CN102980657B - 一种红外中长波光谱成像光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种红外中长波光谱成像光学系统，包括宽波段镜头组件和多光谱滤色片组件，宽波段镜头组件置于多光谱滤色片组件前方，用于对光波聚焦成像；所述多光谱滤色片组件用于将宽波段镜头组件聚焦的光波进行滤波和共焦面补偿；该成像光学系统的相对孔径较大，可达到0.9-1.1；且成像质量接近衍射极限；本发明采用宽波段透镜组件和多光谱滤色片组件实现了多光谱成像系统，该系统结构简单，易于实现；通过带通平行平板滤色片厚度变化很好的实现了窄波段成像时共焦面补偿，降低了宽波段镜头设计的复杂性；其可用于非制冷宽波段红外多光谱成像，在军工和民用领域均有广泛的应用前景。

Description

一种红外中长波光谱成像光学系统

技术领域

本发明涉及红外成像光学技术领域，具体涉及一种工作于3μm～12μm波段、大相对孔径、窄波段共焦面的多光谱成像光学系统。

背景技术

宽波段红外多光谱成像可提高信息探测与识别的能力，其在军事侦察、航天遥感、工业视觉等领域具有广泛的应用前景。目前，基于热释电效应的非制冷红外探测器能够同时响应中波到长波波段的红外光辐射。这使得需要研制针对非制冷探测器的宽波段多光谱红外成像光学系统。

红外成像光学系统常用的结构形式有反射式和折射式。反射式结构不引入任何色差，且光学透过率高，但是反射式结构存在较严重的中心遮拦，系统相对孔径损失较为严重，对于相对孔径要求特别高的非制冷探测器来说不太合适，且反射式结构视场角通常较小。折射式结构一般不存在类似问题，但由于常用红外材料折射率随波段变化存在明显的非线性，使得当工作波段覆盖整个中波到长波波段时，设计难度明显加大，且红外多光谱成像要求实现窄波段共焦面更加剧了设计的难度。

在本发明作出之前，CN102200639A的中国专利公开了一种红外中长波双波段成像光学系统，其采用锗、AMTIR1和硫化锌三种材料，构成了4片折射式的双波段成像，由于其孔径光阑位于整个镜头的后方，且完全通过以上三种材料的组合复消色差，使得其相对孔径很小（1/3）；CN102103265A的中国专利公开了一种单镜头多光谱成像光学系统，其通过复消色差单镜头、两个分光镜和双胶合透镜的组合排列，实现可见光、激光和红外三种波段成像，由于其采取的是分光束的技术方案，因此未实现共焦面成像，需要同时使用多个探测器。目前，工作在中波到长波红外波段、针对单一宽波段探测器、大相对孔径、窄波段共焦面的多光谱红外成像光学系统未见报道。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种红外中长波光谱成像光学系统，能够对多波段光谱进行成像，同时保证大相对孔径成像和成像后各波段在同一焦平面。

本发明的一种红外中长波光谱成像光学系统，包括宽波段镜头组件和多光谱滤色片组件，宽波段镜头组件置于多光谱滤色片组件前方，用于对光波聚焦成像；所述多光谱滤色片组件用于将宽波段镜头组件聚焦的光波进行滤波和共焦面补偿；

所述多光谱滤色片组件包括多个带通平行平板滤色片，每个带通平行平板滤色片根据成像系统要求成像的光谱波段的不同，镀有相应的红外光带通滤色膜；所述带通平行平板滤色片的厚度满足：从宽波段镜头组件出射的光波经由该带通平行平板滤色片的共焦面补偿后聚焦到同一探测器接收面上；

所述带通平行平板滤色片数量根据系统需要进行选择;

所述宽波段镜头组件包括孔径光阑和5片透镜，按光线入射方向，依次为孔径光阑、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜；所述第一透镜为锗砷硒材料的正透镜；所述第二透镜为硫化锌材料的负透镜；所述第三透镜为锗材料的负透镜，且前表面为非球面；所述第四透镜为硒化锌材料的正透镜，且前表面为非球面；所述第五透镜为硫化锌材料的负透镜。

所述带通平行平板滤色片为圆形片，镶嵌在承载片上对应位置的圆孔中，多个带通平行平板滤色片的圆心相对于承载片中心呈中心对称分布；所述承载片可绕其中心转动；

每个所述带通平行平板滤色片的大小应允许从宽波段镜头组件出射的光线全部通过。

所述带通平行平板滤色片可拆卸地安装于承载片上。

所述第一透镜前表面的曲率半径为57.155mm，后表面的曲率半径为212mm，厚度为9.6mm；

第二透镜的前表面为平面，后表面的曲率半径为186.64mm，厚度为3mm，距离第一透镜的距离为6mm；

所述第三透镜的前表面为非球面，其非球面方程 $z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+{\mathrm{Ar}}^2+{\mathrm{Br}}^2+{\mathrm{Cr}}^2+{\mathrm{Dr}}^2$ 中的顶点处的基本曲率半径c为-0.002323mm，二次曲面系数k为0，高次非球面系数A、B、C和D分别为3.815945e-7、-5.857483e-11、-3.194569e-14和4.276572e-17；后表面的曲率半径为375.5mm，厚度为4mm，与第二透镜的距离为3.3mm；

所述第四透镜的前表面为非球面，其非球面方程 $z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+{\mathrm{Ar}}^2+{\mathrm{Br}}^2+{\mathrm{Cr}}^2+{\mathrm{Dr}}^2$ 中的顶点处的基本曲率半径c为0.026971mm，二次曲面系数k为0，高次非球面系数A、B、C和D分别为-2.984111e-06、-1.846382e-09、6.774172e-13和-1.235032e-15；后表面的曲率半径为303.914mm，厚度为8mm，与第三透镜的距离为29.98mm；

所述第五透镜的前表面的曲率半径为45.6mm，后表面的曲率半径为24.72mm，厚度为4mm，与第四透镜的距离为1mm；

所述带通平行平板滤色片与第五透镜的距离为10.6mm。

所述带通平行平板滤色片在不同波段范围时的厚度以及其到探测器窗口距离为：

波段	平行平板滤色片厚度	到探测器窗口距离
			3μm	1.53mm	7.98mm

4μm	1.50mm	8.01mm
			5μm	1.47mm	8.04mm
6.5μm	1.44mm	8.07mm
			8μm	1.41mm	8.10mm
10μm	1.40mm	8.11mm
			12μm	1.41mm	8.10mm
3μm～5μm	1.50mm	8.01mm
			5μm～8μm	1.44mm	8.07mm
8μm～12μm	1.41mm	8.10mm

本发明的一种红外中长波光谱成像光学系统，具有如下有益效果：

1）本发明的成像光学系统的相对孔径较大，可达到0.9-1.1；且成像质量接近衍射极限；

2）本发明采用宽波段透镜组件和多光谱滤色片组件实现了多光谱成像系统，该系统结构简单，易于实现。

3）通过带通平行平板滤色片厚度变化很好的实现了窄波段成像时共焦面补偿，降低了宽波段镜头设计的复杂性；其可用于非制冷宽波段红外多光谱成像，在军工和民用领域均有广泛的应用前景；

4）将多个带通平行平板滤色片绕承载片中心圆周对称分布，方便移动带通平行平板滤色片；通过将带通平行平板滤色片与承载片活动连接，使得更换带通平行平板滤色片更加方便。

附图说明

图1是本发明中的宽波段镜头组件的结构示意图；

图2是本发明中一个实施例提供的多光谱滤色片组件的结构示意图；

图3是本发明中的实施例提供的光学镜头在3μm～5μm波段的调制传递函数曲线图；

图4是本发明中的实施例提供的光学镜头在5μm～8μm波段的调制传递函数曲线图；

图5是本发明中的实施例提供的光学镜头在8μm～12μm波段的调制传递函数曲线图；

图6是本发明中的实施例提供的光学镜头在单波长3μm的调制传递函数曲线图；

图7是本发明中的实施例的光学镜头在单波长5μm的调制传递函数曲线图；

图8是本发明中的实施例提供的光学镜头在单波长8μm的调制传递函数曲线图；

图9是本发明中的实施例提供的光学镜头在单波长12μm的调制传递函数曲线图。

其中，1-第一透镜，2-第二透镜，3-第三透镜，4-第四透镜，5-第五透镜5，6-多光谱滤色片组件，7-带通平行平板滤色片，8-承载片。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

为了满足非制冷探测器对成像光学系统的相对孔径的需要，本发明的成像光学系统的相对孔径要达到0.9-1.1，基于该需求结合光学成像系统的工作波长透过率和焦距等因素，本发明提供了一种红外中长波光谱成像光学系统，包括宽波段镜头组件和多光谱滤色片组件6，宽波段镜头组件置于多光谱滤色片组件6前方，用于对光波聚焦成像，宽波段镜头组件包括孔径光阑和5片透镜，按光线入射方向，依次为孔径光阑、第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4和第五透镜5；第一透镜1为正透镜；第二透镜2为负透镜；第三透镜3为负透镜，且前表面为非球面；第四透镜4为正透镜，且前表面为非球面；第五透镜5为负透镜。

由于提高系统的相对孔径会带来严重的色差和球差，因此为了达到相对口径0.9-1.1的光学系统，考虑要尽量消除色差和球差，一般情况下，使用较多片数的透镜会解决上述问题，但会导致系统的透过率下降，因此本发明采用5片透镜，可以保证一定的透过率；另外，要在考虑上述宽波段镜头组件初始结构的基础上选择合适的透镜材料，从而进一步消除色差和球差。因此，本发明的第一透镜1至第五透镜5采用的材料依次为：锗砷硒材料、硫化锌材料、锗材料、硒化锌材料和硫化锌材料，具体理由为：由于锗材料在中波波段色差大，在长波波段基本不产生色差，硫化锌材料在中波波段色差小，长波波段色差大，锗砷硒材料和硒化锌材料在中长波色差都小。因此，在长波波段，第一片透镜1和第四片透镜4产生的负色差由第二透镜2和第五透镜5产生的正色差抵消，在中波波段，第一片透镜1和第四片透镜4产生的负色差由第三透镜3产生的正色差抵消，正透镜材料采用锗砷硒材料在前，硒化锌材料在后有利于二者光焦度的分配，增强像差校正能力。镜头采用正、负、负、正、负的五片分离结构，且在第三透镜3和第四透镜4前表面采用非球面，可大大消除了由于大相对孔径带来的球差。

多光谱滤色片组件6用于将宽波段镜头组件聚焦的光波进行滤波和共焦面补偿。多光谱滤色片组件6包括多个带通平行平板滤色片7，每个带通平行平板滤色片7根据成像系统要求成像的光谱波段的不同，镀有相应的红外光带通滤色膜，用于对从宽波段镜头组件出射的光波进行滤波，使与该带通平行平板滤色片7相同波段的光波通过多光谱滤色片组件6；当成像系统对不同波段的光波进行成像时，不同波段的光波在宽波段镜头组件后方的像面位置不同，为了使探测器接收到的不同波段光波图像清晰，则需要移动探测器，为了省去移动探测器带来的不便，考虑将每个带通平行平板滤色片7制成合适的厚度，使得从宽波段镜头组件出射的该光波经由该带通平行平板滤色片7的共焦面补偿后聚焦到同一探测器接收面上。带通平行平板滤色片7的厚度通过光学设计优化软件计算获得，在宽波段镜头组件所有几何参量和材料保持不变的条件下，依据带通平行平板滤色片7镀制的红外光带通滤色膜范围，优化出实现窄波段成像时共焦面补偿的带通平行平板滤色片7厚度。

为了固定多个带通平行平板滤色片7，多光谱滤色片组件6中采用承载片8对其进行支撑，带通平行平板滤色片7为圆形片，镶嵌在承载片8上对应位置的圆孔中，多个带通平行平板滤色片7的圆心相对于承载片8中心呈中心对称分布；绕承载片8中心转动承载片8，将成像系统所需要波段的带通平行平板滤色片7转到宽波段镜头组件后方，对宽波段镜头组件聚焦的光线进行滤波和共焦面补偿，由此，可方便更换不同波段范围的带通平行平板滤色片7；同时为保证当多光谱滤色片组件6转过后，带通平行平板滤色片7对宽波段镜头的出射光波完全接收，因此，每个所述带通平行平板滤色片7的直径大小应允许从宽波段镜头组件出射的光线全部通过。

当多光谱滤色片组件6中的带通平行平板滤色片7的波段范围不能满足成像系统的要求时，可将带通平行平板滤色片7可拆卸地连接在承载片8上，根据系统对光波范围的需要更换带通平行平板滤色片7。根据成像系统的需要，可制作多个不同波段范围的带通平行平板滤色片7供试验实用。

根据上述本发明所选择的系统的初始结构，使用CODE V光学设计软件建立像差优化函数，设置优化变量（即镜片的结构参数、材料或其它可以使用的变量）和优化约束条件（如总长，元件片数，元件的中心边缘厚度，元件空气隙厚度等），利用光学设计软件自带的优化方法对像差优化函数进行求解；对优化结果进行像质评价和性能分析（常用MTF进行评价），如果像质和性能满足设计要求，则结束整个优化过程，反之，则重复上述步骤，直至满足要求。

下面介绍本发明的一个实施例的多光谱成像光学系统，其设计参数为：工作波段3μm～12μm，焦距60mm，视场角9.8°，F数为1.0，多光谱考察区为3μm～5μm、5μm～8μm、8μm～12μm，以及上述三个考察区内任意宽度的光谱区。

参见图1，它是本实施例所述的光学系统结构示意图。多光谱成像光学系统各部分的具体数据和所采用的材料见表1。

表1多光谱成像系统中各部分参数

本实施例中，第三透镜3前表面和第四透镜4前表面为非球面，非球面方程由下式定义：

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

其中z为沿光轴方向的坐标，c为顶点处的基本曲率半径，k为二次曲面系数，r为垂直光轴方向的径向坐标，A，B，C，D表示高次非球面系数。其中非球面系数的数据参见表2。

表2第三透镜3和第四透镜4前表面参数

第一透镜1为调焦透镜，在5m～∞的物距范围内，第一透镜1沿宽波段镜头组件光轴移动的距离为1.5mm。参见图2，它是本实施例所述的多光谱滤色片组件6结构示意图。由图2可以看出，带通平行平板滤色片7的数量与应用需求的波段数量相关。带通平行平板滤色片7的厚度依据其镀制的红外光带通滤色膜范围，在保证窄波段成像时共焦面约束条件下优化得出，本实施例具体厚度与波段的对应关系见表3。

表3不同波段下的对应的平行平板滤色片厚度和空气隙厚度

参见图3，它是本实施例在3μm～5μm波段的调制传递函数曲线图，由图3可以看出，系统在在特征频率20lp/mm处MTF>0.6，接近衍射极限。

参见图4，它是本实施例在5μm～8μm波段的调制传递函数曲线图,由图4可以看出，系统在在特征频率20lp/mm处MTF>0.6，接近衍射极限。

参见图5，它是本实施例在8μm～12μm波段的调制传递函数曲线图，由图5可以看出，系统在在特征频率20lp/mm处MTF>0.6，接近衍射极限。

参见图6，它是本实施例在单波长3μm的调制传递函数曲线图，由图6可以看出，系统在在特征频率20lp/mm处MTF>0.7，接近衍射极限。

参见图7，它是本实施例在单波长5μm的调制传递函数曲线图，由图7可以看出，系统在在特征频率20lp/mm处MTF>0.7，接近衍射极限。

参见图8，它是本实施例在单波长8μm的调制传递函数曲线图，由图8可以看出，系统在在特征频率20lp/mm处MTF>0.7，接近衍射极限。

参加图9，它是本实施例在单波长12μm的调制传递函数曲线图，由图9可以看出，系统在在特征频率20lp/mm处MTF>0.6，接近衍射极限。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种红外中长波光谱成像光学系统，其特征在于，包括宽波段镜头组件和多光谱滤色片组件（6），宽波段镜头组件置于多光谱滤色片组件（6）前方，用于对光波聚焦成像；所述多光谱滤色片组件（6）用于将宽波段镜头组件聚焦的光波进行滤波和共焦面补偿；

所述多光谱滤色片组件（6）包括多个带通平行平板滤色片（7），每个带通平行平板滤色片（7）根据成像系统要求成像的光谱波段的不同，镀有相应的红外光带通滤色膜；所述带通平行平板滤色片（7）的厚度满足：从宽波段镜头组件出射的光波经由该带通平行平板滤色片（7）的共焦面补偿后聚焦到同一探测器接收面上；

所述带通平行平板滤色片（7）数量根据系统需要进行选择;

所述宽波段镜头组件包括孔径光阑和5片透镜，按光线入射方向，依次为孔径光阑、第一透镜（1）、第二透镜（2）、第三透镜（3）、第四透镜（4）和第五透镜（5）；所述第一透镜（1）为锗砷硒材料的正透镜；所述第二透镜（2）为硫化锌材料的负透镜；所述第三透镜（3）为锗材料的负透镜，且前表面为非球面；所述第四透镜（4）为硒化锌材料的正透镜，且前表面为非球面；所述第五透镜（5）为硫化锌材料的负透镜。

2.如权利要求1所述的一种红外中长波光谱成像光学系统，其特征在于，所述带通平行平板滤色片（7）为圆形片，镶嵌在承载片（8）上对应位置的圆孔中，多个带通平行平板滤色片（7）的圆心相对于承载片（8）中心呈中心对称分布；所述承载片（8）可绕其中心转动；

每个所述带通平行平板滤色片（7）的大小应允许从宽波段镜头组件出射的光线全部通过。

3.如权利要求2所述的一种红外中长波光谱成像光学系统，其特征在于，所述带通平行平板滤色片（7）可拆卸地安装于承载片（8）上。

4.如权利要求1所述的一种红外中长波光谱成像光学系统，其特征在于，所述第一透镜（1）前表面的曲率半径为57.155mm，后表面的曲率半径为212mm，厚度为9.6mm；

所述第二透镜（2）的前表面为平面，后表面的曲率半径为186.64mm，厚度为3mm，距离第一透镜（1）的距离为6mm；

所述第三透镜（3）的前表面为非球面，其非球面方程 $z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+{\mathrm{Ar}}^2+{\mathrm{Br}}^2+{\mathrm{Cr}}^2+{\mathrm{Dr}}^2$ 中的顶点处的基本曲率半径c为-0.002323mm，二次曲面系数k为0，高次非球面系数A、B、C和D分别为3.815945e-7、-5.857483e-11、-3.194569e-14和4.276572e-17；后表面的曲率半径为375.5mm，厚度为4mm，与第二透镜（2）的距离为3.3mm；

所述第四透镜（4）的前表面为非球面，其非球面方程 $z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+{\mathrm{Ar}}^2+{\mathrm{Br}}^2+{\mathrm{Cr}}^2+{\mathrm{Dr}}^2$ 中的顶点处的基本曲率半径c为0.026971mm，二次曲面系数k为0，高次非球面系数A、B、C和D分别为-2.984111e-06、-1.846382e-09、6.774172e-13和-1.235032e-15；后表面的曲率半径为303.914mm，厚度为8mm，与第三透镜（3）的距离为29.98mm；

所述第五透镜（5）的前表面的曲率半径为45.6mm，后表面的曲率半径为24.72mm，厚度为4mm，与第四透镜（4）的距离为1mm；

所述带通平行平板滤色片（7）与第五透镜（5）的距离为10.6mm。

5.如权利要求4所述的一种红外中长波光谱成像光学系统，其特征在于，所述带通平行平板滤色片（7）在不同波段范围时的厚度以及其到探测器窗口距离为：

波段 平行平板滤色片厚度 到探测器窗口距离 3μm 1.53mm 7.98mm

4μm 1.50mm 8.01mm 5μm 1.47mm 8.04mm 6.5μm 1.44mm 8.07mm 8μm 1.41mm 8.10mm 10μm 1.40mm 8.11mm 12μm 1.41mm 8.10mm 3μm～5μm 1.50mm 8.01mm 5μm～8μm 1.44mm 8.07mm 8μm～12μm 1.41mm 8.10mm