CN104793324A - 一种红外双波段共孔径折反射成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种红外双波段共孔径折反射成像系统，用于将无穷远处中波光谱波段和长波光谱波段的目标辐射成像在长波红外探测器和中波红外探测器上，主光路为长波红外光路，折转光路为中波红外光路，主光路从光束入射方向依次排布包括主镜，次镜，准直镜1，准直镜2，分光镜，长波校正镜1，滤光片，长波校正镜2，长波校正镜3，长波校正镜4，长波校正镜5，长波探测器组件，折转光路从光束入射方向依次排布包括主镜，次镜，准直镜1，准直镜2，分光镜，中波校正镜1，中波校正镜2，中波校正镜3，中波转折反射镜，中波校正镜4，中波校正镜5，中波探测器组件。本发明具有结构相对紧凑、重量轻、成像质量好、可在较宽温度内工作等优点。

Description

一种红外双波段共孔径折反射成像系统
技术领域
本发明涉及一种红外双波段共孔径折反射成像系统，属于光学应用领域。
背景技术
红外探测系统是通过探测目标的红外辐射特性对目标进行探测与识别，具有被动探测、隐蔽性强、抗干扰性强、可实现全天候探测搜索等优点，同时在烟、雾、雪、霾、风沙等能见度差的不良气象条件下可穿透上述气象的限制，对目标进行识别探测，目前最常使用的红外探测系统为中波红外探测系统和长波红外探测系统，二者各有优点，中波红外探测系统在湿热的大气环境中透过率更高，而长波红外探测系统在陆地区域透过率更高，对于浓烟、大雾的复杂环境的适应性更好。红外双波段探测成像系统利用红外波段不同波长范围的光谱，可以提高目标的探测与识别能力、识别速率，并降低系统的虚警率。《光学学报》2014年第10期中报道了毛文峰，张新等人设计了一种红外双色宽波段高衍射效率衍射光学系统，采用双层kinoform型衍射光学元件，设计了一种能够同时在红外中波3～5μm和长波8～14μm波段内工作的双波段光学系统，但衍射光学元件的衍射效率，以及衍射光学元件的制造，加工，检测都制约着该类系统的实用性。《光学学报》2013年第6期中报道了张欣婷，安志勇等人设计了一种双层谐衍射双波段红外消热差光学系统，采用锗和特殊的AMTIR1光学材料，引入双层谐衍射元件实现了双波段和消热差设计，该个系统存在和红外双色宽波段高衍射效率衍射光学系统同样的问题。
发明内容
本发明提出了一种红外双波段共孔径折反射成像系统，采用分光镜分光实现红外双波段分光，共同使用主、次镜和准直镜，在分光镜后加各自的校正透镜进行像差校正，采用匹配合适的光学材料实现了红外双波段消热差，能够满足在一定温度范围内良好成像。
本发明的一种红外双波段共孔径折反射成像系统，主光路为长波红外光路，折转光路为中波红外光路，主光路从光束入射方向依次排布包括主镜，次镜，准直镜1，准直镜2，分光镜，长波校正镜1，滤光片，长波校正镜2，长波校正镜3，长波校正镜4，长波校正镜5，长波探测器组件，折转光路从光束入射方向依次排布包括主镜，次镜，准直镜1，准直镜2，分光镜，中波校正镜1，中波校正镜2，中波校正镜3，中波转折反射镜，中波校正镜4，中波校正镜5，中波探测器组件。主镜，次镜，准直镜1，准直镜2为共用光学元件，主镜面型为抛物面，其焦距和系统总焦距的比值在0.4～0.5之间；次镜面型为高次非球面，其焦距和系统总焦距的比值在0.1～0.2之间；准直镜1中至少包含一个非球面，其焦距和系统总焦距的比值在-0.2～-0.1之间；准直镜2中至少包含一个非球面，其焦距和系统总焦距的比值在-5.5～-5.0之间；长波校正镜1至少包含一个非球面，其焦距和系统总焦距的比值在0.12～0.18之间；滤光片为硒化锌制造而成的平行平板；长波校正镜2至少包含一个非球面，其焦距和系统总焦距的比值在-0.86～-0.82之间；长波校正镜3至少包含一个非球面，其焦距和系统总焦距的比值在-0.13～-0.08之间；长波校正镜4至少包含一个非球面，其焦距和系统总焦距的比值在-4.3～-3.2之间；长波校正镜5至少包含一个非球面，其焦距和系统总焦距的比值在-0.16～-0.10之间；中波校正镜1至少包含一个非球面，其焦距和系统总焦距的比值在-0.07～-0.01之间；中波校正镜2为球面镜，其焦距和系统总焦距的比值在0.02～0.09之间；中波校正镜3至少包含一个非球面，其焦距和系统总焦距的比值在0.18～0.54之间；中波校正镜4为球面镜，其焦距和系统总焦距的比值在-0.16～-0.05之间；中波校正镜5至少包含一个非球面，其焦距和系统总焦距的比值在0.13～0.25之间。
其中，红外双波段共孔径折反射成像系统的遮拦比为0.27。
其中，该红外双波段共孔径折反射成像系统工作波段为中波红外3.5-5.0μm和长波红外7.5-12μm。
其中，该红外双波段共孔径折反射成像系统的工作温度范围为10℃-40℃。
本发明的原理在于：
一种红外双波段共孔径折反射成像系统，用于将无穷远处中波光谱波段和长波光谱波段的目标辐射成像在长波红外探测器和中波红外探测器上。该红外双波段共孔径折反射成像系统，主光路为长波红外光路，折转光路为中波红外光路，主光路从光束入射方向依次排布包括主镜，次镜，准直镜1，准直镜2，分光镜，长波校正镜1，滤光片，长波校正镜2，长波校正镜3，长波校正镜4，长波校正镜5，长波探测器组件，折转光路从光束入射方向依次排布包括主镜，次镜，准直镜1，准直镜2，分光镜，中波校正镜1，中波校正镜2，中波校正镜3，中波转折反射镜，中波校正镜4，中波校正镜5，中波探测器组件。主镜具有负光焦度，次镜具有负光焦度，准直镜1具有正光焦度，准直镜2具有正光焦度，长波校正镜1具有负光焦度，长波校正镜2具有正光焦度，长波校正镜3具有正光焦度，长波校正镜4具有正光焦度，长波校正镜5具有正光焦度；中波校正镜1具有正光焦度，中波校正镜2具有负光焦度，中波校正镜3具有负光焦度，中波校正镜4具有正光焦度，中波校正镜5具有负光焦度，红外探测器均采用制冷型红外探测器，所述的红外双波段共孔径折反射成像系统中长波红外光路中使用了锗和硒化锌两种光学材料，中波红外光路中使用了硅、锗和硫化锌三种光学材料，本发明的红外双波段共孔径折反射成像系统具有结构相对紧凑、重量轻、成像质量好、可在较宽温度内工作等优点。
本发明具有以下优点：
1、本发明的一种红外双波段共孔径折反射成像系统采用共用四个元件完成红外双波段成像，有效减轻了系统重量，减小了系统尺寸。
2、本发明的一种红外双波段共孔径折反射成像系统中结构比较紧凑。
3、本发明的一种红外双波段共孔径折反射成像系统中的除硅外的所有光学元件均可以利用金刚石车床车削加工，加工精度高。
附图说明
图1为本发明的红外双波段共孔径折反射成像系统的光路示意图。
图2为长波红外系统不同温度下的MTF曲线示意图，其中，图(a)为20℃时长波红外系统的MTF曲线，图(b)为10℃时长波红外系统的MTF曲线，图(c)为40℃时长波红外系统的MTF曲线；
图3为中波红外系统不同温度下的MTF曲线示意图，其中，图(a)为20℃时中波红外系统的MTF曲线，图(b)为10℃时中波红外系统的MTF曲线，图(c)为40℃时中波红外系统的MTF曲线。
图1标号说明：1-主镜、2-次镜、3-准直镜1、4-准直镜2、5-分光镜、6-长波校正镜1、7-滤光片、8-长波校正镜2、9-长波校正镜3、10-长波校正镜4、11-长波校正镜5、12-长波探测器组件、13-中波校正镜1、14-中波校正镜2、15-中波校正镜3、16-中波转折反射镜、17-中波校正镜4、18-中波校正镜5、19-中波探测器组件。
具体实施方式
如图1所示，本发明提出了一种红外双波段共孔径折反射成像系统，为减轻系统重量和减小系统体积，该红外双波段共孔径折反射成像系统，共用4个光学元件，即主镜1，次镜2，准直镜1，准直镜2，分光镜5为45度倾斜放置的透镜，通过在分光镜5的前表面镀膜实现红外双波段分光，长波校正镜1、长波校正镜2、长波校正镜3、长波校正镜4、长波校正镜5用来校正长波红外支路中共用元件校正后在长波红外波段的剩余像差，滤光片7用来实现滤掉不需要波段的光谱，中波校正镜1、中波校正镜2、中波校正镜3、中波校正镜4、中波校正镜5用来校正中波红外支路中共用元件校正后在中波红外波段的剩余像差，中波转折反射镜16为45度倾斜放置的平面反射镜，用来折转光线，起到减小系统体积的作用。
该红外双波段共孔径折反射成像系统具有结构相对紧凑、重量轻、成像质量好、可在较宽温度内工作等优点。
所述的一种红外双波段共孔径折反射成像系统，其特征在于，红外双波段共孔径折反射成像系统的主镜，次镜，准直镜1，准直镜2为共用光学元件。
所述的一种红外双波段共孔径折反射成像系统，其特征在于，红外双波段共孔径折反射成像系统的主镜面型为抛物面，其焦距和系统总焦距的比值在0.4～0.5之间。
所述的一种红外双波段共孔径折反射成像系统，其特征在于，红外双波段共孔径折反射成像系统的次镜面型为高次非球面，其焦距和系统总焦距的比值在0.1～0.2之间。
所述的一种红外双波段共孔径折反射成像系统，其特征在于，红外双波段共孔径折反射成像系统的准直镜1中至少包含一个非球面，其焦距和系统总焦距的比值在-0.2～-0.1之间。
所述的一种红外双波段共孔径折反射成像系统，其特征在于，红外双波段共孔径折反射成像系统的准直镜2中至少包含一个非球面，其焦距和系统总焦距的比值在-5.5～-5.0之间。
所述的一种红外双波段共孔径折反射成像系统，其特征在于，红外双波段共孔径折反射成像系统的长波校正镜1至少包含一个非球面，其焦距和系统总焦距的比值在0.12～0.18之间。
所述的一种红外双波段共孔径折反射成像系统，其特征在于，红外双波段共孔径折反射成像系统的滤光片为硒化锌制造而成的平行平板。
所述的一种红外双波段共孔径折反射成像系统，其特征在于，红外双波段共孔径折反射成像系统的长波校正镜2至少包含一个非球面，其焦距和系统总焦距的比值在-0.86～-0.82之间。
所述的一种红外双波段共孔径折反射成像系统，其特征在于，红外双波段共孔径折反射成像系统的长波校正镜3至少包含一个非球面，其焦距和系统总焦距的比值在-0.13～-0.08之间。
所述的一种红外双波段共孔径折反射成像系统，其特征在于，红外双波段共孔径折反射成像系统的长波校正镜4至少包含一个非球面，其焦距和系统总焦距的比值在-4.3～-3.2之间。
所述的一种红外双波段共孔径折反射成像系统，其特征在于，红外双波段共孔径折反射成像系统的长波校正镜5至少包含一个非球面，其焦距和系统总焦距的比值在-0.16～-0.10之间。
所述的一种红外双波段共孔径折反射成像系统，其特征在于，红外双波段共孔径折反射成像系统的中波校正镜1至少包含一个非球面，其焦距和系统总焦距的比值在-0.07～-0.01之间。
所述的一种红外双波段共孔径折反射成像系统，其特征在于，红外双波段共孔径折反射成像系统的中波校正镜2为球面镜，其焦距和系统总焦距的比值在0.02～0.09之间。
所述的一种红外双波段共孔径折反射成像系统，其特征在于，红外双波段共孔径折反射成像系统的中波校正镜3至少包含一个非球面，其焦距和系统总焦距的比值在0.18～0.54之间。
所述的一种红外双波段共孔径折反射成像系统，其特征在于，红外双波段共孔径折反射成像系统的中波校正镜4为球面镜，其焦距和系统总焦距的比值在-0.16～-0.05之间。
所述的一种红外双波段共孔径折反射成像系统，其特征在于，红外双波段共孔径折反射成像系统的中波校正镜5至少包含一个非球面，其焦距和系统总焦距的比值在0.13～0.25之间。
所述的一种红外双波段共孔径折反射成像系统，其特征在于，红外双波段共孔径折反射成像系统的工作温度范围为10℃-40℃。
所述的一种红外双波段共孔径折反射成像系统，其特征在于，红外双波段共孔径折反射成像系统的遮拦比为0.27。
所述的一种红外双波段共孔径折反射成像系统，其特征在于，红外双波段共孔径折反射成像系统的工作波段为中波红外3.5-5.0μm和长波红外7.5-12μm。
为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图2和具体实施例对本发明作进一步说明。
图2为发明的红外双波段共孔径折反射成像系统的光路示意图，光线经过主镜、次镜、准直镜1、准直镜2后到达分光镜，在分光镜上进行红外双波段分光，透射长波红外，反射中波红外，然后经过各自的校正透镜组后到达各自的红外探测器靶面。
本实施例的具体优化措施为应用光学设计软件构造优化函数，并加入像差与结构限制参量，逐步优化为现有结果。
本实施例通过以下技术措施实现：系统工作波段为中波红外3.5-5.0μm和长波红外7.5-12μm，主镜口径为152mm，中波红外系统和长波红外系统焦距均为292mm，中波红外支路和长波红外支路视场均为1.21°，工作温度范围为10℃-40℃。
MTF曲线是红外光学系统的重要评价指标，图2、图3分别为长波红外系统、中波红外系统不同温度下的MTF曲线示意图，横坐标和纵坐标分别为像面上的空间频率和光学系统的调制传递函数值，可知，在16lines/mm空间频率处，长波红外系统全视场内长波红外系统的MTF基本都大于0.4，中波红外系统全视场内长波红外系统的MTF基本都大于0.7，都基本接近衍射极限，说明该红外双波段共孔径折反射成像系统在全视场范围内已有较好的成像质量。

Claims (4)

1.一种红外双波段共孔径折反射成像系统，其特征在于，主光路为长波红外光路，折转光路为中波红外光路；主光路从光束入射方向依次排布包括主镜(1)，次镜(2)，准直镜1(3)，准直镜2(4)，分光镜(5)，长波校正镜1(6)，滤光片(7)，长波校正镜2(8)，长波校正镜3(9)，长波校正镜4(10)，长波校正镜5(11)和长波探测器组件(12)；折转光路从光束入射方向依次排布包括主镜(1)，次镜(2)，准直镜1(3)，准直镜2(4)，分光镜(5)，中波校正镜1(13)，中波校正镜2(14)，中波校正镜3(15)，中波转折反射镜(16)，中波校正镜4(17)，中波校正镜5(18)和中波探测器组件(19)；主镜(1)，次镜(2)，准直镜1(3)，准直镜2(4)为共用光学元件，主镜(1)面型为抛物面，其焦距和系统总焦距的比值在0.4～0.5之间；次镜(2)面型为高次非球面，其焦距和系统总焦距的比值在0.1～0.2之间；准直镜1(3)中至少包含一个非球面，其焦距和系统总焦距的比值在-0.2～-0.1之间；准直镜2(4)中至少包含一个非球面，其焦距和系统总焦距的比值在-5.5～-5.0之间；长波校正镜1(6)至少包含一个非球面，其焦距和系统总焦距的比值在0.12～0.18之间；滤光片(7)为硒化锌制造而成的平行平板；长波校正镜2(8)至少包含一个非球面，其焦距和系统总焦距的比值在-0.86～-0.82之间；长波校正镜3(9)至少包含一个非球面，其焦距和系统总焦距的比值在-0.13～-0.08之间；长波校正镜4(10)至少包含一个非球面，其焦距和系统总焦距的比值在-4.3～-3.2之间；长波校正镜5(11)至少包含一个非球面，其焦距和系统总焦距的比值在-0.16～-0.10之间；中波校正镜1(13)至少包含一个非球面，其焦距和系统总焦距的比值在-0.07～-0.01之间；中波校正镜2(14)为球面镜，其焦距和系统总焦距的比值在0.02～0.09之间；中波校正镜3(15)至少包含一个非球面，其焦距和系统总焦距的比值在0.18～0.54之间；中波校正镜4(17)为球面镜，其焦距和系统总焦距的比值在-0.16～-0.05之间；中波校正镜5(18)至少包含一个非球面，其焦距和系统总焦距的比值在0.13～0.25之间。
2.根据权利要求1所述的一种红外双波段共孔径折反射成像系统，其特征在于，红外双波段共孔径折反射成像系统的遮拦比为0.27。
3.根据权利要求1所述的一种红外双波段共孔径折反射成像系统，其特征在于，该红外双波段共孔径折反射成像系统工作波段为中波红外3.5-5.0μm和长波红外7.5-12μm。
4.根据权利要求1所述的一种红外双波段共孔径折反射成像系统，其特征在于，该红外双波段共孔径折反射成像系统的工作温度范围为10℃-40℃。
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