CN111367042A - 一种大口径长焦距红外双色光学镜头及成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大口径长焦距红外双色光学镜头，其中，包括无焦光路、调焦镜组、中继镜组和四块折转反射镜；所述无焦光路包括具有中心孔的主反射镜、次反射镜和准直镜组，光线经过所述主反射镜收集后反射到所述次反射镜上，所述次反射镜将光线再次反射，在主次镜之间形成第一像面，光线通过准直成像镜组后成缩束的平行光；通过准直镜组的光线经过反射镜折转后通过调焦镜组，调焦镜组中放置两块折转反射镜，在调焦镜组后形成第二像面，光线通过中继镜组成像在红外焦平面探测器上。调焦镜组、中继镜组和四块折转反射镜位于与主次镜光轴垂直的平面内。该镜头可实现中波/长波红外双色同时成像，具有大口径、长焦距、结构紧凑等优点。

Description

一种大口径长焦距红外双色光学镜头及成像装置

技术领域

本发明涉及光学成像技术领域，特别是涉及一种大口径长焦距红外双色光学镜头及成像装置。

背景技术

在红外成像领域，应用最为广泛的光谱波段为中波红外(3μm～5μm)和长波红外(8μm～12μm)。这两个波段相比较拥有不同的优势和局限。最好的方式是采用红外双色探测器合并以上两个波段，使它们优势互补。

双波段红外系统可选择的材料数量较单波段红外系统明显减少。可以提供的材料主要为锗、硒化锌、硫化锌、氟化钡、砷化镓和一些硫系玻璃，像AMTIR系列和GASIR系列。双波段光学系统设计的主要问题是材料的色散特性在不同波段变化明显，例如锗在3μm-5μm的阿贝数为103，在光学系统中一般为负组；而其在8μm-12μm的阿贝数却为864，在光学系统中一般为正组。色差校正是双波段光学系统设计面临的主要难题。光学系统的焦距越大，光学系统的第一片透镜尺寸也会越大，这更加限定了双波段折射式光学系统的应用范围。

中国专利CN1352403A(公开日2002年6月5日)公开了一种“红外双波段折衍混合光学成像系统”，该系统采用折射式光学结构，利用双中心波长闪耀的二元衍射元件实现3.5μm-3.9μm和10.5μm-12.5μm双波段同时成像，用于衍射元件的应用，中波和长波的谱段较窄，系统的透过率较低。

中国实用新型专利CN202177748U(公开日2012年3月28日)公开了“一种双波段红外成像光学系统”，采用四片透射元件，一次成像的方式实现中波红外(3μm-5μm)和长波红外(8μm-12μm)波段在同一焦平面成像。该系统光学总长大于焦距，同时由于一次成像方式的采用使得该系统杂散光抑制困难。

中国专利ZL201310094728.0(授权日2015年9月30日)公开了一种“双波段共光路共焦面成像系统”，该系统采用折射式光学结构，实现3.7μm-4.8μm和7.7μm-9.5μm双波段同时成像。

上述双色红外系统均属于小口径短焦距光学系统，有必要提供一种大口径长焦距同轴折反射式中波/长波红外双色光学系统。

发明内容

为了解决现有技术中小口径短焦距光学系统应用受限的问题，本发明实施例提供了一种大口径长焦距红外双色光学镜头及成像装置，能够实现大口径长焦距，同时结构紧凑，体积较小。

第一方面提供一种大口径长焦距红外双色光学镜头，其中，包括无焦光路、调焦镜组、中继镜组和四块折转反射镜；

所述无焦光路包括具有中心孔的主反射镜、次反射镜和位于所述中心孔的准直成像镜组，光线经过所述主反射镜收集后反射到所述次反射镜上，所述次反射镜将光线再次反射，在主次镜之间形成第一像面，光线通过所述准直成像镜组成平行光；

通过所述准直镜组的光线经过一块反射镜折转后通过调焦镜组，调焦镜组中放置两块折转反射镜，在调焦镜组后形成第二像面，光线通过第四块折转反射镜和中继镜组，成像在红外焦平面探测器上；

所述调焦镜组、中继镜组和四块折转反射镜位于与主次反射镜光轴垂直的平面内。

结合第一方面的实现方式：

所述准直成像镜组包括沿光传播方向依次放置的2～5个透镜，所述准直透镜组的光轴与所述主反射镜和次反射镜的光轴同轴。

结合第一方面的实现方式：

所述调焦镜组包括由沿光传播方向依次放置的3～5个透镜。

结合第一方面的实现方式，所述调焦镜组包括沿光传播方向依次放置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜；所述第一透镜的前表面为凸球面，后表面为凹球面；所述第二透镜的前表面为凸球面，后表面为凹球面；所述第三透镜的前表面为凸球面，后表面为凹球面；所述第四透镜的前表面为凹球面，后表面为凸球面；所述第五透镜的前表面为凹球面，后表面为凸球面。

结合第一方面的实现方式：

所述四块折转反射镜分别为第一45°折叠反射镜、第二45°折叠反射镜、第三45°折叠反射镜以及第四45°折叠反射镜；所述第一45°折叠反射镜位于所述准直镜组和第一透镜之间用于将光轴折转90度；所述第二45°折叠反射镜位于所述第二透镜和第三透镜之间用于将光轴折转90度；所述第三45°折叠反射镜位于所述第三透镜和第四透镜之间用于将光轴折转90度；所述第四45°折叠反射镜位于所述第五透镜和所述中继镜组之间用于将光轴折转90度。

结合第一方面的实现方式：

所述中继镜组包括由沿光传播方向依次放置的2～5个透镜。

结合第一方面的实现方式：

所述中继镜组包括沿光传播方向依次放置的第六透镜、第七透镜和第八透镜；所述第六透镜前后表面均为凸球面；所述第七透镜前后表面均为凹球面；所述第八透镜的前表面为凸球面，后表面为凹球面。

结合第一方面的实现方式：

透镜的材料为锗、硒化锌、硫化锌、氟化钡、砷化镓和硫系玻璃中一种或几种。

结合第一方面的实现方式：

透镜前后表面为球面、二次曲面和高次非球面中的一种。

第二方面提供一种成像装置，该成像装置包括上述的大口径长焦距红外双色光学镜头和用于接收所述大口径长焦距红外双色光学镜头所成像的探测器。

本发明的有益效果是：本发明实施例的大口径长焦距红外双色光学镜头的主反射镜、次反射镜、调焦镜组、中继镜组和折转反射镜配合实现中波/长波红外双色同时成像，具有大口径、长焦距等优点；该调焦镜组和中继镜组中透镜的光轴均位于垂直于所述主反射镜和次反射镜光轴的平面内，使本发明实施例的镜头结构紧凑、体积较小。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。其中：

图1为本发明实施例的大口径长焦距红外双色光学镜头的光路图(不含折转反射镜)。

图2为本发明实施例的大口径长焦距红外双色光学镜头的后视图。

图3为本发明实施例的大口径长焦距红外双色光学镜头在中波波段3.7μm～4.8μm的MTF曲线图。

图4为本发明实施例的大口径长焦距红外双色光学镜头在长波波段7.7μm～9.5μm的MTF曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性的劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例的大口径长焦距红外双色光学镜头的光路图(不含折转反射镜)。图2为本发明实施例的大口径长焦距红外双色光学镜头的后视图。

根据光路走向，规定图中所有透镜的前后顺序以光到达先后顺利来确定，先到达的透镜为前面的透镜，透镜的前方为物方，透镜的后方为像方；对于某一透镜而言，光先到达的表面为前表面，后达到的表面为后表面。

本发明实施例的大口径长焦距红外双色光学镜头为一种折反射式共光路共焦面红外双色光学系统，能够对中波红外和长波红外同时成像，成像到同一个红外双色焦平面探测器上。请参照图1至图3，本发明实施例的大口径长焦距红外双色光学镜头，包括无焦光路、调焦镜组6、中继镜组11和四块折转反射镜(5、7、8、10)。

该无焦光路包括具有中心孔的主反射镜1、次反射镜2和位于所述中心孔的准直镜组4，光线经过该主反射镜1收集后反射到该次反射镜2上，该次反射镜2将光线反射至第一像面3上，光线经过第一像面3到达准直镜组4，该准直镜组4接收该次反射镜2反射的光线并输出平行光，该准直镜组4的光轴与该主反射镜1和次反射镜2的光轴同轴。该主反射镜1优选为凹非球面反射镜，该次反射镜2优选为凸非球面反射镜。该主反射镜1或该次反射镜2的材料可以为铝合金、碳化硅、铍、铍铝、微晶玻璃等材料中的一种。该主反射镜1的反射面和该次反射镜2的反射面是标准二次曲面，即可以是抛物面、椭球面或双曲面，也可以是高次非球面；该主反射镜1和次反射镜2的反射面的面形可以相同也可以不同。进一步优选，该主反射镜1和该次反射镜2的反射面为双曲面。该主反射镜1的焦距口径比为0.486，因此，该主反射镜1具有高陡度小数值孔径。在某些实施例中，该准直镜组4包括沿光传播方向依次放置的2～5个透镜，具体本实施例优选，该准直镜组4包括沿光传播方向依次放置的第一准直透镜41、第二准直透镜42和第三准直透镜43，该第一准直透镜41、第二准直透镜42和第三准直透镜43同轴放置。第一准直透镜41基于Ge晶体材料，其前表面为凹球面透镜，后表面为凸球面透镜。第二准直透镜42基于BaF₂材料，其前表面为凸球面透镜，后表面为凹球面透镜。第三准直透镜43基于IG₂材料，其前表面为凹球面透镜，后表面为凸球面透镜。该主反射镜1、次反射镜2和该准直透镜4组共同组成无焦光路，该无焦光路角放大率一般为-5.5×～-12×。目标热辐射(即光线)到达该主反射镜1后，经该主反射镜1、次反射镜2反射形成第一像面3，再经过准直镜组4后形成缩束的平行光束并有实出瞳。

该主反射镜1的反射面与次反射镜2的反射面相对排布，准直透镜放置4在该主反射镜1的中心孔附近，为使光学系统布局紧凑，准直镜组4后端光路中所有光学元件通过光线折转组件折转均排布于与该主反射镜1光轴垂直的平面之上(即调焦镜组6和中继镜组11中透镜的光轴在一个平面之上)。

调焦镜组6和中继镜组11中透镜的光轴均位于同一平面内，该平面垂直于该主反射镜1光轴，即准直镜组4后端光路中所有光学元件通过反射镜折转均“排布”于与该主反射镜1光轴垂直的平面之上。在某些实施例中，该平面也可以不与该主反射镜1的光轴垂直。该折转反射镜包括至少一个45°折叠反射镜，进一步，优选该光线折转组件包括第一45°折叠反射镜5、第二45°折叠反射镜7、第三45°折叠反射镜8以及第四45°折叠反射镜10。该第一45°折叠反射镜5位于该无焦光路和调焦镜组6之间用于将光轴折转90度。该第一45°折叠反射镜5可以作为像移补偿反射镜，用以实现成像曝光时间内的光轴稳定。该第二45°折叠反射镜7和第三45°折叠反射镜8位于所述调焦镜组6中的透镜之间，该第四45°折叠反射镜10位于所述调焦镜组6和中继镜组11之间用于将光轴折转90度。该第二45°折叠反射镜7、第三45°折叠反射镜8和第四45°折叠反射镜10用于折转光路，使光学系统布局紧凑。

该调焦镜组6包括由沿光传播方向依次放置的3～5个透镜，本实施例优选，该调焦镜组6包括沿光传播方向依次放置的第一透镜61、第二透镜62、第三透镜63、第四透镜64和第五透镜65；该第一透镜61基于ZnSe晶体材料，前表面为凸球面，后表面为凹球面；该第二透镜62基于Ge材料，前表面为凸球面，后表面为凹球面；该第三透镜63基于BaF₂材料，前表面为凸球面，后表面为凹球面；该第四透镜64基于ZnSe晶体材料，前表面为凹球面，后表面为凸球面；该第五透镜65基于Ge材料，前表面为凹球面，后表面为凸球面。

该中继镜组11包括由沿光传播方向依次放置的2～5个透镜，本实施例优选该中继镜组11包括沿光传播方向依次放置的第六透镜111、第七透镜112和第八透镜113；该第六透镜111基于ZnSe晶体材料，前后表面均为凸球面；该第七透镜112基于BaF₂晶体材料，前后表面均为凹球面；该第八透镜113基于ZnSe晶体材料，前表面为凸球面，后表面为凹球面。

该第一45°折叠反射镜5位于该准直镜组4和第一透镜61之间用于将光轴折转90度；该第二45°折叠反射镜7位于该第二透镜62和第三透镜63之间用于将光轴折转90度；该第三45°折叠反射镜8位于该第三透镜63和第四透镜64之间用于将光轴折转90度；该第四45°折叠反射镜10位于该第五透镜65和第六透镜111之间用于将光轴折转90度。

当然，在某些实施例中，本发明涉及的透镜的材料为锗、硒化锌、硫化锌、氟化钡、砷化镓和硫系玻璃中一种或几种；或者，本发明涉及的透镜前后表面为球面、二次曲面和高次非球面中的一种。可以实现较为广泛的设计选择，增加本发明实施例的大口径长焦距红外双色光学镜头应用场景。

目标热辐射到达该主反射镜1后，来自物方的光束经该主反射镜1反射后入射到次反射镜2上，由次反射镜2反射聚焦，使得目标成像在第一像面3上。再经过该准直镜组4后形成缩束的平行光束；缩束平行光经过第一45°折叠反射镜5反射，实现光轴的90°折转。折转后的平行光经过该第一透镜61、第二透镜62、第二45°折叠反射镜7、第三透镜63、第三45°折叠反射镜8、第四透镜64和第五透镜65，使得目标成像在第二像面9上；再由第四45°折叠反射镜10反射，实现光束90°折转抵达中继镜组11，中继镜组11将目标成像在第三像面上。即由中继镜组11将第二像面9上的目标通过焦平面探测器窗口121和冷阑122，重新聚焦成像探测器焦平面阵列123上。成像探测器焦平面阵列123与第三像面重合。

本发明实施例的大口径长焦距红外双色光学镜头的主反射镜、次反射镜、调焦镜组、中继镜组和四块折转反射镜配合可实现中波/长波红外双色同时成像，具有长焦距、大口径等优点，该调焦镜组和中继镜组中透镜的光轴均位于垂直于所述主反射镜光轴的平面内，使本发明实施例的镜头结构紧凑、体积较小；该大口径长焦距红外双色光学镜头的各个光学元件参数合理，材料选用及排布科学，因此，该镜头畸变小，传递函数达到或接近衍射极限，冷阑匹配达到100％。

根据图1和图2的光学结构，设计了一套中波/长波红外双色折反射式成像系统，该系统技术指标如下：焦距：850mm；相对孔径：1:3.3；视场：0.65°×0.52°；探测器像元数：320×256；像元尺寸：30μm；工作波段：中波3.7μm～4.8μm，长波7.7μm～9.5μm。图3为本发明实施例的大口径长焦距红外双色光学镜头在中波波段3.7μm～4.8μm的MTF曲线图。图4为本发明实施例的大口径长焦距红外双色光学镜头在长波波段7.7μm～9.5μm的MTF曲线图。请参照图3和图4，该系统在中波波段MTF＞0.5，长波波段MTF＞0.3，成像质量较好。本发明实施例的光学系统的优点是：

(1)中波红外和长波红外共光路共焦面成像

一种紧凑型中波/长波红外双色光学系统，采用折反射式光学结构，可实现大口径、长焦距成像。

(2)体积小

本发明利用高陡度小数值孔径该主反射镜1、大倍率无焦光路和四块反射镜折转光路，光学系统光轴方向厚度仅为焦距的0.20～0.60，结构紧凑，体积小，可实现大口径长焦距中波/长波红外双色光学系统的小型化。

本发明实施例还提供一种成像装置。该成像装置包括上述大口径长焦距红外双色光学镜头和用于接收所述大口径长焦距红外双色光学镜头所成像的探测器。该探测器将该中波红外连续变焦镜头所成像转化为电信号供后续处理，实现后续图像处理。该成像装置可以是一种相机，也可以是一种吊舱，还可以是其他一些设备或者装置。一般，该探测器为焦平面探测器。进一步优选，该焦平面探测器为制冷型探测器12，包含窗口121、冷阑122和焦平面阵列123，窗口121基于红外透过材料，例如锗；焦平面阵列123为中波/长波红外双色焦平面阵列；冷阑122放置在窗口121和焦平面阵列123之间，决定焦平面阵列接收目标辐射的立体角，冷阑122作为光学系统的出瞳，物方与其共轭的入瞳尽量与该主反射镜1重合，从而有效减少该主反射镜1孔径。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种大口径长焦距红外双色光学镜头，其特征在于，包括无焦光路、调焦镜组、中继镜组和四块折转反射镜；

所述无焦光路包括具有中心孔的主反射镜、次反射镜和位于所述中心孔的准直成像镜组，光线经过所述主反射镜收集后反射到所述次反射镜上，所述次反射镜将光线再次反射，在主次镜之间形成第一像面，光线通过所述准直成像镜组成缩束的平行光；

通过所述准直镜组的光线经过一块反射镜折转后通过调焦镜组，调焦镜组中放置两块折转反射镜，在调焦镜组后形成第二像面，光线通过第四块折转反射镜和中继镜组，成像在红外焦平面探测器上；

所述调焦镜组、中继镜组和四块折转反射镜位于与主次反射镜光轴垂直的平面内。

2.根据权利要求1所述的大口径长焦距红外双色光学镜头，其特征在于：所述准直成像镜组包括沿光传播方向依次放置的2～5个透镜，所述准直透镜组的光轴与所述主反射镜和次反射镜的光轴同轴。

3.根据权利要求1所述的大口径长焦距红外双色光学镜头，其特征在于：所述调焦镜组包括由沿光传播方向依次放置的3～5个透镜。

4.根据权利要求3所述的大口径长焦距红外双色光学镜头，其特征在于：所述调焦镜组包括沿光传播方向依次放置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜；所述第一透镜的前表面为凸球面，后表面为凹球面；所述第二透镜的前表面为凸球面，后表面为凹球面；所述第三透镜的前表面为凸球面，后表面为凹球面；所述第四透镜的前表面为凹球面，后表面为凸球面；所述第五透镜的前表面为凹球面，后表面为凸球面。

5.根据权利要求4所述的大口径长焦距红外双色光学镜头，其特征在于：所述四块折转反射镜分别为第一45°折叠反射镜、第二45°折叠反射镜、第三45°折叠反射镜以及第四45°折叠反射镜；所述第一45°折叠反射镜位于所述准直镜组和第一透镜之间用于将光轴折转90度；所述第二45°折叠反射镜位于所述第二透镜和第三透镜之间用于将光轴折转90度；所述第三45°折叠反射镜位于所述第三透镜和第四透镜之间用于将光轴折转90度；所述第四45°折叠反射镜位于所述第五透镜和所述中继镜组之间用于将光轴折转90度。

6.根据权利要求1所述的大口径长焦距红外双色光学镜头，其特征在于：所述中继镜组包括由沿光传播方向依次放置的2～5个透镜。

7.根据权利要求6所述的大口径长焦距红外双色光学镜头，其特征在于，所述中继镜组包括沿光传播方向依次放置的第六透镜、第七透镜和第八透镜；所述第六透镜前后表面均为凸球面；所述第七透镜前后表面均为凹球面；所述第八透镜的前表面为凸球面，后表面为凹球面。

8.根据权利要求1至7任一项所述的大口径长焦距红外双色光学镜头，其特征在于：透镜的材料为锗、硒化锌、硫化锌、氟化钡、砷化镓和硫系玻璃中一种或几种。

9.根据权利要求1至7任一项所述的大口径长焦距红外双色光学镜头，其特征在于：透镜前后表面为球面、二次曲面和高次非球面中的一种。

10.一种成像装置，其特征在于，包括权利要求1至9任一项所述的大口径长焦距红外双色光学镜头和用于接收所述大口径长焦距红外双色光学镜头所成像的探测器。

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