CN105044887A - 一种制冷型大相对孔径超广角红外光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制冷型大相对孔径超广角红外光学系统。采用制冷型红外探测器，光学系统光阑与探测器冷光阑100％匹配。本广角光学系统，采用了反远距型非对称结构形式，大相对孔径、超120°广角成像。本发明的优点在于：系统像质接近衍射限、体积小、重量轻、照度均匀。

Description

一种制冷型大相对孔径超广角红外光学系统

技术领域：

本发明涉及一种红外光学系统，具体涉及一种制冷型大相对孔径超广角红外光学系统。

背景技术：

广角光学系统通常采用对称型结构形式。对称型光学系统的光阑位于镜头中部，前后半部透镜镜组相对光阑对称。根据几何光学与像差理论，在对称型结构型式下，光学系统的垂轴像差可自动消除，只需矫正球差、像散、场曲和位置色差，即可校正全部七种像差。典型的对称型光学系统比如双高斯物镜，应用十分广泛，衍生型式丰富。对称型光学系统有利于大视场大相对孔径的实现，还可以做到结构紧凑，因此广角光学系统通常采用对称型结构形式，其光阑大都位于镜头内部。相关的专利很多，比如专利申请号为CN201310521802.2的《一种超广角镜头》专利，共五片透镜，其光阑位于第三四透镜之间；再比如专利申请号为CN201410255337.7的《一种新型的超广角镜头》专利，共八片透镜，其光阑位于第四五透镜之间；再比如专利申请号为CN201410124548.7的《一种红外共焦光学系统》专利，共六片透镜，其光阑位于第二三透镜之间。

制冷型红外探测器与非制冷型红外探测器相比，由于其工作温度较低，通常可实现更高的信噪比、更高的探测率、更长的响应波长和更短的响应时间。红外光学系统与制冷型红外探测器搭配使用，能获得更远的探测距离。因此，对于性能要求较高的场合，需要选用制冷型红外探测器。

但相应的，为了减少背景噪声，制冷型红外探测器的杜瓦内部设置了冷光阑。与制冷型红外探测器搭配使用的红外光学系统，需要将光学系统的孔径光阑与探测器冷光阑完全匹配，才能将背景热噪声的影响降至最低，实现最佳的成像性能。因此，光阑位于中间的对称型结构的广角光学系统，无法与制冷型探测器匹配。

与制冷型探测器匹配的红外广角光学系统的相关专利，目前查到很少。比如专利申请号为CN201410364937.7的《红外光学系统及红外光学设备》专利，共一片杜瓦瓶窗口和三片透镜，全部透镜位于杜瓦瓶内部，光阑位于第二透镜和第三透镜之间。这种作法有一定新意，但仍采用了对称的结构形式，需要特别定制杜瓦瓶，使得杜瓦瓶的尺寸明显增大，对于抽真空的要求相应也要大幅提高，不利于后期维护，降低了系统的稳定性。并且所有镜片均安装在杜瓦瓶内部，对于装配光校等操作都相当不便。其它的红外广角光学系统，大都与非制冷型红外探测器匹配，目前还没有查到与制冷型红外探测器匹配的广角红外光学系统专利。

发明内容：

本发明的目的在于，提供一种制冷型大相对孔径超广角红外光学系统，解决普通广角光学系统采用对称型结构，光阑位于光学系统内部，无法与制冷型探测器的冷光阑匹配的问题。

本发明的光学系统适用于机载环境，可用于地温监测、林火监测等灾害预报与分析，比如探测地热场基础数据和异常数据，以便实现后续红外地温异常提取和地震预测。为了获得更好的性能，系统采用制冷型红外探测器，光学系统光阑与探测器冷光阑100％匹配。常规情况下，光阑位于中间的对称型结构，更有助于实现大视场、大相对孔径、结构紧凑的设计目标，但这种对称型结构无法实现冷光阑匹配。

本发明提供了一种四片折射式的大相对孔径超广角中波红外光学系统，与制冷型探测器匹配，该系统冷光阑效率100％，可以较好地抑制杂散光。从第一透镜1的前表面到制冷型红外探测器像面7的距离不超过70mm。四片透镜的总重量不超过8克。体积极小，重量极轻，适用于机载体积重量严格受限的环境。系统F/#<2，具有大相对孔径的特点。系统的全视场角FOV≥120°，具有超广角的能力。系统仅由四片小口径镜片组成，结构简单，成本低，且有效提高了光学系统透过率。在20lp/mm处的光学系统边缘视场传递函数值达到了60％以上，且各视场点列图的均方根半径均小于10um，即各视场点列图弥散斑均位于探测器30um大小的单个像元内，由此认为本光学系统具有良好的像质与清晰度。

本发明是通过以下技术方案实现的：用于红外成像的光学系统从物方至像方按顺序由第一透镜1，第二透镜2，第三透镜3，第四透镜4，杜瓦窗口5，孔径光阑6组成。该光学系统以红外探测器的冷光阑为其孔径光阑。来自物方的光束依次通过第一透镜1，第二透镜2，第三透镜3，第四透镜4，杜瓦窗口5，孔径光阑6，在像面7上成像。

第一透镜1是锗球面透镜，第二透镜2是锗材料制成的非球面透镜，其前表面S2-1是非球面，第三透镜3是氟化钡球面透镜，第四透镜4是硅球面透镜，杜瓦窗口5是硅平板；所述孔径光阑6与红外探测器冷光阑位置和大小重合。

本光学系统在第二透镜2的锗材料上使用了非球面来进一步消除像差，增大视场。通常情况下，锗材料比硅材料的硬度低，因此，更适合于加工非球面。

本光学系统的第三透镜3使用了低折射率、高色散的氟化钡材料，它与其它材料搭配使用，可以优化轴向色差

其中，第一透镜1和第二透镜2组成了具有负光焦度的前透镜群组，第三透镜3和第四透镜4组成了具有正光焦度的后透镜群组，负组在前，正组在后。前透镜群组和后透镜群组共同组成了反远距摄影的结构型式。采用反远距的结构型式可以将主面后移，便于实现冷光阑匹配的应用目标。

对称型结构的广角物镜的一个重要问题是视场边缘照度显著降低。而本发明采用的是反远距型的结构型式，负组在前，正组在后，从而控制边缘视场主光线射入探测器的角度较小，因此其视场边缘照度下降并不明显。本发明的光学系统的像面相对照度图如图4所示，边缘视场与中心视场相比的照度下降不超过5％。

本发明的优点在于，它具有大相对孔径、超广角120°清晰成像、100％冷光阑匹配、像质接近衍射限、体积小、重量轻、照度均匀的优点。

附图说明：

图1为本发明的光学系统具体结构示意图。

图2为本发明的光学系统的调制传递函数图。

图3为本发明的光学系统的点列图。

图4为本发明的光学系统的像面相对照度图。

图1中，1代表第一透镜，S1-1代表第一透镜前表面，S1-2代表第一透镜后表面，2代表第二透镜，S2-1代表第二透镜前表面，S2-2代表第二透镜后表面，3代表第三透镜，S3-1代表第三透镜前表面，S3-2代表第三透镜后表面，4代表第四透镜，S4-1代表第四透镜前表面，S4-2代表第四透镜后表面，5代表杜瓦窗口，S5-1代表杜瓦窗口前表面，S5-2代表杜瓦窗口后表面，6代表孔径光阑，7代表像面。

具体实施方式：

按照附图1的示意图所标示，本发明的制冷型大相对孔径超广角红外光学系统，透镜组参数如表1所示，非球面数据如表2所示：

表1透镜组参数

表2非球面数据

面序号	k	A2	A4	A6	A8
						S2-1	0	0	-1.439E-4	-9.196E-7	-2.692E-8

本发明未经描述的技术特征可以通过现有技术实现，在此不再赘述。当然，上述说明仅为本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，例如把硅/锗/氟化钡材料进行相应的替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种制冷型大相对孔径超广角红外光学系统，包括由第一透镜(1)和第二透镜(2)组成的负光焦度的前透镜群组和由第三透镜(3)和第四透镜(4)组成的正光焦度的后透镜群组，其特征在于，来自无穷远物方的平行光束依次通过前透镜群组，后透镜群组，杜瓦窗口(5)，孔径光阑(6)，在像面(7)上成像；其中第一透镜(1)是锗球面透镜，第二透镜(2)是锗材料制成的非球面透镜，第二透镜前表面(S2-1)是非球面；第三透镜(3)是氟化钡球面透镜，第四透镜(4)是硅球面透镜；杜瓦窗口(5)是硅平板；所述孔径光阑(6)与红外探测器冷光阑位置和大小重合。