CN102269871B

CN102269871B - 双色双视场红外成像光学系统

Info

Publication number: CN102269871B
Application number: CN 201110198848
Authority: CN
Inventors: 陈吕吉; 李萍; 朱继航; 徐曼; 陈津津; 于振龙; 杨开宇; 曹凌
Original assignee: Kunming Institute of Physics
Current assignee: Kunming Institute of Physics
Priority date: 2011-07-15
Filing date: 2011-07-15
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2031-07-15
Also published as: CN102269871A

Abstract

双色双视场红外成像光学系统，其特征在于由前固定组(9)、变倍组(10)和后固定组(11)共五片透镜组成，其中，前固定组透镜由两片透镜组成，变倍组透镜由一片透镜组成，后固定组透镜由两片透镜组成，变倍组透镜可以在一次像面的前、后作轴向移动来实现宽、窄视场的切换，五片透镜中，使用二元衍射面的透镜为第二透镜的第二面和第四透镜的第二面。本发明结构简单紧凑，系统体积小，透镜数量少，在实现搜索(宽视场9°×6.75°)和瞄准(窄视场3°×2.25°)功能的同时，可以对中波红外4um～5um和长波红外8um～9um两个波段同时成像，系统设计兼顾了红外系统小型化、轻型化的要求，满足了红外系统的使用技术要求。

Description

双色双视场红外成像光学系统

技术领域

本发明涉及一种光学系统，特别涉及一种红外双色探测器双视场成像系统。

背景技术

红外光学系统是红外热成像系统中不可缺少的部分，其主要功能在于收集目标辐射的能量和控制成像质量。现有红外光学系统基本都是单波段工作，在实际应用中存在着一定的局限性，例如，在实际应用中，由于目标的伪装，单一波段的信息减弱，辐射波段移动等，使成像系统不能探测到目标存在或探测的准确度下降。而双波段红外光学系统能在存在杂乱回波的情况下探测目标，区分目标和诱饵，并能使施放烟雾、进行伪装以及发射照明弹之类的红外对抗措施失效。另外，为了满足对特定的视场范围内同时进行瞄准和搜索的要求，就必须采用双视场红外光学系统。因此，对双色双视场红外光学系统的研究就成为一种必然趋势。

双波段热成像红外光学系统，通常由两种方式构成：一是采用分光路的方式来实现，如图1所示：1为系统中的共用物镜组，2为分束镜，3为一支分光路中的光学元件，6为另一支光路中的折转反射镜，7为另一支光路中的光学元件，即1、2、3构成一支光路，实现一个波段的成像；1、2、6、7构成另一支光路，实现另外一个波段的成像。该系统中需要两个响应不同波段的探测器来接收各自光路所成的像；二是用一个共光路的方式实现，如图2所示，8为物镜组，这种光学系统通过共用的物镜组直接成像到像面，再共用一个双色（双波段）探测器即可实现双色（双波段）成像。但是，现有的两种双波段热成像系统存在以下不足：前者结构复杂、体积庞大、安装困难、能量衰减严重；后者结构简单，但采用一次成像的方式，光学系统口径大；二者的共同缺陷是都是单视场镜头，不能满足复杂情况下搜索和瞄准任务的要求。

发明内容

针对现有双色红外光学系统存在的不足，本发明提供一种新的仅由五片透镜构成的双色双视场红外光学系统，在不需要移动何光学元件进行补偿的情况下即可实现双波段复合成像，同时满足中波红外4um～5um和长波红外8um～9um两个波段的成像需求，利用结构简单的双视场切换方式，可实现搜索（宽视场）和瞄准（窄视场）功能，同时还兼顾了红外系统小型化、轻型化的要求。

本发明的技术方案是：光学系统由前固定组、变倍组和后固定组五片透镜组成，其中，前固定组透镜由两片透镜组成，变倍组透镜由一片透镜组成，后固定组透镜由两片透镜组成。变倍组透镜通过在一次像面的前后轴向移动来实现宽、窄视场的切换。光学系统设计中通过采用二元衍射面，达到不需要移动或切换任何光学元件进行补偿即可实现双波段实时、同时稳定成像，移动变倍组透镜仅是为了切换大小视场，与双波段成像无关。五片透镜中，使用二元衍射面的透镜为第二透镜的第二面和第四透镜的第二面。

本发明双视场的工作原理是：景物目标的辐射光线首先经过前固定组和变倍组构成的物镜组后会聚，形成一次像面，此时，后固定组对一次像面进行二次成像，实现窄视场系统；或景物目标的辐射光线首先经过前固定组后会聚，形成一次像面，此时，变倍组和后固定组构成的中继组对一次像面进行二次成像，实现宽视场系统。系统窄视场时的有效焦距与宽视场时的有效焦距之比就是该光学系统的变倍比。

本发明实现双波段的原理是：传统的红外光学系统由于受红外光学元件性能的限制很难对4um～5um和8um～9um两个波段同时成像，这主要是由于其初始结构参数在满足系统光焦度方程的同时，还要对两个波段同时消色差。由于衍射透镜的色散只与波长有关，与材料无关，另外其阿贝数的绝对值相对传统玻璃或者晶体的阿贝数较小并且总为负值，说明衍射光学元件具有较强的色散，同时其色散与折射元件的色散相反，这为系统的消色差提供了可能。在本发明中，通过合理的设计并加入衍射透镜，校正了光学系统的色差，使系统可以满足使用要求。

本发明通过实际试用证明：光学结构简单紧凑，系统体积小，透镜数量少。系统在实现搜索（宽视场9o×6.75o）和瞄准（窄视场3o×2.25o）功能的同时，可以对中波红外4um～5um和长波红外8um～9um两个波段同时成像，系统设计中还兼顾了红外系统小型化、轻型化的要求。

附图说明

图1，是现有的不共光路双色红外光学系统图。

图2，是现有的共光路、单视场、一次成像的双色红外光学系统图。

图3，是本发明的光学系统图。

图中，1为共用物镜组，2为分束镜，3为一支分光路中的光学元件，6为另一支光路中的折转反射镜，7为另一支光路中的光学元件，8为物镜组，9为前固定组，10为变倍组，11为后固定组。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明进行详细描述。

如附图3所示，本发明所述的双色双视场红外成像光学系统，由前固定组9，变倍组10和后固定组11共五片透镜组成，从左到右依次确定为第一至第五透镜，变倍组10沿轴向前移到一次像面的前面，与前固定组9构成物镜，实现窄视场；变倍组10沿轴向后移到一次像面的后面，与后固定组11构成中继组，实现宽视场；从而实现窄、宽视场的切换。光学系统的变倍方式采用变倍组10在一次像面的前、后做轴向平移实现变倍，其变倍比达到3倍，变倍组10可沿轴向前后移动30mm。同时，变倍组10还具有完成光学系统的调焦和热补偿的功能，其调焦范围为±5mm。

本发明所述的双色双视场红外成像光学系统，在不需要移动何光学元件进行补偿的情况下即可实现双波段复合成像，即可同时实时的对中波红外4um～5um和长波红外8um～9um的成像。此外，该光学系统采用二次成像的形式，可满足冷屏效率100%，并有效压缩系统口径。

该光学系统的五片透镜所用的材料依次为：第一透镜为GASIR2，第二透镜为锗，第三透镜为锗，第四透镜为GASIR2，第五透镜为GASIR2。GASIR2为硫系玻璃，它的化学组份为Ge₂₀Sb₁₅Se₆₅。另外，还可以把光学系统中所有GASIR2材料的透镜替换为硒化锌，产生第二组材料序列。

该光学系统的特点是：①通过五片折射透镜实现了一个共光路的双色双视场成像光学系统，在满足双视场成像的前提下，同时可满足双波段成像要求，即可以同时满足中波红外4um～5um和长波红外8um～9um两个波段的成像需求；②在不需要移动何光学元件进行补偿的情况下，即可实现双波段共光路复合成像。另外，采用二次成像光学结构，便于与制冷型焦平面探测器相匹配，确保冷屏效率达100%，并有效压缩系统口径。③通过变倍组10沿轴向前移到一次像面前面，与前固定组9构成物镜，实现窄视场；通过变倍组10沿轴向后移到一次像面后面，与后固定组11构成中继组，实现宽视场；从而实现窄、宽视场的切换，既改变了一次像面的位置，又改变了光学系统的焦距，并确保光学系统像面保持稳定不变，成像质量接近衍射限。④仅需要一个机电装置和移动一个变倍组10就能够实现双视场切换功能，变倍组10仅在一次像面前、后的两个位置有效。当变倍组10完成两个变倍功能后，还具有近距离调焦，环境温度变化的温度补偿功能，当光学系统工作在恶劣环境下或者观察不同距离的目标时，光学系统像面会移动，造成成像变得模糊，此时微量移动变倍组10可以解决问题；⑤光学透镜少，仅使用五片透镜，确保系统透过率高，质量轻，体积小；⑥系统结构紧凑，尺寸短，系统总长小于130mm。总之，本发明通过在一次像面前、后沿轴向移动一组变倍透镜，实现双色双视场红外成像光学系统的研制，系统的结构简单、体积小、重量轻，可以满足复杂环境下识别伪装以及完成搜索和瞄准任务的需求。

本发明的主要光学性能参数如下：

Claims

1.双色双视场红外成像光学系统，其特征在于由前固定组⑼、变倍组⑽和后固定组⑾共五片透镜组成，其中，前固定组透镜由两片透镜组成，变倍组透镜由一片透镜组成，后固定组透镜由两片透镜组成，变倍组透镜可以在一次像面的前、后作轴向移动，变倍组⑽透镜沿轴向前移到一次像面前面，与前固定组⑼透镜构成物镜组，实现窄视场，变倍组⑽透镜沿轴向后移到一次像面后面，与后固定组⑾透镜构成中继组，实现宽视场，五片透镜中，使用二元衍射面的透镜为第二透镜的第二面和第四透镜的第二面。

2.根据权利要求1所述的双视场红外成像光学系统，其特征在于变倍组⑽透镜沿轴向前移到一次像面的前面，实现3o×2.25o的窄视场。

3.根据权利要求1所述的双视场红外成像光学系统，其特征在于变倍组⑽透镜沿轴向后移到一次像面的后面，实现9o×6.75o的宽视场。

4.根据权利要求1所述的双视场红外成像光学系统，其特征在于能实现中波红外4um～5um和长波红外8um～9um两个波段实时、同时稳定成像。

5.根据权利要求1所述的双视场红外成像光学系统，其特征在于透镜使用的材料为第一透镜为GASIR2，第二透镜为锗，第三透镜为锗，第四透镜为GASIR2，第五透镜为GASIR2，GASIR2为硫系玻璃，它的化学组份为Ge₂₀Sb₁₅Se₆₅。

6.根据权利要求1所述的双视场红外成像光学系统，其特征在于透镜使用的材料为第一透镜为硒化锌，第二透镜为锗，第三透镜为锗，第四透镜为硒化锌，第五透镜为硒化锌。