CN108732734B - 基于自由曲面的快焦比反射式长波红外取景器光学系统 - Google Patents

基于自由曲面的快焦比反射式长波红外取景器光学系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于自由曲面的快焦比反射式长波红外取景器光学系统，包括两个自由曲面反射镜和一个长波红外响应面阵探测器。光线经过外置的入射光瞳，并依次经过两个自由曲面反射镜后，到达长波红外响应面阵探测器。现有用于取景器光学系统设计的离轴两反光学系统只能应用于可见光波段，其F数较大，无法应用于长波红外波段，且无法满足快焦比的高性能要求。本发明提出的一种基于光学自由曲面的快焦比反射式光学系统，能够实现高通量和高分辨率的结构紧凑和宽波段的长波红外取景器光学系统。该基于光学自由曲面的快焦比反射式长波红外取景器能够在微光或夜间复杂环境下进行目标探测与监控。

Description

基于自由曲面的快焦比反射式长波红外取景器光学系统
技术领域
本发明涉及光学系统和器件设计技术领域，具体涉及一种基于光学自由曲面的快焦比反射式长波红外取景器光学系统，适用于微光或夜间复杂环境下的目标探测与监控。
背景技术
在红外成像光学系统中，尤其是涉及宽波段长波红外光学系统，若采用透射式光学元件的设计方法，所用透镜材料诸如锗、硫化锌或硒化锌等，其价格昂贵且制造困难。然而，反射式的设计方法可以实现低成本、高性能且无需校正色差的宽波段红外光学系统。其中，反射式长波红外取景器在微光或夜间复杂环境下的目标探测与监控具有重要作用。Aaron Bauer等人在《Design of a freeform electronic viewfinder coupled toaberration fields of freeform optics》(OPTICS EXPRESS，23(22)：28141-28153，2015)中基于泽尼克多项式自由曲面设计了光瞳直径为12mm，F数为4.0的离轴两反取景器，其工作波段为可见光波段。显然，该设计无法直接用于长波红外波段，其F数较大，导致红外波段的系统分辨率较低。在长波红外取景器的设计中，反射式的设计方法会折叠光路，使得系统结构紧凑。此外，高通量和高分辨率是长波红外取景器的关键技术参数，这会提升在微光或夜间复杂环境下目标图像的对比度和细节探测能力。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于解决现有的红外成像光学系统中,尤其是涉及宽波段长波红外光学系统，需校正色差且成本高的问题。
技术方案：本发明采用以下技术方案：一种基于自由曲面的快焦比反射式长波红外取景器光学系统，包括两个自由曲面反射镜和一个长波红外响应面阵探测器，第一自由曲面反射镜位于入射光瞳的入射光路上，第二自由曲面反射镜位于第一自由曲面反射镜的反射光路上，长波红外响应面阵探测器位于第二自由曲面反射镜的反射光路上。-进一步地，所述长波红外响应面阵探测器的尺寸为12×8mm2，总像素数为480×320，单个像素的大小为25微米。
进一步地，所述长波红外响应面阵探测器的响应波段为长波红外宽波段，波长范围从8微米到14微米，中心工作波长为10.6微米。
进一步地，基于自由曲面的快焦比反射式长波红外取景器光学系统的F数为1.9，入射光瞳直径为12mm，入射光瞳距离大于18mm。
进一步地，水平方向的视场角为20°，垂直方向的视场角为15°，对角全视场角为25°。
进一步地，第一自由曲面反射镜和第二自由曲面反射镜均采用XY多项式自由曲面反射面，但是其基面或母面面形不同。
进一步地，第一自由曲面反射镜采用基面为抛物面的XY多项式自由曲面反射面，其顶点曲率半径为116.805mm，第一自由曲面反射镜的光焦度为负值。
进一步地，第二自由曲面反射镜采用基面为双曲面的XY多项式自由曲面反射面，其顶点曲率半径为62.527mm，第二自由曲面反射镜的光焦度为正值。
进一步地，第一自由曲面反射镜的上边缘与第二自由曲面反射镜的上边缘相互不干涉。
进一步地，第一自由曲面反射镜的下边缘与长波红外响应面阵探测器相互不干涉。
有益效果：本发明与现有技术相比：现有用于取景器光学系统设计的离轴两反光学系统只能应用于可见光波段，其F数较大，无法应用于长波红外波段，且无法满足快焦比的高性能要求。本发明提出的一种基于光学自由曲面的快焦比反射式光学系统，能够实现高通量(光瞳直径12mm)和高分辨率(F数为1.9)的结构紧凑和宽波段的长波红外取景器光学系统，具有小型化，结构简单，宽视场，大光瞳直径和快焦比等优点。该基于光学自由曲面的快焦比反射式长波红外取景器能够在微光或夜间复杂环境下进行目标探测与监控。
附图说明
图1为本发明的光路示意图；
图2为本发明的实施例的像点图；
图3为本发明的实施例的MTF曲线图；
图4为本发明的实施例的畸变图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图1，一种基于自由曲面的快焦比反射式长波红外取景器光学系统，包括第一自由曲面反射镜2、第二自由曲面反射镜3和一个长波红外响应面阵探测器4。第一自由曲面反射镜2位于入射光瞳1的入射光路上，第二自由曲面反射镜3位于第一自由曲面反射镜2的反射光路上，长波红外响应面阵探测器4位于第二自由曲面反射镜3的反射光路上；光线由外置的入射光瞳1出发，经过第一自由曲面反射镜2反射，到达到达第二自由曲面反射镜3。再经过第二自由曲面反射镜3反射后，最后到达长波红外响应面阵探测器4。
所述的基于光学自由曲面的快焦比反射式长波红外取景器光学系统，其长波红外响应面阵探测器4的尺寸为12×8mm2，总像素数为480×320，单个像素的大小为25微米。
所述的基于光学自由曲面的快焦比反射式长波红外取景器光学系统，其响应波段为长波红外宽波段，波长范围从8微米到14微米，中心工作波长为10.6微米。
所述的基于光学自由曲面的快焦比反射式长波红外取景器光学系统，系统的F数为1.9，入射光瞳直径为12mm，入射光瞳距离大于18mm。
所述的基于光学自由曲面的快焦比反射式长波红外取景器光学系统，水平方向(X方向)的视场角为20°，垂直方向(Y方向)的视场角为15°，对角全视场角为25°。
所述的基于光学自由曲面的快焦比反射式长波红外取景器光学系统，第一自由曲面反射镜2和第二自由曲面反射镜3均采用XY多项式自由曲面反射面，但是二者的基面(或母面)面形不同。
所述的基于光学自由曲面的快焦比反射式长波红外取景器光学系统，第一自由曲面反射镜2采用基面为抛物面的XY多项式自由曲面反射面，其顶点曲率半径为116.805mm。第一自由曲面反射镜2的光焦度为负值。
所述的基于光学自由曲面的快焦比反射式长波红外取景器光学系统，第二自由曲面反射镜3采用基面为双曲面的XY多项式自由曲面反射面，其顶点曲率半径为62.527mm。第二自由曲面反射镜3的光焦度为正值。
所述的基于光学自由曲面的快焦比反射式长波红外取景器光学系统，如图1所示，第一自由曲面反射镜2的上边缘与第二自由曲面反射镜3的上边缘相互不干涉。
所述的基于光学自由曲面的快焦比反射式长波红外取景器光学系统，如图1所示，第一自由曲面反射镜2的下边缘与长波红外响应面阵探测器4相互不干涉。
所述的基于光学自由曲面的快焦比反射式长波红外取景器光学系统，如图1所示，系统整体关于YOZ平面对称，而关于XOZ平面不对称。
实施例
一种基于自由曲面的快焦比反射式长波红外取景器光学系统，包括第一自由曲面反射镜2、第二自由曲面反射镜3和一个长波红外响应面阵探测器4。结合图1，光线由外置的入射光瞳1出发，经过第一自由曲面反射镜2反射，到达到达第二自由曲面反射镜3。再经过第二自由曲面反射镜3反射后，最后到达长波红外响应面阵探测器4。
所述的基于光学自由曲面的快焦比反射式长波红外取景器光学系统，其长波红外响应面阵探测器4的尺寸为12×8mm2，总像素数为480×320，单个像素的大小为25微米。
所述的基于光学自由曲面的快焦比反射式长波红外取景器光学系统，其响应波段为长波红外宽波段，波长范围从8微米到14微米，中心工作波长为10.6微米。
所述的基于光学自由曲面的快焦比反射式长波红外取景器光学系统，系统的F数为1.9，入射光瞳直径为12mm，入射光瞳距离大于18mm。
所述的基于光学自由曲面的快焦比反射式长波红外取景器光学系统，水平方向(X方向)的视场角为20°，垂直方向(Y方向)的视场角为15°，对角全视场角为25°。
所述的基于光学自由曲面的快焦比反射式长波红外取景器光学系统，如图1所示，系统整体关于YOZ平面对称，而关于XOZ平面不对称。
所述的基于光学自由曲面的快焦比反射式长波红外取景器光学系统，本发明实施例所实现的离轴反射式快焦比长波红外取景器光学系统的各个光学面参数、间距及偏心量如表1所示。其中，R是光学自由曲面基面的顶点半径，K是基面的二次曲面系数，Ci是XY多项式光学自由曲面的系数。X，Y和Z分别是相对于Y-Z平面，X-Z平面和X-Y平面内的偏移量，α，β和γ分别是绕X轴，Y轴和Z轴的倾斜角。
表1：本发明实施例中离轴反射式快焦比长波红外取景器光学系统的各个光学面参数、间距及偏心量。
Figure BDA0001678765640000041
Figure BDA0001678765640000051
所述的基于光学自由曲面的快焦比反射式长波红外取景器光学系统，第一自由曲面反射镜2和第二自由曲面反射镜3均采用XY多项式自由曲面反射面，但是二者的基面(或母面)面形不同。
所述的基于光学自由曲面的快焦比反射式长波红外取景器光学系统，第一自由曲面反射镜2采用基面为抛物面的XY多项式自由曲面反射面，其顶点曲率半径为116.805mm。第一自由曲面反射镜2的光焦度为负值。
所述的基于光学自由曲面的快焦比反射式长波红外取景器光学系统，第二自由曲面反射镜3采用基面为双曲面的XY多项式自由曲面反射面，其顶点曲率半径为62.527mm。第二自由曲面反射镜3的光焦度为正值。
所述的基于光学自由曲面的快焦比反射式长波红外取景器光学系统，如图1所示，第一自由曲面反射镜2的上边缘与第二自由曲面反射镜3的上边缘相互不干涉。
所述的基于光学自由曲面的快焦比反射式长波红外取景器光学系统，如图1所示，第一自由曲面反射镜2的下边缘与长波红外响应面阵探测器4相互不干涉。
所述的基于光学自由曲面的快焦比反射式长波红外取景器光学系统，如图2所示，本实施例的中心光瞳6mm范围内各个视场的光学像点均方根半径值(RMS)均小于25μm，且光瞳边缘范围内各个视场的光学像点均方根半径值(RMS)均小于55μm，成像质量满足要求。
所述的基于光学自由曲面的快焦比反射式长波红外取景器光学系统，如图3所示，本实施例的全光瞳范围内各个视场在截止频率20线对每毫米的MTF值均优于0.18，且各个视场的MTF曲线相对集中，成像质量满足要求。
所述的基于光学自由曲面的快焦比反射式长波红外取景器光学系统，如图4所示，本实施例的各个视场的畸变曲线。中心视场区域各个视场的畸变值不超过2％，边缘视场区域各个视场的畸变值最大不超过4％，满足设计要求。
本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于自由曲面的快焦比反射式长波红外取景器光学系统，其特征在于：包括两个自由曲面反射镜和一个长波红外响应面阵探测器，第一自由曲面反射镜位于入射光瞳的入射光路上，第二自由曲面反射镜位于第一自由曲面反射镜的反射光路上，长波红外响应面阵探测器位于第二自由曲面反射镜的反射光路上，基于自由曲面的快焦比反射式长波红外取景器光学系统的F数为1.9，入射光瞳直径为12mm。
2.根据权利要求1所述的基于自由曲面的快焦比反射式长波红外取景器光学系统，其特征在于：所述长波红外响应面阵探测器的尺寸为12×8mm2，总像素数为480×320，单个像素的大小为25微米。
3.根据权利要求1所述的基于自由曲面的快焦比反射式长波红外取景器光学系统，其特征在于：所述长波红外响应面阵探测器的响应波段为长波红外宽波段，波长范围从8微米到14微米，中心工作波长为10.6微米。
4.根据权利要求1所述的基于自由曲面的快焦比反射式长波红外取景器光学系统，其特征在于：水平方向的视场角为20°，垂直方向的视场角为15°，对角全视场角为25°。
5.根据权利要求1所述的基于自由曲面的快焦比反射式长波红外取景器光学系统，其特征在于：第一自由曲面反射镜和第二自由曲面反射镜均采用XY多项式自由曲面反射面，但是其基面面形不同。
6.根据权利要求1所述的基于自由曲面的快焦比反射式长波红外取景器光学系统，其特征在于：第一自由曲面反射镜采用基面为抛物面的XY多项式自由曲面反射面，其顶点曲率半径为116.805mm，第一自由曲面反射镜的光焦度为负值。
7.根据权利要求1所述的基于自由曲面的快焦比反射式长波红外取景器光学系统，其特征在于：第二自由曲面反射镜采用基面为双曲面的XY多项式自由曲面反射面，其顶点曲率半径为62.527mm，第二自由曲面反射镜的光焦度为正值。
8.根据权利要求1所述的基于自由曲面的快焦比反射式长波红外取景器光学系统，其特征在于：第一自由曲面反射镜的上边缘与第二自由曲面反射镜的上边缘相互不干涉。
9.根据权利要求1所述的基于自由曲面的快焦比反射式长波红外取景器光学系统，其特征在于：第一自由曲面反射镜的下边缘与长波红外响应面阵探测器相互不干涉。
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