CN102043246B - 一种中红外成像系统 - Google Patents
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Abstract
一种中红外成像系统，包括位于同光轴的镜头和探测器，探测器从靠近镜头的一侧起依次包括探测器窗口、冷光阑以及成像焦面，镜头由六个镜片组成，具体的从远离探测器的一侧起依次包括第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片、第五镜片以及第六镜片；第一镜片是正光焦度的弯向物方的弯月镜；第二镜片是正光焦度的弯向像方的弯月镜；第三镜片是由锗磨制而成的负光焦度的弯向物方的弯月镜；第四镜片是正光焦度的弯向像方的弯月镜；第五镜片是由锗磨制而成的负光焦度的弯向像方的弯月镜；第六镜片是正光焦度的弯向像方的弯月镜。本成像系统是理想的物方远心，并且畸变小于万分之五，此系统非常适合于将中红外光纤传像束转换为电信号的耦合器件。
Description
技术领域
本发明是一种工作于中红外波段的成像光学系统，具体地说，是一种物距为有限远的、工作于中红外波段的、物方远心的、具有100％冷光阑效率、畸变非常小的光学系统。
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，并且探测器内置冷光阑。探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。
对于一个成像系统来说，大致可分为镜头和探测器两个部分。就镜头而言，目前主要问题还是镜头材料问题，表现为：材料种类少；价格昂贵；材料折射率对温度敏感。
发明内容
本发明的目的在于提供一种工作于中红外波段的光学系统，是一种物距为有限远的、物方远心的、具有100％冷光阑效率、畸变非常小的光学系统。
本发明的技术方案是：
一种中红外成像系统，包括位于同光轴的镜头和探测器，所述探测器从靠近镜头的一侧起依次包括探测器窗口、冷光阑以及成像焦面，
其特殊之处在于：
所述镜头由六个镜片组成，具体的从远离探测器的一侧起依次包括第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片、第五镜片以及第六镜片；对于一个非变焦镜头来说，设计完成后各镜片位置一般是固定的，对于本方案来说，由第一镜片、第二镜片、第三镜片以及第四镜片组成的前组和由第五镜片以及第六镜片组成的后组之间的位置可以微调，以调整焦面位置；
所述第一镜片是正光焦度的弯向物方的弯月镜；
所述第二镜片是正光焦度的弯向像方的弯月镜；
所述第三镜片是由锗磨制而成的负光焦度的弯向物方的弯月镜；
所述第四镜片是正光焦度的弯向像方的弯月镜；
所述第五镜片是由锗磨制而成的负光焦度的弯向像方的弯月镜；
所述第六镜片是正光焦度的弯向像方的弯月镜。
上述第一镜片、第二镜片、第四镜片以及第六镜片均是由硅磨制而成的镜片。
上述第一镜片的入射面距离物面80mm，其在焦平面成0.6倍的像。
本发明整个光学系统由六个镜片组成，其中四个硅镜片，两个锗镜片。工作时，物面距第一面80mm，经光学系统缩小0.6倍呈于焦平面。
由于是具有100％冷光阑效率，这是由镜头设计决定的，所谓100％冷光阑效率是指所有聚焦于焦面的光都是目标所发出的，系统完全去除背景的杂散辐射，从而可以大大提高图像对比度。
由于成像系统是理想的物方远心，并且畸变小于万分之五，所以此系统非常适合于将中红外光纤传像束转换为电信号的耦合器件。此系统物方数值孔径为0.133，这是镜头工作的条件，也是设计的给定条件，如果中红外传像束的光纤数值孔径大于光学系统物方数值孔径，则系统接受到信号完全是传像束的信号，由此可以大大提高信号耦合的效率。
附图说明
图1是整个光学系统侧视剖面图；
图2是光学系统传递函数曲线；
图3是光学系统像差曲线；
图4是光学系统球差曲线和畸变曲线；
其中a表示球差曲线、b表示畸变曲线。
附图标号说明：1-第一镜片，2-第二镜片，3-第三镜片，4-第四镜片，5-第五镜片，6-第六镜片，7-冷光阑，8-镜头，9-探测器。
具体实施方式
参见图1，一种中红外成像系统，包括位于同光轴的镜头8和探测器9，探测器9从靠近镜头8的一侧起依次包括探测器窗口、冷光阑7以及成像焦面，所述镜头8由六个镜片组成，具体的从远离探测器9的一侧起依次包括第一镜片1、第二镜片2、第三镜片3、第四镜片4、第五镜片5以及第六镜片6；对于一个非变焦镜头来说，设计完成后各镜片位置一般是固定的，对于本方案来说，由第一镜片1、第二镜片2、第三镜片3以及第四镜片4组成的前组和由第五镜片5以及第六镜片6组成的后组之间的位置可以微调，以调整焦面位置；其中第一镜片1是正光焦度的弯向物方的弯月镜；第二镜片2是正光焦度的弯向像方的弯月镜；第三镜片3是由锗磨制而成的负光焦度的弯向物方的弯月镜；第四镜片4是正光焦度的弯向像方的弯月镜；第五镜片5是由锗磨制而成的负光焦度的弯向像方的弯月镜；第六镜片6是正光焦度的弯向像方的弯月镜；所述第二镜片与第三镜片相连在一起；其中第一镜片1、第二镜片2、第四镜片4以及第六镜片6均是由硅磨制而成的镜片；第一镜片1的入射面距离物面80mm，其在焦平面成0.6倍的像。
目标发出的光线经第一镜片1汇聚，第一镜片1由硅磨制而成的正光焦度的弯向物方的弯月镜；光线进入第二镜片2后汇聚，第二镜片2由硅磨制而成的正光焦度的弯向像方的弯月镜；光线进入第三镜片3后发散，第三镜片3由锗磨制而成的负光焦度的弯向物方的弯月镜；光线进入第四镜片4后汇聚，第四镜片4由硅磨制而成的正光焦度的弯向像方的弯月镜；光线进入第五镜片5后发散，第五镜片5由锗磨制而成的负光焦度的弯向像方的弯月镜；光线进入第六镜片6后汇聚，第六镜片6由硅磨制而成的正光焦度的弯向像方的弯月镜；最后光线经探测器9窗口和冷光阑7聚焦于焦面。
由于是具有100％冷光阑效率，这是由镜头设计决定的，所谓100％冷光阑效率是指所有聚焦于焦面的光都是目标所发出的，系统完全去除背景的杂散辐射，从而可以大大提高图像对比度。其效果可参见图2～4，其中图2是光学系统传递函数曲线、图3是光学系统像差曲线、图4是光学系统球差曲线和畸变曲线。
由于成像系统是理想的物方远心，并且畸变小于万分之五，所以此系统非常适合于将中红外光纤传像束转换为电信号的耦合器件。此系统物方数值孔径为0.133，这是镜头工作的条件，也是设计的给定条件，如果中红外传像束的光纤数值孔径大于光学系统物方数值孔径，则系统接受到信号完全是传像束的信号，由此可以大大提高信号耦合的效率。
Claims (2)
1.一种中红外成像系统，包括位于同光轴的镜头和探测器，所述探测器从靠近镜头的一侧起依次包括探测器窗口、冷光阑以及成像焦面，
其特征在于：
所述镜头由六个镜片组成，具体的从远离探测器的一侧起依次包括第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片、第五镜片以及第六镜片；
所述第一镜片是正光焦度的弯向物方的弯月镜；
所述第二镜片是正光焦度的弯向像方的弯月镜；
所述第三镜片是由锗磨制而成的负光焦度的弯向物方的弯月镜；
所述第四镜片是正光焦度的弯向像方的弯月镜；
所述第五镜片是由锗磨制而成的负光焦度的弯向像方的弯月镜；
所述第六镜片是正光焦度的弯向像方的弯月镜；
所述第一镜片的入射面距离物面80mm，工作时，物面经光学系统缩小0.6倍呈于焦平面。
2.根据权利要求1所述中红外成像系统，其特征在于：所述第一镜片、第二镜片、第四镜片以及第六镜片均是由硅磨制而成的镜片。
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