CN111290103B - 一种大面阵中波红外双视场光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大面阵中波红外双视场光学系统，包括物镜组、中继组，物镜组同轴设置于中继组的前方；物镜组包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜且各透镜从前到后依序同轴设置；中继组包括第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜且各透镜从前到后依序同轴设置；中继组的后方同轴依序设置有探测器窗口、探测器滤光片，探测器滤光片用作光学系统光阑，探测器焦平面阵列位于探测器滤光片的后方且与其同轴。本发明提供了一款适配于2720×2720，像元尺寸15μm中波制冷型探测器的光学系统，本光学系统为成像器件提供了一个大像高，其像高值为φ57.7mm，同时满足双视场的高速切换，平均光谱透过率高。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学系统，尤其涉及一种大面阵中波红外双视场光学系统。
背景技术
红外成像探测是指通过物体发出或者反射的红外线经由大气传输到达红外物镜，并经物镜聚焦到探测器焦平面上，通过探测器的光电转换，形成目标和背景的红外数字图像这一探测过程。红外成像探测是一种被动的探测方式，能够对特定的目标进行远距离探测和识别，并能对目标的光谱辐射特性进行分析，这项技术被广泛的应用于夜视、医疗、军事和安防等领域。
近年来，随着元器件与集成电路技术水平的提高，红外探测器的阵列规模越来越大，目前1280×1024阵列规模的探测器已经实现批量生产，探测器阵列规模的增大对适配的光学系统也提出了更高的技术要求，而目前现有的光学系统一般提供的像高为φ12.6mm，现有的光学系统无法为成像器件提供一个大像高，无法满足大面阵探测器的成像要求。
发明内容
为了解决上述技术所存在的不足之处，本发明提供了一种大面阵中波红外双视场光学系统。
为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：一种大面阵中波红外双视场光学系统，包括物镜组、中继组，物镜组同轴设置于中继组的前方；物镜组包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜且各透镜从前到后依序同轴设置，物镜组用于实现聚焦和焦距切换功能，第二透镜沿光轴移动实现60mm/180mm焦距的变换；中继组包括第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜且各透镜从前到后依序同轴设置；中继组的后方同轴依序设置有探测器窗口、探测器滤光片，探测器滤光片用作光学系统光阑，探测器焦平面阵列位于探测器滤光片的后方且与其同轴。
进一步地、第一透镜、第三透镜、第七透镜、第九透镜的材料均为硅。
进一步地、第二透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第八透镜的材料均为锗。
进一步地、第二透镜的后端表面、第四透镜的前端表面、第八透镜的前端表面均为二元面。
进一步地、第五透镜的后端表面、第六透镜的前端表面均为非球面。
进一步地、第一透镜的前后端表面、第二透镜的前端表面、第三透镜的前后端表面、第四透镜的后端表面、第五透镜的前端表面、第六透镜的后端表面、第七透镜的前后端表面、第八透镜的后端表面、第九透镜的前后端表面均为球面。
本发明提供了一款适配于2720×2720，像元尺寸15μm中波制冷型探测器的光学系统，本光学系统为成像器件提供了一个大像高，其像高值为φ57.7mm，同时满足双视场的高速切换，平均光谱透过率高。
附图说明
图1为本发明光学系统的结构示意图。
图2为焦距60mm大视场光路图。
图3为焦距180mm小视场光路图。
图4为近轴光路图。
图5为前组的光焦度分配图。
图6为双视场近轴光路图。
图7为焦距60mm的MTF解像曲线图。
图8为焦距180mm的MTF解像曲线图。
图9为焦距60mm的场曲和光学畸变图。
图10为焦距180mm的场曲和光学畸变图。
图中：1、第一透镜；2、第二透镜；3、第三透镜；4、第四透镜；5、第五透镜；6、第六透镜；7、第七透镜；8、第八透镜；9、第九透镜；10、探测器窗口；11、探测器滤光片；12、探测器焦平面阵列。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，一种大面阵中波红外双视场光学系统，包括物镜组、中继组，物镜组同轴设置于中继组的前方；物镜组包括第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5且各透镜从前到后依序同轴设置，物镜组用于实现聚焦和焦距切换功能，第二透镜2沿光轴移动实现60mm/180mm焦距的变换，第二透镜2在系统中的两个位置都能保证系统的像面不产生轴向偏移，光学系统变焦过程光路如图2、图3所示，图2为焦距60mm大视场光路图，图3为焦距180mm小视场光路图。
中继组包括第六透镜6、第七透镜7、第八透镜8、第九透镜9且各透镜从前到后依序同轴设置；中继组的后方同轴依序设置有探测器窗口10、探测器滤光片11，探测器滤光片11用作光学系统光阑，探测器焦平面阵列12位于探测器滤光片11的后方且与其同轴。
第一透镜1、第三透镜3、第七透镜7、第九透镜9材料均为硅，折射率n4μm＝3.4255。第二透镜2、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6、第八透镜8的材料均为锗，折射率N4μm＝4.0222。
第二透镜2的后端表面、第四透镜4的前端表面、第八透镜8的前端表面均为二元面。第五透镜5的后端表面、第六透镜6的前端表面均为非球面。第一透镜1的前后端表面、第二透镜2的前端表面、第三透镜3的前后端表面、第四透镜4的后端表面、第五透镜5的前端表面、第六透镜6的后端表面、第七透镜7的前后端表面、第八透镜8的后端表面、第九透镜9的前后端表面均为球面。
从第一透镜到第九透镜各个透镜的表面从前到后依次为第一表面到第十八表面，其中第四表面、第七表面、第十五表面为二元面，第十表面、第十一表面为非球面，其余各表面为球面。
本光学系统的参数如下表所示。
表1
| 名称 | 参数 |
| 焦距 | 60/180mm |
| F# | 2.4 |
| 工作波段 | 3.7-4.8μm |
| 适配探测器 | 2720×2720 15μm |
| 平均透过率 | ≥72％ |
| 视场角 | 37.5°×37.5°/12.9°×12.9° |
| 光学总长 | ≤510mm |
表2
注：表格中第二表面间距、第四表面间距内的数值分别对应60mm焦距、180mm焦距，其中括号内数值为180mm焦距对应的间距。
表3、非球面系数
| 表面 | Conic | A4 | A6 | A8 | A10 |
| 第四表面 | 0 | -2.346E-9 | -5.741E-13 | 1.567E-16 | 0 |
| 第七表面 | 0 | -1.877E-7 | 1.880E-11 | -1.353E-15 | 0 |
| 第十表面 | 0 | -3.536E-6 | -6.391E-10 | -3.278E-12 | 0 |
| 第十一表面 | 0 | -5.598E-7 | -5.229E-10 | 2.329E-12 | 0 |
| 第十五表面 | 0 | -6.032E-7 | 7.694E-11 | -5.080E-15 | 5.969E-20 |
表4、二元面系数
| 表面 | A1 |
| 第四表面 | 140 |
| 第七表面 | -140 |
| 第十五表面 | -190 |
注：衍射级次为+1级，波长为4.2μm。
本光学系统的设计方法为：在设计匹配制冷探测器的光学系统时为了降低光学系统内杂光，保证轴上视场和轴外视场的照度均匀性，要求采用制冷探测器的冷阑作为整个光学系统的孔径光阑，当系统焦距比较长时，光阑的后置会导致系统前口径增大，其面型不具备工艺可行性，这就要求光学系统设计时采用中继结构，设计时将系统分成前组和后组，前组是摄远物镜即物镜组，物镜组具有聚焦和焦距切换的功能；后组是中继镜即中继组，将摄远物镜的实像转移到探测器焦面上，近轴光路如下图4所示。
如图5所示，图5中前组设置为焦距180mm的近轴物镜，后组设置为焦距30mm的近轴物镜，后组与前组焦点的间隔为60mm，物像关系满足L物＝L像＝2f，此时后组放大倍率为-1。定义前组总光学长度L为180mm，总焦距f为180mm。光学结构满足正负正结构，焦距分别为f1、f2、f3，对应的间隔为Δ12、Δ23，定义f3为30mm，L3为50mm，Δ23＝10mm，则Δ12＝120mm。按照近轴光学求解公式可求出f1＝158mm；f2＝-24mm。在总系统长度不变的情况下，改变Δ12、Δ23使系统总焦距为f＝60mm。代入公式可得出Δ12＝92mm，Δ23＝38mm。其结果如图6所示，图上部所示光路系统焦距为-60mm，图下部分所示光路系统焦距为-180mm。焦距为负值因为后组为放大倍率β＝-1的转像镜组。
按照上述设计原则，对系统进行了光焦度的分配，选择光学系统中的透镜材料为硅(Silicon)和锗(Germanium)，采用光学设计软件对系统进行了优化设计，并根据镜组承担孔径角的大小进行了光焦度进一步分解和优化，设计中使用二元面进行了色差的优化，并采用非球面对球差进行矫正，最终设计出如图1所示的光学系统。
本发明的光学系统在不同视场的MTF(Moudlation Transfer Function，调制传递函数)解像曲线分别如图7、图8所示，图中Diffraction MTF表示衍射MTF，DIFF Limit表示系统的衍射极限，F1：(IMG)0.000表示中心视场MTF，F13：(IMG)28.85表示边缘视场，横轴表示每mm对应的线对数，纵轴表示MTF值，Wavelength表示波长，Weight表示权重。图7、图8分别为焦距60mm及焦距180mm对应的MTF值，由图可知，系统传递函数在30lp/mm时大于0.4，能够满足使用要求。
本发明的光学系统60mm焦距的场曲图的光学畸变图如图9所示，180mm焦距的场曲图和光学畸变图如图10所示，场曲图中ASTIGMATIC FIELD CURVES表示像散曲线，FOCUS(MILLIMETERS)表示调焦(mm)；场曲图和光学畸变(DISTORTION)图中纵坐标都表示归一化的视场，场曲图的横坐标为场曲，单位为毫米，T和S分别表示子午和弧矢量，T和S之间的距离表示像散的大小；光学畸变图的横坐标表示相对于中心视场的畸变量，以百分比表示。如图9、图10所示，60mm焦距全视场畸变＜-15％，180mm焦距全视场畸变＜5％。
本发明的光学系统适用于中波3-5μm大面阵，F/#:2.4制冷型探测器，对应的阵列规模为2720×2720，像素规模740W，是常规640×512阵列规模的22倍。光学系统整体结构紧凑，镜片数量少，总体透过率高，能通过单透镜(第二透镜)实现视场高速切换。
上述实施方式并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也均属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种大面阵中波红外双视场光学系统，其特征在于：包括物镜组、中继组，物镜组同轴设置于中继组的前方；所述物镜组包括第一透镜(1)、第二透镜(2)、第三透镜(3)、第四透镜(4)、第五透镜(5)且各透镜从前到后依序同轴设置，物镜组用于实现聚焦和焦距切换功能，第二透镜(2)沿光轴移动实现60mm/180mm焦距的变换；所述中继组包括第六透镜(6)、第七透镜(7)、第八透镜(8)、第九透镜(9)且各透镜从前到后依序同轴设置；所述中继组的后方同轴依序设置有探测器窗口(10)、探测器滤光片(11)，探测器滤光片(11)用作光学系统光阑，探测器焦平面阵列(12)位于探测器滤光片(11)的后方且与其同轴；
所述第二透镜(2)的后端表面、第四透镜(4)的前端表面、第八透镜(8)的前端表面均为二元面；
所述第五透镜(5)的后端表面、第六透镜(6)的前端表面均为非球面。
2.根据权利要求1所述的大面阵中波红外双视场光学系统，其特征在于：所述第一透镜(1)、第三透镜(3)、第七透镜(7)、第九透镜(9)的材料均为硅。
3.根据权利要求2所述的大面阵中波红外双视场光学系统，其特征在于：所述第二透镜(2)、第四透镜(4)、第五透镜(5)、第六透镜(6)、第八透镜(8)的材料均为锗。
4.根据权利要求3所述的大面阵中波红外双视场光学系统，其特征在于：所述第一透镜(1)的前后端表面、第二透镜(2)的前端表面、第三透镜(3)的前后端表面、第四透镜(4)的后端表面、第五透镜(5)的前端表面、第六透镜(6)的后端表面、第七透镜(7)的前后端表面、第八透镜(8)的后端表面、第九透镜(9)的前后端表面均为球面。
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