CN102385158B - 一种大孔径红外中短波双波段成像光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大孔径红外中短波双波段成像光学系统，它主要用于红外焦平面成像系统，工作波段为1～3微米和3～5微米。本发明提出一种折反射式光学系统，该系统包括主反射镜，次反射镜，滤光片，分光镜，中波校正透镜组，中波探测器窗口，中波探测器冷光阑，平面反射镜，短波校正透镜组，短波探测器窗口。该系统实现了同时对中波红外和短波红外两个波段实时成像。入瞳直径为300毫米，相对孔径为1∶1.46，焦距440毫米，视场1.6°。本发明的主要特点在于：大孔径，两次成像，以冷光阑作为孔径光阑，入瞳在主反射镜上，可以有效控制主反射镜的尺寸。两个波段共用主反射镜和次反射镜，结构紧凑。

Description

一种大孔径红外中短波双波段成像光学系统

技术领域：

本发明涉及红外光学系统，特别的，是涉及到一种中波红外（3~5微米）和短波红外（1~3微米）波段的成像光学系统。

背景技术：

红外光学系统常使用反射式系统、折射式系统以及折反射式系统。反射式系统的优势是无色差，反射镜的口径不受红外透光材料限制，可以制作得较大，系统光能损失较小。但是反射式系统的最大缺点是轴外像差较大，一般只适用于小视场、小相对孔径的光学系统。

对于经典的卡塞格伦（Cassegrain）或里奇-克雷季昂（Ritchey-Chretien）双反射镜系统来说，当相对孔径增大，比如相对孔径大于1:2时，或者视场增大，比如视场大于1°时，其像质都将迅速恶化。此外，当通光口径大于200毫米时，像质也会变坏。

折射式系统由多片不同材料的透镜组成，可利用一个镜片的像差去平衡另一个镜片的像差，在满足大相对孔径、大视场的同时可得到良好的像质。但是，由于红外透光材料的尺寸受到较大的限制，折射式光学系统不能做成太大的口径。而且折射式光学系统通常只用于有限的波段范围，例如1~3μm，或3~5μm。这是因为同时能透过很宽波段的红外光学材料种类很少，同时，由于光学材料色散的存在，同时消除两个波段的色差比较困难。

折反射式系统由反射镜与折射式校正透镜组组合而成，既具有反射式系统口径可以做得很大的优点，同时也具有折射式系统的大相对孔径、大视场的优点。

中国发明专利01112711.2提供了一种双波段红外望远镜光学系统，但是其中波红外（3~5微米）和短波红外（1~3微米）两个波段是交替成像，不能同时对中波红外和短波红外两个波段实时成像。本发明对专利01112711.2进行了改进，可以同时对中波红外和短波红外两个波段实时成像，大大提高了系统的实用性。

发明内容：

本发明的目的是提供一种在大孔径、大视场的情况下仍能得到良好像质的1~3微米和3~5微米双波段红外成像光学系统，而且能够同时对短波红外和中波红外两个波段实时成像。

本发明的目的是这样来达到的：大孔径红外双波段成像光学系统由主反射镜1、次反射镜2、滤光片3、分光镜4以及中波校正透镜组和短波校正透镜组组成。主反射镜是凹双曲面，中心开孔，次反射镜是凸双曲面。在光学系统一次像面附近用分光镜分光，在分光镜之后是中波和短波的校正透镜组。校正透镜组用来校正光束经过主反射镜和次反射镜后的残留单色像差，同时担负一定的光焦度。同时校正透镜组本身能够消色差。

中波光束在分光镜上透射，短波光束在分光镜上反射。中波校正透镜组位于原光轴上，而短波的光轴在分光镜上折转90°，再用一个45°放置的平面反射镜折转90°，与中波的光轴平行。

中波校正透镜组为4片透镜结构，按中波光束经过顺序依次是第一中波透镜5、第二中波透镜6、第三中波透镜7和第四中波透镜8。中波校正透镜组采用硅和锗两种材料搭配，以校正色差。第一中波透镜5和第三中波透镜7的材料是锗，第二中波透镜6和第四中波透镜8的材料是硅。

中波成像系统中，主反射镜1是系统的入瞳，主反射镜成像在中波探测器的冷光阑10上，即冷光阑是系统的出瞳，也是系统的孔径光阑。这样，就可以满足100%的冷光阑效应，可以有效地阻止杂散光进入焦平面，保证红外焦平面探测器的良好性能，同时有效地控制主反射镜的尺寸。

短波校正透镜组为5片透镜结构，按短波光束经过顺序依次是第一短波透镜12、第二短波透镜13、第三短波透镜14、第四短波透镜15和第五短波透镜16。短波校正透镜组采用硫化锌、硒化锌、石英和硅四种材料搭配，以校正色差。第一短波透镜12的材料是硫化锌，第二短波透镜13的材料是石英，第三短波透镜14的材料是硒化锌，第四短波透镜15和第五短波透镜16的材料是硅。

短波探测器采用半导体致冷，且短波响应的温度较高，所以不需要冷光阑。短波成像系统的孔径光阑为主反射镜1，主反射镜1是也系统的入瞳。

本光学系统的双反射镜系统部分在主反射镜1和次反射镜2上均采用双曲面设计，这种方案被称为里奇-克雷季昂系统，是一种改进的卡塞格伦系统。

本发明光学系统的参数如下：通光孔径Φ300毫米，相对孔径为1:1.46，焦距440毫米，视场角1.6°。

附图说明：

图1为本发明的光学系统结构示意图。

图2为本发明的光学系统在中波红外波段的调制传递函数。

图3为本发明的光学系统在短波红外波段的调制传递函数。

具体实施方式：

如附图1所示，本发明的大孔径红外中短波双波段成像光学系统，其中中波成像光学系统参数如下表所示：

其中短波成像光学系统参数如下表所示：

非球面的圆锥系数k，遵循下面的表面矢高公式：

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}$

其中z是表面矢高，c是表面顶点的曲率（曲率半径的倒数），r是到表面顶点的半径坐标，k是圆锥系数。

Claims (1)

1.一种大孔径红外中短波双波段成像光学系统，包括主反射镜，次反射镜，滤光片，分光镜，中波校正透镜组，短波校正透镜组；其特征在于：来自物方的光束依次由主反射镜（1）、次反射镜（2）反射后，经过滤光片（3），由分光镜（4）分成中波光束和短波光束，其中：中波光束经过中波校正透镜组（5、6、7、8）、中波探测器窗口（9）和中波探测器冷光阑（10）后，成像在中波焦平面探测器上；短波光束经过反射镜（11）、短波校正透镜组（12、13、14、15、16）和短波探测器窗口（17）后，成像在短波焦平面探测器上；

所述的中波校正透镜组为4片透镜结构，按中波光束经过顺序依次是第一中波透镜（5）、第二中波透镜（6）、第三中波透镜（7）和第四中波透镜（8）；第一中波透镜（5）和第三中波透镜（7）的材料是锗，第二中波透镜（6）和第四中波透镜（8）的材料是硅；中波探测器冷光阑（10）为中波成像系统的孔径光阑；中波成像系统的入瞳在主反射镜（1）上；

所述的短波校正透镜组为5片透镜结构，按短波光束经过顺序依次是第一短波透镜（12）、第二短波透镜（13）、第三短波透镜（14）、第四短波透镜（15）和第五短波透镜（16）；第一短波透镜（12）的材料是硫化锌，第二短波透镜（13）的材料是石英，第三短波透镜（14）的材料是硒化锌，第四短波透镜（15）和第五短波透镜（16）的材料是硅；短波成像系统的孔径光阑为主反射镜（1）。 

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