CN109901302A - 一种红外制冷型成像光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分孔径共焦面实时偏振红外制冷型成像光学系统，包括偏振组、分孔径组、合束组、第一折转反射镜、成像前组、第二折转反射镜和成像后组，其中偏振组包括沿光路依次设置的红外波片和红外偏振片，分孔径组包括在空间上对称分布的四组完全相同的光路，分别包含三片红外材料透镜，合束组包括三片大口径红外材料透镜，成像前组包括三片小口径红外材料透镜，成像后组包括三片压缩成像光线的红外材料透镜，在合束组和成像前组之间包含第一折转反射镜，成像前组和成像后组之间包含第二折转反射镜，用于折叠光路，压缩系统外形尺寸；本发明采用四路分孔径，合理布局光路结构形式，四路成像通道完全一致，且充分满足红外制冷型冷光阑的要求。

Description

一种红外制冷型成像光学系统

技术领域

本发明属于光学技术领域，具体涉及一种分孔径共焦面实时偏振红外制冷型成像光学系统。

背景技术

红外成像技术通过探测目标与背景的温差来识别目标并获得目标的图像信息，由于红外系统具有识别伪装能力强、昼夜无间断、被动成像、不易受干扰等优点，被广泛应用于军事反伪装遮蔽、空间遥感、医学诊断以及光学监测等许多方面。

然而，受人为或者自然复杂背景噪声的影响，如水面目标或者红外军事伪装热源等，想要准确地识别目标仍有很大难度，因此将光的偏振特性引入红外成像领域。通常人造物红外偏振特性明显，自然环境的红外辐射和反射光偏振特性较弱，利用这一优势可以轻松地分辨出人造物和自然物，同时由于伪装热源与目标的红外偏振特性存在很大区别，红外偏振成像技术将轻易地识别这种红外伪装形式。因此，红外偏振成像技术弥补了传统红外热成像技术的不足，具有很广阔的应用前景，是红外领域突破性的进步。

目前实现偏振成像的红外光学系统有多种形式，分时型成像系统结构简单，但是受限于运动平台的物体，不能实时成像，实用性差；干涉型偏振成像系统工作波段限制大，后期图像数据处理量大；分振幅偏振成像系统需要多个红外制冷型探测器，成本昂贵，体积庞大，多次分光后能量损失较大；分像素偏振成像系统微偏振元件加工技术难度大，像元配准引入的误差较大，且探测器封装较困难。

发明内容

为了解决现有红外偏振成像系统实时性差、体积庞大、价格昂贵等问题，本发明提供了一种分孔径共焦面实时偏振红外制冷型成像光学系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种红外制冷型成像光学系统，沿光路依次包括偏振组、分孔径组、合束组、第一折转反射镜、成像前组、第二折转反射镜和成像后组；所述的偏振组和分孔径组在同一偏心光轴上，均包括在空间上对称分布的四组；所述的合束组、第一折转反射镜、成像前组、第二折转反射镜和成像后组在同一光轴上；无穷远平行光从物面经过偏振组形成偏振光，通过分孔径组汇聚成中间一次像点，合束组采集四路偏振光并进行光束压缩，采用第一折转反射镜将光轴折转90°，通过成像前组汇聚成中间二次像点，再采用第二折转反射镜将光轴折转90°，最后通过成像后组使带有偏振特性的景物成像在焦面上。

所述的一种红外制冷型成像光学系统，其偏振组包含第一红外波片、第二红外波片和红外偏振片，分别对应三个偏振方向各异的线偏振和一个圆偏振。

所述的一种红外制冷型成像光学系统，其分孔径组包括四组完全相同的光路，将包含四个偏振态的目标光线汇聚成一次实像点，分别包含三片红外材料透镜，沿光路方向分别为第一正弯月透镜、高次非球面位于凹面的第一负弯月透镜和第二负弯月透镜。

所述的一种红外制冷型成像光学系统，其分孔径组、合束组、成像前组和成像后组的设置需满足如下光学关系：、、、，其中为红外偏振光学系统总焦距，为分孔径组的焦距，为合束组的焦距，为成像前组的焦距，为成像后组的焦距。

所述的一种红外制冷型成像光学系统，其合束组包括三片大口径红外材料透镜，用于对有限元距离的实像点进行光线汇聚，沿光路方向分别为第二正弯月透镜、高次非球面位于凸面的第三正弯月透镜和平凸透镜。

所述的一种红外制冷型成像光学系统，其成像前组包括三片小口径红外材料透镜，用于将压缩后的光线汇聚成二次实像点，沿光路方向分别为第四正弯月透镜、高次非球面位于凸面的第五正弯月透镜和第三负弯月透镜。

所述的一种红外制冷型成像光学系统，其成像后组包括三片红外材料透镜，用于对有限远距离的实像点进行光线汇聚，沿光路方向分别为高次非球面位于凸面的第四负弯月透镜、第五负弯月透镜和第六正弯月透镜，在满足制冷型红外探测器冷光阑的要求上，使四路偏振光线分别聚焦于焦面的四个象限。

所述的一种红外制冷型成像光学系统，其光谱透过范围为0.9～1.7μm或3.7～4.8μm或8～12μm。

本发明的优点是：

本发明利用四组分孔径透镜阵列实现四个偏振方向的成像通道，经过合束系统和成像系统实时分别成像到一个探测器焦面的四个象限。

本发明提供的光学系统针对红外制冷型探测器冷光阑的特点，可对同一图像的不同偏振态进行同时成像，具有实时性好，结构紧凑，实时性好，可针对运动目标进行观测，光能利用率高，加工技术容易实现，图像数据处理快，成本低廉等优点。

附图说明

图1是本发明的光学系统结构示意图；

图2是本发明四路分孔径的光路立体图；

图3是本发明偏振组的结构示意图；

图4是本发明分孔径组的结构示意图；

图5是本发明合束组结构示意图；

图6是本发明成像前组的结构示意图；

图7是本发明成像后组的结构示意图；

图8是本发明分孔径组的光学系统传递函数图；

图9是本发明合束组、成像前组和成像后组组合后的光学系统传递函数图；

图10是本发明单路偏振成像通道光学系统传递函数图。

图中各附图标记为：1—偏振组，1.1—第一红外波片，1.2—第二红外波片，1.3—红外偏振片，2—分孔径组，2.1—第一正弯月透镜，2.2—第一负弯月透镜，2.3—第二负弯月透镜，3—合束组，3.1—第二正弯月透镜，3.2—第三正弯月透镜，3.3—平凸透镜，4—第一折转反射镜，5—成像前组，5.1—第四正弯月透镜，5.2—第五正弯月透镜，5.3—第三负弯月透镜，6—第二折转反射镜，7—成像后组，7.1—第四负弯月透镜，7.2—第五负弯月透镜，7.3—第六正弯月透镜。

具体实施方式

为了进一步清楚阐述本技术方案的特点，下面将提供具体实施方式并与附图相结合，对本发明进行说明，但是不应当将其理解为对本发明的限定。

如图1和图2所示，本发明分孔径共焦面实时偏振红外制冷型成像光学系统，属于光学技术领域，目的在于解决现有红外偏振成像系统实时性差、体积庞大、价格昂贵等问题，沿光轴方向依次包括偏振组1、分孔径组2、合束组3、第一折转反射镜4、成像前组5、第二折转反射镜6和成像后组7。其中偏振组1、分孔径组2在同一偏心光轴上，合束组3、第一折转反射镜4、成像前组5、第二折转反射镜6和成像后组7在同一光轴上，无穷远平行光从物面经过偏振组1形成偏振光，通过分孔径2组汇聚成中间一次像点，合束组3采集四路偏振光并进行光束压缩，采用第一折转反射镜4将光轴折转90°，通过成像前组5汇聚成中间二次像点，再采用第二折转反射镜6将光轴折转90°，最后通过成像后组7使带有偏振特性的景物成像在焦面上。光学系统光谱透过范围为0.9～1.7μm或3.7～4.8μm或8～12μm。分孔径组2、合束组3、成像前组5和成像后组7的设置需满足如下光学关系：、、、，其中为红外偏振光学系统总焦距，为分孔径组2的焦距，为合束组3的焦距，为成像前组5的焦距，为成像后组7的焦距，这些光学关系所带来的技术效果是满足总的焦距要求，同时使光学系统的光阑放置于红外制冷探测器的冷光阑上。

如图3所示，偏振组1包括在空间上对称分布的四组，均包含第一红外波片1.1、第二红外波片1.2和红外偏振片1.3，分别对应三个偏振方向各异的线偏振和一个圆偏振，该组均为平板构成，为无焦组。

如图4所示，分孔径组2包括在空间上对称分布的四组完全相同的光路，将包含四个偏振态的目标光线汇聚成一次实像点，分别包含三片红外材料透镜，沿光路方向分别为第一正弯月透镜2.1、高次非球面位于凹面的第一负弯月透镜2.2和第二负弯月透镜2.3，分别为硅、锗、硅材料制成，该组焦距为150mm，相对孔径为1:15，该组单独校正像差，以便与后续光学系统进行对接，汇聚的一次实像点为远心光路结构形式。

如图5所示，合束组3包括三片大口径红外材料透镜，对有限元距离的实像点进行光线汇聚，沿光路方向分别为第二正弯月透镜3.1、高次非球面位于凸面的第三正弯月透镜3.2和平凸透镜3.3，分别为硅、锗、硅材料制成，该组焦距为150mm，相对孔径为1:2。

如图6所示，成像前组5包括三片小口径红外材料透镜，对压缩后的光线汇聚成二次实像点，沿光路方向分别为第四正弯月透镜5.1、高次非球面位于凸面的第五正弯月透镜5.2和第三负弯月透镜5.3，分别为硅、锗、硅材料制成，该组焦距为-30mm，相对孔径为1:1.8。

如图7所示，成像后组7包括三片红外材料透镜，将有限元距离的实像点进行光线汇聚，沿光路方向分别为高次非球面位于凸面的第四负弯月透镜7.1、第五负弯月透镜7.2和第六正弯月透镜7.3，分别为锗、硅、硅材料制成，在满足制冷型红外探测器冷光阑的要求上，使四路偏振光线分别聚焦于焦面的四个象限，该组焦距为280mm，相对孔径为1:7.4。

本发明光学系统的合束组3、成像前组5和成像后组7经过对接以及折转光路后，组合校正像差，此后再与偏振组1、分孔径组2进行对接后，不再校正像差。

作为本发明的一种具体实施例，光学系统光谱透过范围为3.7～4.8μm，属于中波红外光学成像系统，其针对的红外制冷探测器的F数为2，冷光阑大小为10.5mm，适配焦面尺寸大小为9.6mm×7.68mm。

图8是本发明光学系统的分孔径组像差即光学系统传递函数的反应，图9是本发明光学系统的合束组3、成像前组5和成像后组7组合后的像差即光学系统传递函数的反应，图10是本发明光学系统单路偏振成像通道光学系统像差即光学系统传递函数的反应。

下面两个表是本发明光学系统的参数表，是实验效果数据的体现。其中下表是具体实施实例的光学系统结构参数表：

上表中的各非球面系数如下：

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种红外制冷型成像光学系统，其特征在于：沿光路依次包括偏振组（1）、分孔径组（2）、合束组（3）、第一折转反射镜（4）、成像前组（5）、第二折转反射镜（6）和成像后组（7）；

所述的偏振组（1）和分孔径组（2）在同一偏心光轴上，均包括在空间上对称分布的四组；

所述的合束组（3）、第一折转反射镜（4）、成像前组（5）、第二折转反射镜（6）和成像后组（7）在同一光轴上；

无穷远平行光从物面经过偏振组（1）形成偏振光，通过分孔径组（2）汇聚成中间一次像点，合束组（3）采集四路偏振光并进行光束压缩，第一折转反射镜（4）将光轴折转90°，通过成像前组（5）汇聚成中间二次像点，第二折转反射镜（6）将光轴折转90°，最后通过成像后组（7）使带有偏振特性的景物成像在焦面上。

2.根据权利要求1所述的一种红外制冷型成像光学系统，其特征在于，所述的偏振组（1）包含第一红外波片（1.1）、第二红外波片（1.2）和红外偏振片（1.3），分别对应三个偏振方向各异的线偏振和一个圆偏振。

3.根据权利要求2所述的一种红外制冷型成像光学系统，其特征在于，所述的分孔径组（2）包括四组完全相同的光路，将包含四个偏振态的目标光线汇聚成一次实像点，包括沿光路方向设置的第一正弯月透镜（2.1）、高次非球面位于凹面的第一负弯月透镜（2.2）和第二负弯月透镜（2.3）。

4.根据权利要求3所述的一种红外制冷型成像光学系统，其特征在于，所述的分孔径组（2）、合束组（3）、成像前组（5）和成像后组（7）的设置满足如下光学关系：、、、，其中为红外偏振光学系统总焦距，为分孔径组（2）的焦距，为合束组（3）的焦距，为成像前组（5）的焦距，为成像后组（7）的焦距。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种红外制冷型成像光学系统，其特征在于，所述的合束组（3）用于对有限元距离的实像点进行光线汇聚，包括沿光路方向设置的大口径的第二正弯月透镜（3.1）、高次非球面位于凸面的第三正弯月透镜（3.2）和平凸透镜（3.3）。

6.根据权利要求1或2或3或4所述的一种红外制冷型成像光学系统，其特征在于，所述的成像前组（5）用于将压缩后的光线汇聚成二次实像点，包括沿光路方向设置的小口径的第四正弯月透镜（5.1）、高次非球面位于凸面的第五正弯月透镜（5.2）和第三负弯月透镜（5.3）。

7.根据权利要求1或2或3或4所述的一种红外制冷型成像光学系统，其特征在于，所述的成像后组（7）用于对有限远距离的实像点进行光线汇聚，包括沿光路方向设置的高次非球面位于凸面的第四负弯月透镜（7.1）、第五负弯月透镜（7.2）和第六正弯月透镜（7.3）。

8.根据权利要求1或2或3或4所述的一种红外制冷型成像光学系统，其特征在于，光学系统光谱透过范围为0.9～1.7μm或3.7～4.8μm或8～12μm。