CN106019544B - 一种制冷型双波段红外光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制冷型双波段红外光学系统，从物方到像方依次包括长波红外光学系统和中波红外光学系统，所述的长波红外光学系统依次由主物镜组、分光平板、长波中继透镜组、长波反射镜、长波调焦透镜和长波后固定组组成，所述的中波红外光学系统依次由主物镜组、分光平板、中波中继透镜组、中波反射镜、中波调焦透镜和中波后固定组组成；制冷型中波长波双波段红外光学系统采用二次成像结构型式，利于红外成像光谱仪的光瞳衔接，减小体积和重量，结构简单稳定。
Description
技术领域
本发明属于红外光学技术领域，具体涉及一种制冷型中波/长波双波段红外光学系统。
背景技术
红外光谱仪是科学研究和分析检测中非常重要的设备，而现场级多波段红外成像光谱仪是新一代的检测和分析设备，具有“图谱合一”的特性，结合了传统光谱仪和光电成像技术的特点，可同时提供图像二维信息和高分辨率的光谱信息，拥有全面的成像分析能力、较高的光谱分辨率，在海洋环境监测、空气污染监测、国防研究、公共安全等领域有着广泛的应用价值。
多波段红外光学系统作为现场级多波段红外成像光谱仪的核心组成部分，响应波段范围更宽，可以获得更丰富的光谱信息，使设备的分析和探测能力得到很大提升。
为使现场级多波段红外成像光谱仪获得更高更精确的探测和分析能力，多波段红外光学系统使用制冷型探测器，且为了获得更小的体积和重量，多波段红外光学系统需和红外成像光谱仪干涉光学系统进行严格的光瞳匹配。
之前报道的专利号为200910272921.2双波段红外光学系统，使用非制冷探测器，且没有提出光瞳匹配的问题；专利号为201110198848.6双色双视场红外成像光学系统应用背景是搜索跟踪目标，故也没有考虑光瞳匹配问题；二者都无法满足现场级多波段红外成像光谱仪使用要求。
发明内容
本发明的目的在于根据现有技术的不足，设计一种制冷型中波/长波双波段红外光学系统，以解决现场级多波段红外成像光谱仪光瞳匹配问题，进而减小成像光谱仪体积和重量。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种制冷型双波段红外光学系统，从物方到像方依次包括长波红外光学系统和中波红外光学系统；所述的长波红外光学系统包括依次设置在入射光光轴上的主物镜组和分光平板，以及依次设置在分光平板透射光的光轴上的长波中继透镜组和长波反射镜，以及依次设置在长波反射镜反射光的光轴上的长波调焦透镜和长波后固定组；所述的中波红外光学系统包括依次设置在分光平板反射光的光轴上的中波中继透镜组和中波反射镜，以及依次设置在中波反射镜反射光的光轴上的中波调焦透镜和中波后固定组；所述中波红外光学系统和长波红外光学系统共用的主物镜组包括第一主物镜和第二主物镜，所述的第一主物镜为凸面朝向物方的正光焦度平凸透镜，所述的第二主物镜为负光焦度平凹透镜；所述的分光平板为前表面镀膜的平板玻璃，以实现长波红外透射和中波红外反射；所述的长波中继透镜组包括第一长波中继透镜和第二长波中继透镜，所述的第一长波中继透镜为凹面朝向分光平板的正光焦度弯月透镜，所述的第二长波中继透镜为凹面朝向长波反射镜的负光焦度弯月透镜；所述的长波调焦透镜为一片具有正光焦度的双凸透镜；所述的长波后固定组为凸面朝向长波反射镜的正光焦度弯月透镜；所述的中波中继透镜组包括第一中波中继透镜和第二中波中继透镜，所述的第一中波中继透镜为负光焦度双凹透镜，所述的第二中波中继透镜为凸面朝向中波反射镜的正光焦度弯月透镜；所述的中波调焦透镜和中波后固定组均为凸面朝向中波反射镜的正光焦度弯月透镜。
所述的一种制冷型双波段红外光学系统，其长波红外光学系统的工作波段为7.7—12μm；所述的中波红外光学系统的工作波段为3.7—4.8μm，F数为2。
所述的一种制冷型双波段红外光学系统，其分光平板法线与入射光的光轴成45°夹角；所述的长波反射镜法线与透射光的光轴成45°夹角；所述的中波反射镜法线与反射光的光轴成45°夹角。
所述的一种制冷型双波段红外光学系统，其第一长波中继透镜的后表面、长波调焦透镜的前表面和/或第二中波中继透镜的前表面为高次非球面。
所述的一种制冷型双波段红外光学系统，其分光平板上的镀膜为分光膜。
所述的一种制冷型双波段红外光学系统，其透镜材料为单晶硅或单晶锗；所述的分光平板采用单晶锗材料。
进一步，所述的一种制冷型双波段红外光学系统，其第一主物镜、第二主物镜、第一长波中继透镜、第二长波中继透镜、长波调焦透镜、长波后固定组和第二中波中继透镜均为单晶锗透镜，所述的分光平板为单晶锗平板玻璃。
所述的一种制冷型双波段红外光学系统，其第一中波中继透镜、中波调焦透镜和中波后固定组均为单晶硅透镜。
本发明的有益效果是：
1、本发明采用二次成像结构型式，不仅实现了100%冷光阑效率，还将入瞳设置在主物镜组前400mm处，利于红外成像光谱仪的光瞳衔接，减小体积和重量，结构简单而且稳定。
2、本发明只使用常规单晶锗和单晶硅红外材料，且在单晶锗材料上进行非球面设计，提高了光学系统的像质，缩短了长度。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中波红外光学系统在16lp/mm时的传递函数曲线图；
图3是本发明长波红外光学系统在16lp/mm时的传递函数曲线图；
图4是本发明中波红外光学系统的弥散斑图；
图5是本发明长波红外光学系统的弥散斑图。
各附图标记为：1—主物镜组，11—第一主物镜，12—第二主物镜，2—分光平板，3—长波中继透镜组，31—第一长波中继透镜，32—第二长波中继透镜，4—长波反射镜，5—长波调焦透镜，6—长波后固定组，7—中波中继透镜组，71—第一中波中继透镜，72—第二中波中继透镜，8—中波反射镜，9—中波调焦透镜，10—中波后固定组。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参照图1所示，作为基本的实施例，本发明公开了一种制冷型双波段红外光学系统，从物方到像方依次包括长波红外光学系统和中波红外光学系统。
所述的长波红外光学系统依次由主物镜组1、分光平板2、长波中继透镜组3、长波反射镜4、长波调焦透镜5和长波后固定组6组成；所述的中波红外光学系统依次由主物镜组1、分光平板2、中波中继透镜组7、中波反射镜8、中波调焦透镜9和中波后固定组10组成。
其中：所述中波红外光学系统和长波红外光学系统共用的主物镜组1包括第一主物镜11和第二主物镜12，所述的第一主物镜11为凸面朝向物方的正光焦度平凸透镜，所述的第一主物镜11沿凸面朝外的方向设置有入瞳位，所述的第二主物镜12为负光焦度平凹透镜，光学材料均为锗。
所述的分光平板2为前表面镀膜的锗材料的平板玻璃，倾斜45°使用，即分光平板2法线与入射光的光轴成45°夹角，以实现长波红外透射和中波红外反射，进一步，分光平板2上的镀膜为分光膜，经过分光平板2后，长波红外光轴会有Y方向的偏移，偏移量d的大小与材料折射率和厚度有关。
所述的长波中继透镜组3由两片弯月透镜组成，均为锗透镜，第一片弯向前固定组，第二片背向前固定组，即第一长波中继透镜31为凹面朝向分光平板2的正光焦度弯月透镜，所述的第二长波中继透镜32为凹面朝向长波反射镜4的负光焦度弯月透镜。
所述的长波反射镜4将光路进行90°空间转折，其法线与光轴夹角为45°，主要目的是折叠光路，提高空间利用率。
所述的长波调焦透镜5为一片具有正光焦度的双凸锗透镜，可沿轴向移动，用来补偿不同温度不同物距时像面漂移造成的长波红外系统像质下降。
所述的长波后固定组6由一片弯月锗透镜组成，即为凸面朝向长波反射镜4的正光焦度弯月透镜，用于将光线汇聚到长波探测器靶面上。
所述的中波中继透镜组7包括第一中波中继透镜71和第二中波中继透镜72，所述的第一中波中继透镜71为负光焦度双凹硅透镜，所述的第二中波中继透镜72为凸面朝向中波反射镜8的正光焦度锗弯月透镜。
所述的中波反射镜8法线与反射光的光轴成45°夹角，主要目的是折叠光路，提高空间利用率。
所述的中波调焦透镜9和中波后固定组10均为凸面朝向中波反射镜8的正光焦度弯月透镜，用来补偿不同温度不同物距时像面漂移造成的中波红外系统像质下降。
中波调焦透镜9和中波后固定组10均为单晶硅透镜。
所述的中波后固定组10由一片透镜组成，将光线汇聚到探测器靶面上。
本发明光学系统采用二次成像设计，其中一次成像面位于主物镜组1和分光平板2之间，二次成像面位于系统像面。其中长波红外光学系统的工作波段为7.7—12μm，而中波红外光学系统的工作波段为3.7—4.8μm，F数为2。
本发明光学系统具体设计参数如下表所示。
在上表中，曲率半径是指每个镜片表面的曲率半径，厚度或间隔是指镜片厚度或相邻镜片表面距离，材料是镜片所用材料，空气是指两个透镜之间介质空气。
具体而言，所述的第一主物镜11的前表面的曲率半径为432.5mm，其前、后表面的间距为13mm。所述的第二主物镜12的后表面的曲率半径为-889.2mm，其前、后表面的间距为9mm，所述的第二主物镜12的前表面与第一主物镜11的后表面之间的间距为16.84mm。所述的分光平板2的前、后表面的间距为8mm，所述的分光平板2的前表面与第二主物镜12的后表面之间的间距为255.98mm。
所述的第一长波中继透镜31的前、后表面的曲率半径分别为-56.89和-56.599mm，其前、后表面的间距为8mm，所述的第一长波中继透镜31的前表面与分光平板2的后表面之间的间距为54.21mm。所述的第二长波中继透镜32的前、后表面的曲率半径分别为54.33和44.06mm，其前、后表面的间距为8mm，所述的第二长波中继透镜32的前表面与第一长波中继透镜31的后表面之间的间距为3.94mm。
所述的长波反射镜4的前、后表面的间距为8mm，所述的长波反射镜4的前表面与第二长波中继透镜32的后表面之间的间距为42.01mm。
所述的长波调焦透镜5的前、后表面的曲率半径分别为252.058和-970.5mm，其前、后表面的间距为8mm，所述的长波调焦透镜5的前表面与长波反射镜4的前表面之间的间距为71.59mm。所述的长波后固定组6的前、后表面的曲率半径分别为31.62和28.12mm，其前、后表面的间距为8mm，所述的长波后固定组6的前表面与长波调焦透镜5的后表面之间的间距为18.27mm，所述的长波后固定组6的后表面与像面之间的距离为9.14mm。
所述的第一中波中继透镜71的前、后表面的曲率半径分别为-679.2和178.65mm，其前、后表面的间距为7mm，所述的第一中波中继透镜71的前表面与分光平板2的前表面之间的间距为40mm。所述的第二中波中继透镜72的前、后表面的曲率半径分别为-238.345和-101.16mm，其前、后表面的间距为8mm，所述的第二中波中继透镜72的前表面与第一中波中继透镜71的后表面之间的间距为5.84mm。
所述的中波反射镜8的前、后表面的间距为8mm，所述的中波反射镜8的前表面与第二中波中继透镜72的后表面之间的间距为60.92mm。所述的中波调焦透镜9的前、后表面的曲率半径分别为96.16和210.4mm，其前、后表面的间距为7mm，所述的中波调焦透镜9的前表面与中波反射镜8的前表面之间的间距为69.5mm。
所述的中波后固定组10的前、后表面的曲率半径分别为34.99和37.33mm，其前、后表面的间距为6mm，所述的中波后固定组10的前表面与中波调焦透镜9的后表面之间的间距为9mm，所述的中波后固定组10的后表面与像面之间的距离为8.5mm。
下表是本发明系统在16lp/mm处的传递函数值
为使系统获得比较好的像质，系统中使用三片非球面，且避免在口径较大主物镜组和硬度较大的硅材料上设置非球面，第一长波中继透镜31的后表面、长波调焦透镜5的前表面和/或第二中波中继透镜72的前表面为高次非球面。
下表是其非球面系数。
非球面方程定义如下：
本发明通过实际使用证明：该光学系统结构紧凑、长波/中波系统的成像质量良好、系统入瞳（孔径光阑经孔径光阑前面光学系统所成的像称为入射光瞳，简称入瞳）位于主物镜组1前400mm处，利于和成像光谱仪干涉光学系统进行光瞳匹配，能有效的和红外成像光谱仪干涉光学系统进行光瞳匹配；出瞳位于制冷探测器的冷光阑上，使系统满足100%冷光阑效率。
图2至图5为本发明光学系统的光学仿真数据图。其中：图2和图3中的横坐标为每毫米的线对数，纵坐标为对比度数值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种制冷型双波段红外光学系统，其特征在于：从物方到像方依次包括长波红外光学系统和中波红外光学系统；
所述的长波红外光学系统包括依次设置在入射光光轴上的主物镜组（1）和分光平板（2），以及依次设置在分光平板（2）透射光的光轴上的长波中继透镜组（3）和长波反射镜（4），以及依次设置在长波反射镜（4）反射光的光轴上的长波调焦透镜（5）和长波后固定组（6）；
所述的中波红外光学系统包括依次设置在分光平板（2）反射光的光轴上的中波中继透镜组（7）和中波反射镜（8），以及依次设置在中波反射镜（8）反射光的光轴上的中波调焦透镜（9）和中波后固定组（10）；
所述中波红外光学系统和长波红外光学系统共用的主物镜组（1）包括第一主物镜（11）和第二主物镜（12），所述的第一主物镜（11）为凸面朝向物方的正光焦度平凸透镜，所述的第二主物镜（12）为负光焦度平凹透镜；
所述的分光平板（2）为前表面镀膜的平板玻璃，以实现长波红外透射和中波红外反射；
所述的长波中继透镜组（3）包括第一长波中继透镜（31）和第二长波中继透镜（32），所述的第一长波中继透镜（31）为凹面朝向分光平板（2）的正光焦度弯月透镜，所述的第二长波中继透镜（32）为凹面朝向长波反射镜（4）的负光焦度弯月透镜；
所述的长波调焦透镜（5）为一片具有正光焦度的双凸透镜；
所述的长波后固定组（6）为凸面朝向长波反射镜（4）的正光焦度弯月透镜；
所述的中波中继透镜组（7）包括第一中波中继透镜（71）和第二中波中继透镜（72），所述的第一中波中继透镜（71）为负光焦度双凹透镜，所述的第二中波中继透镜（72）为凸面朝向中波反射镜（8）的正光焦度弯月透镜；
所述的中波调焦透镜（9）和中波后固定组（10）均为凸面朝向中波反射镜（8）的正光焦度弯月透镜。
2.根据权利要求1所述的一种制冷型双波段红外光学系统，其特征在于，所述的长波红外光学系统的工作波段为7.7—12μm；所述的中波红外光学系统的工作波段为3.7—4.8μm，F数为2。
3.根据权利要求1所述的一种制冷型双波段红外光学系统，其特征在于，所述的分光平板（2）法线与入射光的光轴成45°夹角；所述的长波反射镜（4）法线与透射光的光轴成45°夹角；所述的中波反射镜（8）法线与反射光的光轴成45°夹角。
4.根据权利要求1所述的一种制冷型双波段红外光学系统，其特征在于，所述的第一长波中继透镜（31）的后表面、长波调焦透镜（5）的前表面和/或第二中波中继透镜（72）的前表面为高次非球面。
5.根据权利要求1所述的一种制冷型双波段红外光学系统，其特征在于，所述分光平板（2）上的镀膜为分光膜。
6.根据权利要求1所述的一种制冷型双波段红外光学系统，其特征在于，所述的透镜材料为单晶硅或单晶锗；所述的分光平板（2）采用单晶锗材料。
7.根据权利要求6所述的一种制冷型双波段红外光学系统，其特征在于，所述的第一主物镜（11）、第二主物镜（12）、第一长波中继透镜（31）、第二长波中继透镜（32）、长波调焦透镜（5）、长波后固定组（6）和第二中波中继透镜（72）均为单晶锗透镜，所述的分光平板（2）为单晶锗平板玻璃。
8.根据权利要求6所述的一种制冷型双波段红外光学系统，其特征在于，所述的第一中波中继透镜（71）、中波调焦透镜（9）和中波后固定组（10）均为单晶硅透镜。
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