CN104965299A - 一种大口径长焦距折返式红外非制冷成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明的大口径长焦距折返式红外非制冷成像系统，其特别之处在于：包括沿光轴由外至内依次设置的次反射镜、主反射镜、透镜组和非制冷红外探测器，主反射镜的中央开设有圆形通孔；主反射镜将场景内的入射光线反射至次反射镜上，经次反射镜反射的光线穿过通孔后进入透镜组，透镜组对光线折射后使其聚焦在非制冷红外探测器上，以实现长焦距非制冷红外成像。本发明的红外非制冷成像系统，入射的光线首先经主反射镜向前反射，然后再经次反射镜向后反射，解决了由于锗材料尺寸的限制非制冷红外系统焦距不能做到很大的问题，可以达到上千毫米焦距；具有长焦距、结构紧凑、视场大的有点，可广泛应用于航空、航天等光电成像领域。

Description

一种大口径长焦距折返式红外非制冷成像系统

技术领域

本发明涉及一种非制冷成像系统，更具体的说，尤其涉及一种大口径长焦距折返式红外非制冷成像系统。

背景技术

由于受制于目前的非制冷红外焦平面探测器技术水平，温度灵敏度不能像制冷型红外探测器那样小，这里指出，目前非制冷型焦平面探测器的灵敏度一般在40mk-120mk之间,大多数为50mk-80mk，而制冷型焦平面探测器要小于20mk。同时目前非制冷红外探测器主要是进口，国产非制冷探测器研制处于起步阶段，同国外产品有较大差距，然而可以进口到我国的非制冷红外探测器性能却与美国、法国等制造该产品的国家国内使用的探测器有差别，这里除了温度灵敏度(NETD)外，还有盲元率，探测器均匀性等方面的差异。因此国内用于非制冷红外热像仪系统的红外镜头为了增加进光量，一般F数比较小。一般在1.2以下，有的甚至会达到0.8、0.7。然而目前用于长波红外的材料比较有限，使用成熟的材料，一般是锗单晶和硒化锌，硒化锌可以合成大的面型，但是本身材料昂贵，并且具有优异光学性能的硒化锌主要是进口，而国外对此又有所管制；我们国内拥有大量的锗矿，锗只是相对硒化锌要便宜一些，且光学性能要好于硒化锌，但是锗单晶的生长工艺目前直径最大只有350㎜左右，这也就决定了我们能得到的非制冷系统焦距大约在400㎜左右，这样大小的焦距，在可见光系统、制冷红外系统、天文望远镜系统都显得很小，不能够看的更远。如何做一个更大焦距的非制冷红外系统是现在的难题。

发明内容

本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种大口径长焦距折返式红外非制冷成像系统。

本发明的大口径长焦距折返式红外非制冷成像系统，其特别之处在于：包括沿光轴由外至内依次设置的次反射镜、主反射镜、透镜组和非制冷红外探测器，主反射镜的中央开设有圆形通孔；主反射镜将场景内的入射光线反射至次反射镜上，经次反射镜反射的光线穿过通孔后进入透镜组，透镜组对光线折射后使其聚焦在非制冷红外探测器上，以实现长焦距非制冷红外成像。

由外界场景进入的光线首先经主反射镜向前反射，然后再由次反射镜向后反射，这样就形成了“折返式”光路，有利于形成大焦距的成像系统；经次反射镜反射的光线穿过通孔再经过透镜组的折射，最终照射到非制冷红外探测器上，实现长焦距、大口径、高分辨率的红外成像。

本发明的大口径长焦距折返式红外非制冷成像系统，所述主反射镜和次反射镜均为具有正屈光度的反射式光学元件，主反射镜朝向次反射镜的曲面为反射面，次反射镜朝向主反射镜的曲面为反射面，主反射镜和次反射镜的反射面均为非球面。

本发明的大口径长焦距折返式红外非制冷成像系统，所述红外非制冷成像系统的光阑设置于主反射镜上，次反射镜与主反射镜的直径之比小于1/3，遮拦比小于1/9。

本发明的大口径长焦距折返式红外非制冷成像系统，所述主反射镜和次反射镜均由光学铝材料制成，透镜组的材料为锗。

本发明的大口径长焦距折返式红外非制冷成像系统，所述透镜组由第一透镜、第二透镜和第三透镜组成，第三透镜朝向非制冷红外探测器一侧的曲面为非球面。

本发明的大口径长焦距折返式红外非制冷成像系统，定义主反射镜和次反射镜的反射面分别为S1、S2，第一透镜、第二透镜和第三透镜背向非制冷红外探测器的曲面分别为S3、S5和S7，朝向非制冷红外探测器的曲面分别为S4、S6和S8，非制冷红外探测器的成像面为S9；曲面S1至S8的曲率半径分别为-1028.94mm、-550.35mm、192.5mm、300.88mm、268.58mm、168.38mm、100.56mm、80.34mm，S1至S9中相邻两曲面的间距分别为-428.787mm、450.455mm、13、14.37mm、11mm、17.545mm、15mm、36.433mm。

本发明的大口径长焦距折返式红外非制冷成像系统，所述主反射镜、次反射镜和第三透镜上的非球面S1、S2和S8通过公式(1)进行确定：

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+{\mathrm{\α}}_4{r}^4+{\mathrm{\α}}_6{r}^6+{\mathrm{\α}}_8{r}^8---\left(1\right)$

其中，k为非球面的圆锥系数，α₄、α₆、α₈为非球面的4次、6次、8次系数；r为非球面上距离光轴垂直方向上的高度，z为非球面上距离透镜中心水平方向上的距离；

非球面S1、S2和S8的各参数取值如下表：

	k	α4	α6	α8
					曲面S1	-0.45	-1.2276×10-8	4.8167×10-12	-2.4654×10-15
曲面S2	-0.60	-2.3976×10-8	1.1130×10-12	-3.3389×10-15
					曲面S8	-0.86	2.1301×10-8	2.3160×10-12	2.0819×10-15

本发明的有益效果是：本发明的红外非制冷成像系统，入射的光线首先经主反射镜向前反射，然后再经次反射镜向后反射并通过通孔，通过通孔的光线经透镜组的折射后最终在非制冷红外探测器上成像，解决了由于锗材料尺寸的限制，非制冷红外系统焦距不能做到很大的问题，所形成的非制冷红外光学系统的焦距很大，可以达到上千毫米焦距。

通过将主反射镜、次反射镜的反射面以及第三透镜的后曲面做成非球面，有利于进行较好的相差修正并有利于减小系统长度，同时带来了更出色的锐度和更高的分辨率，使得整个光学系统的成像效果更佳。

本发明的红外非制冷成像系统具有长焦距、结构紧凑、视场大的有点，可广泛应用于航空、航天等光电成像领域。

附图说明

图1为本发明的大口径长焦距折返式红外非制冷成像系统的结构原理图。

图中：1次反射镜，2主反射镜，3第一透镜，4第二透镜，5第三透镜，6非制冷红外探测器。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，给出了本发明的大口径长焦距折返式红外非制冷成像系统的结构原理图，其包括由物侧至像侧沿光轴依次设置的主反射镜2、次反射镜1、透镜组和非制冷红外探测器6，次反射镜1位于主反射镜2的左侧，透镜组位于主反射镜2的右侧，次反射镜1、主反射镜2、透镜组和非制冷红外探测器6均同轴设置。主反射镜2的中央开设有通孔，视场中的光线照射到主反射镜2上之后，主反射镜2将光线反射到左端的次反射镜1上，次反射镜1再将光线向右反射。经次反射镜1反射的光线通过主反射镜2上的通孔后，再经透镜组的折射最终照射在非制冷红外探测器6上，实现红外成像。

整个红外非制冷成像系统，由于采用了主反射镜2首先向前反射光线、再由次反射镜1向后反射光线的“折返式”结构形式，不仅利用主反射镜2的大尺寸实现了整个成像系统的大口径，而且在保证具有紧凑尺寸的情况下，形成了大焦距的成像系统，实现了利用较小尺寸的锗单晶红外探测器进行长焦距的红外成像探测。

所示主反射镜2朝向次反射镜1的曲面为反射面，经过该反射面可将入射的光线反射至次反射镜1上。次反射镜1朝向主反射镜2的曲面为反射面，经过该反射面反射的光线通过通孔进入后端的透镜组。主反射镜2和次反射镜1的反射面均为非球面，主反射镜2和次反射镜1可以采用普通材料加工，比如K9、铝等，它们可以做成很大直径的光学玻璃，同时这种结构不需要使用施密特校正板，不涉及使用大口径锗，使用铝更加容易加工出非球面。主反射镜2和次反射镜1只使用该光学件的一个曲面，另一面可不做加工处理。

所示的透镜组由第一透镜3、第二透镜4和第三透镜5组成，三个透镜也均同轴设置，由次反射镜1反射的光线通过通孔后，依次经第一透镜3、第二透镜4和第三透镜5的折射，最终照射在后端的非制冷红外探测器6上，实现红外成像。第三透镜5朝向非制冷红外探测器6的曲面为非球面，第一透镜3、第二透镜4和第三透镜5均由锗材料制成。

光阑设置在主反射镜2上，次反射镜1与主反射镜2直径之比小于1/3，遮拦比小于1/9，有效进光面积约为90％。

定义主反射镜和次反射镜的反射面分别为S1、S2，第一透镜、第二透镜和第三透镜背向非制冷红外探测器的曲面分别为S3、S5和S7，朝向非制冷红外探测器的曲面分别为S4、S6和S8，非制冷红外探测器的成像面为S9，以光焦距为600㎜的非制冷红外光学系统为例，各反射镜和透镜的具体参数如表1所示：

表1

曲面S1、S2和S8均为非球面，其参数如表2所示：

表2

	k	α4	α6	α8
					曲面S1	-0.45	-1.2276×10-8	4.8167×10-12	-2.4654×10-15
曲面S2	-0.60	-2.3976×10-8	1.1130×10-12	-3.3389×10-15

曲面S8

-0.86

2.1301×10-8

2.3160×10-12

2.0819×10-15

非球面S1、S2、S8通过公式(1)进行确定：

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+{\mathrm{\α}}_4{r}^4+{\mathrm{\α}}_6{r}^6+{\mathrm{\α}}_8{r}^8---\left(1\right)$

其中，k为非球面的圆锥系数，α₄、α₆、α₈为非球面的4次、6次、8次系数；r为非球面上距离光轴垂直方向上的高度，z为非球面上距离透镜中心水平方向上的距离；

非球面具有更佳的曲率半径，可以进行较好的像差修正并有利于减小系统长度，以获得所需的性能。非球面透镜的应用，带来了出色的锐度和更高的分辨率，使整个光学系统的光学效果更佳。

光学系统焦距为600㎜，F数为0.9，考虑挡光部分，等效换算为600㎜，F数1.0的系统。该系统适用于波长8-12μm的长波红外。适用的探测器为像素数324×256、像元大小为38μm，同时可以兼容高分辨率640×512，像元大小为17μm的探测器。

Claims (7)

1.一种大口径长焦距折返式红外非制冷成像系统，其特征在于：包括沿光轴由外至内依次设置的次反射镜(1)、主反射镜(2)、透镜组和非制冷红外探测器(6)，主反射镜的中央开设有圆形通孔；主反射镜将场景内的入射光线反射至次反射镜上，经次反射镜反射的光线穿过通孔后进入透镜组，透镜组对光线折射后使其聚焦在非制冷红外探测器上，以实现长焦距非制冷红外成像。

2.根据权利要求1所述的大口径长焦距折返式红外非制冷成像系统，其特征在于：所述主反射镜(2)和次反射镜(1)均为具有正屈光度的反射式光学元件，主反射镜朝向次反射镜的曲面为反射面，次反射镜朝向主反射镜的曲面为反射面，主反射镜和次反射镜的反射面均为非球面。

3.根据权利要求1或2所述的大口径长焦距折返式红外非制冷成像系统，其特征在于：所述红外非制冷成像系统的光阑设置于主反射镜(2)上，次反射镜(1)与主反射镜的直径之比小于1/3，遮拦比小于1/9。

4.根据权利要求1或2所述的大口径长焦距折返式红外非制冷成像系统，其特征在于：所述主反射镜(2)和次反射镜(1)均由光学铝材料制成，透镜组的材料为锗。

5.根据权利要求2所述的大口径长焦距折返式红外非制冷成像系统，其特征在于：所述透镜组由第一透镜(3)、第二透镜(4)和第三透镜(5)组成，第三透镜(5)朝向非制冷红外探测器(6)一侧的曲面为非球面。

6.根据权利要求5所述的大口径长焦距折返式红外非制冷成像系统，其特征在于：定义主反射镜(2)和次反射镜(1)的反射面分别为S1、S2，第一透镜(3)、第二透镜(4)和第三透镜(5)背向非制冷红外探测器(6)的曲面分别为S3、S5和S7，朝向非制冷红外探测器的曲面分别为S4、S6和S8，非制冷红外探测器的成像面为S9；曲面S1至S8的曲率半径分别为-1028.94mm、-550.35mm、192.5mm、300.88mm、268.58mm、168.38mm、100.56mm、80.34mm，S1至S9中相邻两曲面的间距分别为-428.787mm、450.455mm、13、14.37mm、11mm、17.545mm、15mm、36.433mm。

7.根据权利要求5或6所述的大口径长焦距折返式红外非制冷成像系统，其特征在于：所述主反射镜(2)、次反射镜(1)和第三透镜(5)上的非球面S1、S2和S8通过公式(1)进行确定：

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+{\mathrm{\α}}_4{r}^4+{\mathrm{\α}}_6{r}^6+{\mathrm{\α}}_8{r}^8---\left(1\right)$

其中，k为非球面的圆锥系数，α₄、α₆、α₈为非球面的4次、6次、8次系数；r为非球面上距离光轴垂直方向上的高度，z为非球面上距离透镜中心水平方向上的距离；

非球面S1、S2和S8的各参数取值如下表：

k α₄ α₆ α₈ 曲面S1 -0.45 -1.2276×10^-8 4.8167×10^-12 -2.4654×10^-15 曲面S2 -0.60 -2.3976×10^-8 1.1130×10^-12 -3.3389×10^-15 曲面S8 -0.86 2.1301×10^-8 2.3160×10^-12 2.0819×10^-15

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