CN110398828A - 一种宽谱段大相对孔径中长波红外成像光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽谱段大相对孔径中长波红外成像光学系统，距离相机5m～200m处30度视场范围内的景物目标分别经过中波红外相机和长波红外相机成像在相应探测器上获得3～14μm波段红外图像。本发明解决了大视场和大相对孔径光路复杂问题；相机全球面透镜设计，结构简单、加工难度低，像质优良、畸变小；两个相机光轴平行设计，系统焦距匹配利于两种图像融合处理；相对孔径高达1/1，聚光能力更强；30度大视场设计，大大提高了探测效率；孔径光阑与探测器冷光阑重合，实现100％冷光阑效率，有效地提高光学系统杂散辐射抑制能力；第一面透镜设计成可调焦，适用于各种常温环境温度场合。因此本发明适合国防研究、空气污染检测等领域，降低了相机研制难度。
Description
技术领域
本发明涉及小型化大视场大相对孔径宽谱段红外成像系统，具体是指一种采用中波红外相机和长波红外相机结合的红外成像仪形式。
背景技术
目标红外辐射特性可以为目标红外探测、识别和跟踪提供基础数据；为红外系统仿真提供目标和背景生成的物理特征，并为目标红外隐身效果提供评价依据。目前，越来越多的高精度红外成像系统广泛应用于军事目标的辐射特性测量，在国防研究、海洋环境监测、公共安全、空气污染检测等领域有着广泛的应用价值。
光学系统在焦距一定的条件下口径越大(即相对孔径越大)则接收的能量越多，对于弱小目标的探测概率就越高。大相对孔径光学系统的设计一直是光学领域的难题，随着红外光学的发展，研究大相对孔径红外相机镜头的设计成为红外成像探测领域的热点需求之一。
为了使系统能达到最大灵敏度，以探测器冷光阑为光学系统的出瞳，即可以实现100％冷光阑效率。实现100％冷光阑效率的光学系统结构形式有两种：二次成像和一次成像。二次成像结构形式采用折反式设计，存在一次像面，光路需要将孔径光阑再次成像于冷阑平面上。一次成像结构形式直接将冷阑作为系统的孔径光阑，使出瞳位置在冷阑处，并且大小与冷阑大小相符合。常用的两种结构形式光学系统存在很多难题，主要体现在：
1.二次成像结构存在一次像面，光路较长，透镜数量多达七片以上；当F数小于1.5时，为了减少透镜数量，往往采用非球面和衍射面的设计消除像差。
2.一次成像结构在大视场条件下不容易校正像差。
将中波红外相机和长波红外相机结合的光学方案应用在大视场宽谱段红外成像领域，是基于中波红外相机和长波红外相机全球面透镜设计，结构简单、紧凑、加工难度低，具有像质优良和畸变小特点；两个红外相机光轴平行设计，系统焦距匹配利于进行两种图像融合处理；两个相机相对孔径高达1/1，系统聚光能力更强；30度大视场设计，大大提高了探测效率；光学系统孔径光阑与探测器冷光阑重合，实现100％冷光阑效率，有效地提高光学系统杂散辐射抑制能力；两个相机第一面透镜设计成可调焦，适用于各种常温环境温度场合。因此宽谱段中长波红外成像光学系统解决了大视场和大相对孔径时光路复杂的问题，适合国防研究、空气污染检测等领域。
发明内容
宽谱段大相对孔径中长波红外成像光学系统的应用为研究小型化大视场宽波段范围红外成像仪提供一种新型的光学系统形式。本发明的技术构思是根据凝视成像原理进行设计，中波红外相机由中波滤光片1、第一球面透镜2、第二球面透镜3、第三球面透镜4、第四球面透镜5、第五球面透镜6和中波面阵探测器7组成；长波红外相机由长波滤光片8、第六球面透镜9、第七球面透镜10、第八球面透镜11、第九球面透镜12和长波面阵探测器13组成。
距离相机5m～200m处30度视场范围内的景物目标分别经过光轴平行的中波红外相机和长波红外相机成像在相应探测器上获得3～14μm波段红外图像。
景物目标经中波滤光片1滤波出3～6μm波段辐射目标信息，经过第一球面透镜2、第二球面透镜3、第三球面透镜4、第四球面透镜5、第五球面透镜6透射汇聚成像到中波面阵探测器7上，获取景物目标的中波图像；系统孔径光阑设置在第五球面透镜6和中波面阵探测器7之间，用于限制轴外杂散光影响。
景物目标经长波滤光片8滤波出6～14μm波段辐射目标信息，经过第六球面透镜9、第七球面透镜10、第八球面透镜11、第九球面透镜12透射汇聚成像到长波面阵探测器13上，获取景物目标的长波图像；系统孔径光阑设置在第九球面透镜12和长波面阵探测器13之间，用于限制轴外杂散光影响。因此本发明的技术解决方案如下：
根据发明所述的中波滤光片1为硒化锌平片，镀有3～6μm透过滤光膜。所述的第一球面透镜2、第二球面透镜3、第三球面透镜4、第四球面透镜5、第五球面透镜6材料分别为硅、锗、硅、硅、硅。所述的长波滤光片8为硒化锌平片，镀有6～14μm透过滤光膜。所述的第六球面透镜9、第七球面透镜10、第八球面透镜11、第九球面透镜12材料分别为硒化锌、硒化锌、锗、锗。
本发明由于把中波红外相机与长波红外相机相结合，在大视场和大相对孔径情况下明显地提升了波段探测性能，系统的优点如下：
1.宽谱段大相对孔径中长波红外成像光学系统结构简单、紧凑、加工难度低，全球面透镜设计，具有像质优良和畸变小特点。在大视场30°、宽波段范围3～14μm和大相对孔径1/1情况下，实现空间分辨率0.68mrad。中波红外相机系统传函在奈奎斯特频率30lp/mm处优于0.55，光学畸变小于5％；长波红外相机系统传函在奈奎斯特频率30lp/mm处优于0.4，光学畸变小于5％。
2.两个红外相机光轴平行设计，系统焦距匹配利于进行两种图像融合处理；两个相机相对孔径高达1/1，系统聚光能力更强；30度大视场设计，大大提高了探测效率；光学系统孔径光阑与探测器冷光阑重合，实现100％冷光阑效率，有效地提高光学系统杂散辐射抑制能力。两个相机第一面透镜设计成可调焦，适用于各种常温环境温度场合。
3.宽谱段中长波红外成像光学系统应用广泛，能应用于国防研究、海洋环境监测、公共安全、空气污染检测以及航天航空等红外成像领域。
附图说明
图1为宽谱段大相对孔径中长波红外成像光学系统光路图，(1)中波滤光片、(2)第一球面透镜、(3)第二球面透镜、(4)第三球面透镜、(5)第四球面透镜、(6)第五球面透镜、(7)中波面阵探测器、(8)长波滤光片、(9)第六球面透镜、(10)第七球面透镜、(11)第八球面透镜、(12)第九球面透镜、(13)长波面阵探测器。
具体实施方式
本发明设计了一种宽谱段大相对孔径中长波红外成像光学系统，主要技术指标如下：
1.入瞳口径25mm，光学系统焦距25mm，相对孔径1/1；
2.中波谱段范围3～6μm，长波谱段范围6～14μm；
3.全视场：30°圆视场；
4.面阵探测器像元大小17μm、像元数640×512；
5.空间分辨率：优于0.68mrad；
6.中波红外相机全视场传函在奈奎斯特频率30lp/mm处优于0.55、长波红外相机全视场传函在奈奎斯特频率30lp/mm处优于0.4、两个相机光学畸变均小于5％。
光学系统具体设计参数如表1所示：
表1光学系统具体设计参数
Claims (5)
1.一种宽谱段大相对孔径中长波红外成像光学系统，包括中波红外相机和长波红外相机，其特征在于：
距离相机5m～200m处30度视场范围内的景物目标分别经过光轴相互平行的所述的中波红外相机和所述的长波红外相机成像在相应探测器上获得3～14μm波段红外图像；
所述的中波红外相机包括中波滤光片(1)、第一球面透镜(2)、第二球面透镜(3)、第三球面透镜(4)、第四球面透镜(5)、第五球面透镜(6)和中波面阵探测器(7)；景物目标经中波滤光片(1)滤波出3～6μm波段辐射目标信息，经过第一球面透镜(2)、第二球面透镜(3)、第三球面透镜(4)、第四球面透镜(5)、第五球面透镜(6)透射汇聚成像到中波面阵探测器(7)上，获取景物目标的中波图像；系统孔径光阑设置在第五球面透镜(6)和中波面阵探测器(7)之间，用于限制轴外杂散光影响；
所述的长波红外相机包括长波滤光片(8)、第六球面透镜(9)、第七球面透镜(10)、第八球面透镜(11)、第九球面透镜(12)和长波面阵探测器(13)；景物目标经长波滤光片(8)滤波出6～14μm波段辐射目标信息，经过第六球面透镜(9)、第七球面透镜(10)、第八球面透镜(11)、第九球面透镜(12)透射汇聚成像到长波面阵探测器(13)上，获取景物目标的长波图像；系统孔径光阑设置在第九球面透镜(12)和长波面阵探测器(13)之间，用于限制轴外杂散光影响。
2.根据权利要求1所述的宽谱段大相对孔径中长波红外成像光学系统，其特征在于：所述的中波滤光片(1)为硒化锌平片，镀有3～6μm透过滤光膜。
3.根据权利要求1所述的宽谱段大相对孔径中长波红外成像光学系统，其特征在于：所述的第一球面透镜(2)、第二球面透镜(3)、第三球面透镜(4)、第四球面透镜(5)、第五球面透镜(6)材料分别为硅、锗、硅、硅、硅。
4.根据权利要求1所述的宽谱段大相对孔径中长波红外成像光学系统，其特征在于：所述的长波滤光片(8)为硒化锌平片，镀有6～14μm透过滤光膜。
5.根据权利要求1所述的宽谱段大相对孔径中长波红外成像光学系统，其特征在于：所述的第六球面透镜(9)、第七球面透镜(10)、第八球面透镜(11)、第九球面透镜(12)材料分别为硒化锌、硒化锌、锗、锗。
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