CN101893757A - 一种中红外成像光学系统 - Google Patents

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Abstract

一种中红外成像光学系统，包括位于同一光轴OO′的前组镜头、后组镜头以及探测器，目标经前组镜头成一次实像于后组镜头前，一次实像经后组镜头二次成像于焦平面，前组镜头焦距为50mm，总焦距为200mm；后组镜头放大率为4；其一次像距每减小1个单位，则像面增加约16个单位；探测器为致冷探测器。本发明小巧紧凑、且像质良好；本发明通过控制后组位置来补偿由于温度变化引起的离焦，从而使系统可在很大温度范围正常工作，而不需重新调焦。

Description

一种中红外成像光学系统
技术领域
本发明涉及一种成像光学系统，具体涉及一种中红外成像光学系统。
背景技术
广义上讲，波长从0.9微米到1000微米电磁辐射都可称之为红外辐射。大气对于不同波段的红外辐射透过率是不同的，一般说来对于红外辐射有两个波段透过率较高，一个是3微米到5微米，称之为中红外波段；另一个是8微米到12微米，称之为热红外波段。
同可见光辐射一样，红外辐射也是一种电磁波，只不过波长更长一些。红外辐射也同样遵守反射定律和折射定律，因此同样可以像可见光一样通过光学系统成像。
红外成像同可见光成像也有许多明显不同之处：首先从目标特性来说，红外辐射由目标自身辐射而出，是一种被动成像系统；可见光则是由目标反射其他光源(如太阳)的辐射，属于主动成像系统；其次，红外成像系统的探测器经常需要制冷，一般采取的方式是探测器内置冷光阑。探测器制冷可以大大降低暗电流，提高探测器灵敏度。探测器内的冷光阑的作用是拦掉视场外的杂散辐射，从而提高信噪比，所谓100％冷光阑效率的意思是指冷光阑拦掉所有的杂散辐射，最后探测器的辐射全部来自目标。
在红外光学系统设计中实现100％冷光阑效率大大提到图像对比度和信噪比，从而提高图像质量。但是，如果光学系统出瞳和冷光阑位置相差太远，就很难实现100％冷光阑效率，或者实现了100％冷光阑效率，但是导致光学系统实际口径远大于光学系统的理论口径。要实现光学系统出瞳和冷光阑位置匹配，经常通过二次成像，并在一次焦点附近设置场镜来实现。
在红外光学系统中，由于红外光学材料的折射率对温度变化非常敏感，导致了红外光学系统对温度非常敏感。常用的红外材料如：锗的折射率对温度系数(dn/dT)为400×10-6/K，硅的dn/dT约为160×10-6/K，硫化锌的dn/dT约为30×10-6/K。而对于可见光材料典型的如Bk7，其dn/dT约为1.5×10-6/K。从以上数据可以看出，红外材料的dn/dT比可见光大一到两个数量级。所以设计红外光学系统时，必须考虑温度对光学系统的影响。一般采用所谓无热化的红外光学系统就是采取某种补偿方法来抵消温度对光学系统的影响(一般对系统焦距和后截距的影响)。经常采用的方法有镜筒机械补偿和采用衍射光学元件(具有负的dn/dT)。镜筒机械补偿就是通过对不同光学间隔采用不同膨胀系数的材料的方法来补偿温度对光学系统的影响。由于材料膨胀系数都比较小，系统中必须要有一些元件，这些元件对光学系统由于温度变化引起的(焦距和后截距)的变化非常敏感，这样才能产生足够的补偿量补偿温度引起的变化。
对于口径较大的光学系统来说，其景深一般都比较小，这就意味着对于不同的物距，要调整焦面位置，来保证图像清晰。一般光学系统都是通过调整后截距(像面到最后一面距离)来调节像面位置。但是由于制冷型的红外探测器比较笨重(探测器位于杜瓦瓶内)，后截距调整起来非常困难，经常通过调整光学系统内部某一组镜片来实现对焦面位置的调整。
发明内容
本发明的目的在于提供一种中红外成像光学系统，其整个光学系统小巧紧凑、且像质良好，在16lp/mm时传递函数大于0.6，视场畸变小于5％；解决了背景技术中制冷探测器的光学系统后截距调整困难的技术问题，并且可以通过控制后组位置来补偿由于温度变化引起的离焦，从而使系统可在很大温度范围正常工作，而不需重新调焦。
本发明的技术解决方案是：
一种中红外成像光学系统，包括位于同一光轴OO′的前组镜头、后组镜头以及探测器，目标经前组镜头成一次实像于后组镜头前，一次实像经后组镜头二次成像于焦平面，其特殊之处在于：所述前组镜头焦距为50mm，总焦距为200mm；所述后组镜头放大率为4；其一次像距每减小1个单位，则像面增加约16个单位；所述探测器为致冷探测器。
上述前组镜头包括依次同向设置的四个镜，分别为前组一镜、前组二镜、前组三镜以及前组四镜；所述前组一镜、前组二镜以及前组四镜均为硅磨制而成的正光焦度弯月镜；所述前组三镜为锗磨制而成的负光焦度弯月镜。
上述后组镜头包括依次设置的后组一镜、后组二镜以及后组三镜；所述后组一镜与后组三镜均为一由硅磨制而成的正光焦度弯月镜，所述后组二镜为一由硅磨制而成的正光焦度平凸镜，所述后组一镜与后组三镜方向相反。
上述冷光阑探测器包括依次设置的探测器窗口、冷光阑、滤光片以及焦平面。
上述冷光阑探测器能实现100％冷光阑效率，成像效果佳。
本发明整个光学系统工作于中红外波段，焦距200mm，F数为2.5，全视场3.5°，第一面到像面总长100mm，系统第一面口径最大，为86mm；整个系统非常小巧紧凑，系统总长比焦距仅为1∶2，系统光学口径为80mm，而系统中口径最大镜片直径为86mm，具有大口径、小体积的优点；并且整个系统像质良好，在16lp/mm时传递函数大于0.6，视场畸变小于5％。
附图说明
图1是整个光学系统图；
图2是光学系统的像差曲线图；
图3是光学系统的球差、像散和畸变曲线图；
图4是光学系统的传递函数图。
具体实施方式
参见图1，一种中红外成像光学系统，包括位于同一光轴OO′的前组镜头、后组镜头以及探测器，目标经前组镜头成一次实像于后组镜头前，一次实像经后组镜头二次成像于焦平面，前组镜头焦距为50mm，总焦距为200mm；后组镜头放大率为4；其一次像距每减小1个单位，则像面增加约16个单位；所述探测器为冷光阑探测器，冷光阑探测器包括依次设置的探测器窗口、冷光阑、滤光片以及焦平面，冷光阑探测器能实现100％冷光阑效率，成像效果佳。
其中前组镜头包括依次同向设置的四个镜，分别为前组一镜、前组二镜、前组三镜以及前组四镜；前组一镜、前组二镜以及前组四镜均为一由硅磨制而成的正光焦度弯月镜；前组三镜为一由锗磨制而成的负光焦度弯月镜。
其中后组镜头包括依次设置的后组一镜、后组二镜以及后组三镜；所述后组一镜与后组三镜均为硅磨制而成的正光焦度弯月镜，后组二镜为硅磨制而成的正光焦度平凸镜，后组一镜与后组三镜方向相反。
工作时，目标经前组镜头成一次实像于后组镜头前，一次实像经后组镜头二次成像于焦平面。前组镜头焦距为50mm，总焦距为200mm，可得后组镜头放大率为4，一次像距每减小1个单位，则像面增加约16个单位，也就是说后组镜头每向前移动一个单位，像面向后移动约16个单位。由于后组镜头位置对于像面位置非常敏感，这对调节不同物距的造成离焦和由于温度变化引起的离焦补偿都是十分有利的。由于前组镜头焦距非常短，使得一次像面较小，此位置非常适合放置高低温标定黑体。

Claims (5)

1.一种中红外成像光学系统，包括位于同一光轴OO′的前组镜头、后组镜头以及探测器，目标经前组镜头成一次实像于后组镜头前，一次实像经后组镜头二次成像于焦平面，其特征在于：所述前组镜头焦距为50mm，总焦距为200mm；所述后组镜头放大率为4；其一次像距每减小1个单位，则像面增加约16个单位；所述探测器为致冷探测器。
2.根据权利要求1所述中红外成像光学系统，其特征在于：所述前组镜头包括依次同向设置的四个镜，分别为前组一镜、前组二镜、前组三镜以及前组四镜；所述前组一镜、前组二镜以及前组四镜均为硅磨制而成的正光焦度弯月镜；所述前组三镜为锗磨制而成的负光焦度弯月镜。
3.根据权利要求1所述中红外成像光学系统，其特征在于：所述后组镜头包括依次设置的后组一镜、后组二镜以及后组三镜；所述后组一镜与后组三镜均为硅磨制而成的正光焦度弯月镜，所述后组二镜为硅磨制而成的正光焦度平凸镜，所述后组一镜与后组三镜方向相反。
4.根据权利要求1～3任一所述中红外成像光学系统，其特征在于：所述冷光阑探测器包括依次设置的探测器窗口、冷光阑、滤光片以及焦平面。
5.根据权利要求4所述中红外成像光学系统，其特征在于：所述光学系统和制冷探测器匹配能实现100％冷光阑效率。
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