 孔径 202 处被接收并在穿过凹槽分束器 208c′和被激光器 500 中检测器 504 接收之前被引 导至第三反射镜 206a、 折叠反射镜 206b、 第二反射镜 206c、 主反射镜 206d、 可移动的视场改 变反射镜 210、 主反射镜 208a、 第二反射镜 208b。因此， 从物体 ( 例如目标 ) 反射的激光束 502′会有效地沿着与所发射的激光束 502 相反的路径。在一个应用中， 激光器 500 能够被 用于通过测量激光束 502 和 502′从激光器 500 到物体 ( 例如， 目标 ) 和返回至激光器 500 的往返所需的时间来对物体 ( 例如， 目标 ) 测距。在另一应用中， 从反射式望远镜 200″发 射的激光束 502 可被用于指示—加亮物体 ( 例如， 目标 )， 以使一物件 ( 例如， 激光制导武 器 ) 能够识别该高亮物体 ( 例如， 目标 )。
参照图 6， 其是示出根据本发明的又一实施例的包括激光器 600( 测距仪 - 指示器 600) 的光学系统 200″′的示意图。 类似于光学系统 200， 光学系统 200″′包括第一 ( 大 ) 输入孔径 202、 第二 ( 小 ) 输入孔径 204、 反射式扩束器 206( 第三反射镜 206a、 折叠反射镜 206b、 第二反射镜 206c 和主反射镜 206d)、 反射式成像器 208( 主反射镜 208a、 第二反射镜 208b、 折叠反射镜 208c 和第三反射镜 208d)、 可移动的视场改变反射镜 210 和成像检测器 212。光学系统 200″′封装在电光万向架组件 214 内。然而， 光学系统 200″′还包括激 光器 600， 该激光器 600 通过输出口 604 朝向物体 ( 例如目标 ) 发射激光束 602。然后， 被
引导至物体 ( 例如， 目标 ) 的激光束 602 的一部分在被成像检测器 212 接收之前将被物体 ( 例如， 目标 ) 反射， 以及随后在第一和第二输入孔径 202 和 204 处被接收。
具体而言， 如果光学系统 200 ″′在 NFOV 模式， 那么从物体 ( 例如， 目标 ) 反射 并通过第一输入孔径 202 接收的激光束 602 ′在被成像检测器 212 接收之前被主反射镜 208a、 第二反射镜 208b、 折叠反射镜 208c 和第三反射镜 208d 反射。如果光学系统 200″′ 处于 WFOV 模式， 那么从物体 ( 例如， 目标 ) 反射并通过第二输入孔径 204 接收的激光束 602 ′在被成像检测器 212 接收之前由第三反射镜 206a、 折叠反射镜 206b、 第二反射镜 206c、 主反射镜 206d、 可移动的视场改变反射镜 210、 主反射镜 208a、 第二反射镜 208b、 折叠 反射镜 208c 和第三反射镜 208d 反射。在一个应用中， 激光器 600 能够被用于通过测量激 光束 602 和 602′从激光器 600 到物体 ( 例如， 目标 ) 和返回至成像检测器 212 的往返所需 的时间来对物体 ( 例如， 目标 ) 测距。在另一应用中， 从反射式望远镜 200″′发射的激光 束 602 可被用于指示—加亮物体 ( 例如， 目标 )， 以使一物件 ( 例如， 激光制导武器 ) 能够识 别该高亮物体 ( 例如， 目标 )。
由上可知， 应当容易理解， 本发明涉及紧凑型、 全反射式光学系统 100、 200 和 200′， 这些光学系统 100、 200 和 200′具有用于相同观察方向成像的多视场并能够包括多 种不同激光测距配置和指示部件。如上所述， 本发明将反射式扩束器 106 和 206( 包括折叠 无焦 TMA( 三镜消像散镜 )) 与反射式成像器 108 和 208( 包括折叠的或非折叠的有焦 TMA) 相组合以提供宽带多视场的光学系统 100、 200 和 200′。光学系统 100、 200 和 200′是全 反射的以便于其能够在任何波段上成像而没有色差。光学系统 100、 200 和 200′的折叠架 构适用于其中 “紧凑” 和 “轻型” 是期望特征和要求的应用。
在主要配置中， 无焦 TMA 106 和 206 是被用作宽视场操作模式的反射式扩束器的 三镜系统 ( 主、 第二、 第三 )。 窄视场和宽视场成像模式之间的视场比例取决于无焦 TMA 106 和 206 的无焦放大率。向无焦 TMA 106 和 206 添加折叠反射镜 106b 和 206b 允许光学系统 100、 200 和 200′折叠成更紧凑的结构， 以使得两个视场在相同方向 “观看” 。为了提高放大 率和 / 或改进成像性能， 附加的折叠反射镜 106b 和 206b 能够被允许具有放大率和 / 或为 非球面。
在主要配置中， 有焦 TMA 108 和 208 也是三镜系统 ( 主、 第二、 第三 ) 并具有可访 问的外部光瞳 154、 166、 254 和 266， 以便获得 100％冷阑效率 (cold stop efficiency)。 向 有焦 TMA 208 添加一个或多个折叠反射镜 208c 和 208e 允许光学系统 200 和 200′折叠成 具有更好访问的冷阑和像平面的更紧凑的配置。为了增加视场和 / 或改进成像性能， 折叠 反射镜 208c 和 208e 能够被允许具有放大率和 / 或为非球面。在两个 TMA 106、 108、 206 和 208 之间的可移动的折叠切换反射镜 110 和 210 允许在 NFOV 模式操作和 WFOV 模式操作之 间选择。可移动的折叠切换反射镜 110 和 210 可通过包括例如压电机构之类的多种机构中 的任一机构来移动。
包括允许测距仪 400 或其他类似设备通过利用可移动的视场改变折叠反射镜 110 的背侧来从窄视场窗口 102 向外观看的附加特征 ( 见图 4)。此外， 为了最大化激光器测距 仪 / 指示器操作的共同孔径， 可以用透射激光器波长并反射所有其他操作波长的凹槽光谱 分束器 208c′来代替有焦 TMA 208 中的折叠反射镜 208c( 见图 5A-5B)。作为选择， 激光器 600 的独立的透射孔径 604 可被用于同时接收具有所有操作成像功能的激光器测距仪和 /或指示器 ( 见图 6)。
反射式扩束器 106 和 206 的其他选择包括包含用于较小放大率范围的两个共焦抛 物线的梅森 (Mersenne) 式设计和用于增加的放大率的折叠无焦史瓦西 (Schwartzchild) ( 类似于所提出的无焦 TMA 的具有抛物线准直器和折叠反射镜配置的两反射镜史瓦西 )。 应 当注意的是， 在本发明中， 无焦 TMA 106 和 206 被用于与典型的应用相比不同的方向， 在所 述典型的应用中它们作为为不同波段的检测器提供多个成像路径的缩束器。
反射式成像器 108 和 208 的其他选择包括诸如卡塞格伦 (Cassegrain)、 格列高利 (Gregorian)、 施密特 (Schmidt) 等的用于较窄视场操作的标准两镜系统， 或如果 100％冷 阑效率不需要可访问的光瞳平面， 那么可使用不具有中间像的反射式三合镜 (RT) 来获得 更宽的视场。
下面是与本发明相关的一些示例性的优点和示例性的特征 ：
●在成像路径中没有折射部件 ( 在不需要色彩校正的情况下允许更大带宽 )。
●紧凑的折叠架构。
●轻型。
● 100％冷屏蔽效率的外部光瞳。
●多视场操作。
●小封装结构中的长焦距。
●能够在同一检测器上同时观察操作场景和激光器测距仪 / 指示器。
●包含激光器测距仪 / 指示器的多功能性。
●由于最少的移动部件， 降低视场之间的瞄准偏差。
●所有视场 ( 和激光器 ) 具有相同的观察方向。
●全反射设计允许同时在任何天气和日间 / 夜间条件下操作。
●除去反射部件和垂直入射部件使光截面最小化并改善激光器的对抗性能。
●简单的反射涂层代替折射部件上所需的复杂的、 多层的介电涂层。
●高透射。
虽然已经在附图中示出了和在以上详细描述中描述了本发明的多个实施例， 但应 当理解， 本发明不限于所公开的实施例， 而能对本发明进行大量的重新排列、 修改和替换， 且不背离由所附权利要求所陈述和限定的本发明的精神。