CN111505801B - 一种中波红外光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种中波红外光学系统,解决了核反应堆中温度场测量问题,所述的中波红外光学系统包括防污染保护窗口、成像组、中继镜组、校正镜组和探测器组件,所述光学系统发出的光经过所述成像组成像,通过所述中继镜将成像组像面耦合到校正组物面,通过校正镜组调整成像品质,由探测器组件采集成像信息:波长范围为3.7um~4.8um,视场角50度,入瞳直径6.78mm,系统F数为2,系统总长1770mm,出瞳位于探测器冷光阑面上,实现冷光阑匹配,冷光阑效率100%。除探测器组件,共使用12片透镜,其中4个表面使用了10次非球面。本发明的中红外光学系统具有易加工、易装调、透镜口径小、成像质量好等优点。
Description
技术领域
本发明属于红外光学应用领域,具体涉及一种中波红外光学系统。
背景技术
在自然界中,当物体的温度高于绝对零度时,由于它内部热运动的存在,就会不断向四周辐射电磁波,其中就包含了波段位于0.75~100um的红外线。红外温度场测量就是利用这一原理制作而成,温度是度量物体冷热程度的一个物理量,是工业生产中很普遍、很重要的一个热工参数,许多生产工艺过程均要求对温度进行监测和控制,尤其是在核反应堆中,需要准确的反映出核反应堆中不同区域的温度场分布和计量大小。传统的接触式测温仪如热电偶、热电阻等,因要与被测物质进行充分热交换,需要经过一定时间后才能达到热平衡,存在着测温延迟现象,同时也不能直观反映出一定测量区域的温度场分布,因此在核反应堆中温度场检测中存在一定使用局限。
针对于传统接触式测温仪的局限性,以及市面上现有红外测温仪不能满足核反应堆强辐射、空间光环境复杂和大视场范围温度场监测和测量的要求,发明一种能满足核反应堆温度场监测和测量的仪器设备或者光学系统,对提高核反堆的安全性能起着至关重要的作用。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题,本发明提供了一种中波红外光学系统,结合外部结构计算出被测目标范围内的温度场分布和温度值。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下:
一种中波红外光学系统,该光学系统包括:防污染保护窗口、成像组、中继镜组、校正镜组和探测器组件,所述光学系统发出的光首先经过防污染窗口控污染,经过所述成像组成像,通过所述中继镜将成像组像面耦合到校正组物面,通过校正镜组调整成像品质,由探测器组件采集成像信息:
所述成像组包括同光轴设置并顺次排列第一正透镜和第二正透镜;所述的第一正透镜前表面为10次非球面,所述的第二正透镜前表面为10次非球面;
所述中继镜组包括同光轴设置并顺次排列的第三正透镜、光学密封窗口、第四正透镜和第五正透镜;
所述校正镜组透镜包括同光轴设置并顺次排列的第六正透镜、第一负透镜、第七正透镜、第八正透镜和第二负透镜;所述的第一负透镜后表面为10次非球面,所述的第二负透镜后表面为10次非球面;
所述探测器组件包括依次设置并位于所述第二负透镜后的探测器窗口、滤光片和位于像面的探测器靶面;
以上各透镜的具体参数如下:
半径(mm) | 间距(mm) | 玻璃标号 | |
入瞳面 | ∞ | 30.00 | |
防污染保护窗口入射面 | ∞ | 2.00 | 锗 |
防污染保护窗口出射面 | ∞ | 8.00 | |
第一正透镜入射面 | -61.30 | 10.00 | 锗 |
第一正透镜出射面 | -49.30 | 172.39 | |
第二正透镜入射面 | -219.00 | 14.00 | 锗 |
第二正透镜出射面 | -136.50 | 284.37 | |
第三正透镜入射面 | 423.20 | 13.00 | 锗 |
第三正透镜出射面 | ∞ | 20.00 | |
光学密封窗口入射面 | ∞ | 15.00 | 锗 |
光学密封窗口出射面 | ∞ | 325.00 | |
第四正透镜入射面 | ∞ | 13.00 | 锗 |
第四正透镜出射面 | -423.20 | 300.00 | |
第五正透镜入射面 | 423.20 | 13.00 | 锗 |
第五正透镜出射面 | ∞ | 360.00 | |
第六正透镜入射面 | 146.57 | 11.00 | 硅 |
第六正透镜出射面 | 452.94 | 8.17 | |
第一负透镜入射面 | -264.20 | 8.00 | 锗 |
第一负透镜出射面 | 450.00 | 75.76 | |
第七正透镜入射面 | 118.56 | 12.00 | 硅 |
第七正透镜出射面 | 507.00 | 3.00 | |
第八正透镜入射面 | 65.00 | 10.00 | 硅 |
第八正透镜出射面 | 83.97 | 5.51 | |
第二负透镜入射面 | 79.70 | 9.00 | 锗 |
第二负透镜出射面 | 47.60 | 19.75 | |
探测器窗口入射面 | ∞ | 1.00 | 锗 |
探测器窗口出射面 | ∞ | 3.15 | |
滤光片入射面 | ∞ | 1.00 | 硅 |
滤光片出射面 | ∞ | 22.73 | |
像面 | ∞ |
根据球面和非球面的数学描述,所述第一正透镜、第二正透镜、第一负正透镜和第二负透镜的反射面非球面系数分别为:
第一正透镜的入射面:k=0,
A=-5.97839591961765e-007,B=4.67907049876462e-010,
C=-9.39254287267713e-013,D=4.42984697954555e-016;
第二正透的入射面:k=0,
A=-8.62437945102626e-008,B=-6.6996069395863e-011,
C=6.14579631185068e-014,D=-1.72477201555442e-017;
第一负透镜的出射面:k=0,
A=-9.76760269603886e-008,B=2.85185872104775e-010,
C=-4.57063613986695e-013,D=3.72969776722935e-016;
第二负透镜的出射面:k=0,
A=8.24875384288397e-007,B=-1.95170175533875e-010,
C=4.05952225586209e-012,D=-4.75562793680545e-015。
优选的,所述的中波红外光学系统工作波长范围为3.7um~4.8um,视场角50度,入瞳直径6.78mm,系统F数为2,出瞳位于探测器冷光阑面上,实现冷光阑匹配,冷光阑效率100%,畸变小于5%,全视场在17线对/mm所对应的MTF≥0.5,成像质量好。
优选的,所述防污染保护窗可更换。
优选的,所用非球面透镜材料为锗,采用金刚石车床单点车削工艺加工完成,所设计非球面面形无拐点。
优选的,光学系统总长>1700mm,设计结果为1770mm,采用三块相同的中继镜将成像组像面耦合到校正组物面。
优选的,所述第三正透镜、第四正透镜和第五正透镜结构相同。
优选的,所述成像组、中继镜组、校正组和探测器组件通过透镜外框上的机械组件按一定间距固定连接。
本发明的有益效果是:
1、系统温度场测量范围广,常规红外测温仪只能测量某一局部点,而本系统可测量视场达到50度,可满足核反应堆温度场大测量范围需求;
2、由于核反应堆辐射和光环境极其恶劣,在中波红外光学系统前端加入了防污染保护窗,当防污染保护窗表面污染严重时,直径更换防污染保护窗,保证系统像质良好,温度场测量状态正常。
3、由于核反应堆特殊的温度场环境和辐射特性,光学系统总长>1700mm,采用本系统测量时可与核反应堆内部实现较好的物理隔离,有利用保护操作人员。
4、系统成像质量好,本中波红外光学系统出瞳位于探测器冷光阑面上,实现冷光阑匹配,冷光阑效率100%,畸变小于5%,全视场在17线对/mm所对应的MTF≥0.5。
5、系统中所用非球面透镜材料为锗,非球面次数均为10阶,采用金刚石车床单点车削工艺加工完成,所设计非球面面形无拐点,易加工,易装调。
附图说明
图1本发明一种中波红外光学系统结构示意图。
图2本发明一种中波红外光学系统结构成像组结构示意图。
图3本发明一种中波红外光学系统结构中继镜组结构示意图。
图4本发明一种中波红外光学系统结构校正组结构示意图。
图5本发明一种中波红外光学系统结构探测器组件结构示意图。
图6本发明具体实施方式中中波红外系统畸变图。
图7本发明具体实施方式中中波红外系统MTF图。
图中:1、防污染保护窗口,2、第一正透镜,3、第二正透镜,4、第三正透镜,5、光学密封窗口,6、第四正透镜,7、第五正透镜,8、第六正透镜,9、第一负透镜,10、第七正透镜,11、第八正透镜,12、第二负透镜,13、探测器窗口,14、滤光片,15、探测器靶面(像面),16、入瞳面。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
如附图1所示,一种中波红外光学系统由入瞳面、成像组、中继镜组、校正镜组和探测器组件组成,所述光学系统发出的光经过所述成像组成像,通过所述中继镜将成像组像面耦合到校正组物面,通过校正镜组调整成像品质,由探测器组件采集成像信息:除探测器组件外,共12片透镜,其中含4个10次非球面。
如图2所示,所述成像组包括第一正透镜2和第二正透镜3。以上透镜顺次排列,各透镜同光轴,用透镜外框上的机械组件固定它们之间的相对位置。
所述的第一正透镜2前表面为10次非球面。所述的第二正透镜3前表面为10次非球面。
如图3所示,所述中继镜组包括第三正透镜4、光学密封窗口5、第四正透镜6和第五正透镜7。以上透镜顺次排列,各透镜同光轴,用透镜外框上的机械组件固定它们之间的相对位置。
如图4所示,所述校正镜组透镜包括第六正透镜8、第一负透镜9、第七正透镜10、第八正透镜11、第二负透镜12。以上透镜顺次排列,各透镜同光轴,用透镜外框上的机械组件固定它们之间的相对位置。
所述的第一负透镜9后表面为10次非球面。所述第二负透镜12后表面为10次非球面。
如图5所示,所述探测器组件包括探测器窗口13、滤光片14和探测器靶面15。所述探测器窗口13、滤光片14和探测器靶面15设置在所述第二负透镜12后,其中探测器靶面15位于所述第二负透镜12像面处。
入瞳面、成像组、中继镜组、校正组和探测器组件通过透镜外框上的机械组件按一定间距固定连接。
本实施例的具体优化措施为应用光学设计软件CODEV构造优化函数,并加入像差与结构限制参量,对透镜片数、透镜曲率半径、透镜间隔和透镜材料逐步优化为现有结果。
本实施例可以通过以下技术方案实现:波长范围为3.7um~4.8um,视场角50度,入瞳直径6.78mm,系统F数为2,系统总长1770mm,出瞳位于探测器冷光阑面上,实现冷光阑匹配,冷光阑效率100%,畸变小于5%,全视场在17线对/mm所对应的MTF≥0.5,其各透镜的具体参数如下:
半径(mm) | 间距(mm) | 玻璃标号 | |
入瞳面16 | ∞ | 30.00 | |
防污染保护窗口1入射面 | ∞ | 2.00 | 锗 |
防污染保护窗口1出射面 | ∞ | 8.00 | |
第一正透镜2入射面 | -61.30 | 10.00 | 锗 |
第一正透镜2出射面 | -49.30 | 172.39 | |
第二正透镜3入射面 | -219.00 | 14.00 | 锗 |
第二正透镜3出射面 | -136.50 | 284.37 | |
第三正透镜4入射面 | 423.20 | 13.00 | 锗 |
第三正透镜4出射面 | ∞ | 20.00 | |
光学密封窗口5入射面 | ∞ | 15.00 | 锗 |
光学密封窗口5出射面 | ∞ | 325.00 | |
第四正透镜6入射面 | ∞ | 13.00 | 锗 |
第四正透镜6出射面 | -423.20 | 300.00 | |
第五正透镜7入射面 | 423.20 | 13.00 | 锗 |
第五正透镜7出射面 | ∞ | 360.00 | |
第六正透镜8入射面 | 146.57 | 11.00 | 硅 |
第六正透镜8出射面 | 452.94 | 8.17 | |
第一负透镜9入射面 | -264.20 | 8.00 | 锗 |
第一负透镜9出射面 | 450.00 | 75.76 | |
第七正透镜10入射面 | 118.56 | 12.00 | 硅 |
第七正透镜10出射面 | 507.00 | 3.00 | |
第八正透镜11入射面 | 65.00 | 10.00 | 硅 |
第八正透镜11出射面 | 83.97 | 5.51 | |
第二负透镜12入射面 | 79.70 | 9.00 | 锗 |
第二负透镜12出射面 | 47.60 | 19.75 | |
探测器窗口13入射面 | ∞ | 1.00 | 锗 |
探测器窗口13出射面 | ∞ | 3.15 | |
滤光片14入射面 | ∞ | 1.00 | 硅 |
滤光片14出射面 | ∞ | 22.73 | |
像面15 | ∞ |
根据球面和非球面的数学描述,所述第一正透镜、第二正透镜、第一负正透镜和第二负透镜的反射面非球面系数分别为:
第一正透镜的反射面:k=0,
A=-5.97839591961765e-007,B=4.67907049876462e-010,
C=-9.39254287267713e-013,D=4.42984697954555e-016;
第二正透的反射面:k=0,
A=-8.62437945102626e-008,B=-6.6996069395863e-011,
C=6.14579631185068e-014,D=-1.72477201555442e-017;
第一负正透镜的反射面:k=0,
A=-9.76760269603886e-008,B=2.85185872104775e-010,
C=-4.57063613986695e-013,D=3.72969776722935e-016;
第二负透镜的反射面:k=0,
A=8.24875384288397e-007,B=-1.95170175533875e-010,
C=4.05952225586209e-012,D=-4.75562793680545e-015。
对本实施例制作的中波红外光学系统采用以下两种评价手段进行评价:
1、畸变评价
畸变是指光主光线的实际角放大率不等于+1时,即像方主光线不和物方主光线平行时,像方主光线和理想像面的交点不和理想像点重合,这种现象称为畸变。在只存在畸变的情况下,这些点落在与光轴垂直的平面上,但是与光轴的距离是不对的。存在畸变时,图像很清晰,但是有错位。对于设计的中波红外光学系统,畸变值如图6所示,随视场变化,最大畸变值为4.0%。
2、MTF评价
调制传递函数,简称MTF(modulation transfer function),也叫模量传递函数,光学镜头把自然界的光信息传递到胶片或者探测器上。光波包括光的波长、频率、位相,所谓“模量”,即光波振幅大小的量值。模量传递函数描述的正是光信息在通过光学媒质(如空气)和光学器件(如镜头)的传递过程中,它的强弱随空间位置变化规律而改变。调制度的定义为:最大亮度与最小亮度的差与它们的和的比值。镜头的MTF值,可以反映除畸变外的所有像差,而且与实际成像结果非常吻合。对于设计的波红外光学系统,全视场MTF曲线如图7所示,在17线对/mm所对应的MTF≥0.5,成像质量优良。
Claims (5)
1.一种中波红外光学系统,其特征在于,该光学系统包括:防污染保护窗口、成像组、中继镜组、校正镜组和探测器组件,所述光学系统发出的光首先经过防污染窗口控污染,经过所述成像组成像,通过所述中继镜将成像组像面耦合到校正组物面,通过校正镜组调整成像品质,由探测器组件采集成像信息:
所述成像组包括同光轴设置并顺次排列第一正透镜和第二正透镜;所述的第一正透镜前表面为10次非球面,所述的第二正透镜前表面为10次非球面;
所述中继镜组包括同光轴设置并顺次排列的第三正透镜、光学密封窗口、第四正透镜和第五正透镜;
所述校正镜组透镜包括同光轴设置并顺次排列的第六正透镜、第一负透镜、第七正透镜、第八正透镜和第二负透镜;所述的第一负透镜后表面为10次非球面,所述的第二负透镜后表面为10次非球面;
所述探测器组件包括依次设置并位于所述第二负透镜后的探测器窗口、滤光片和位于像面的探测器靶面;
以上各透镜的具体参数如下:
根据球面和非球面的数学描述,所述第一正透镜、第二正透镜、第一负透镜和第二负透镜的反射面非球面系数分别为:
第一正透镜的入射面:k=0,
A=-5.97839591961765e-007,B=4.67907049876462e-010,
C=-9.39254287267713e-013,D=4.42984697954555e-016;
第二正透镜的入射面:k=0,
A=-8.62437945102626e-008,B=-6.6996069395863e-011,
C=6.14579631185068e-014,D=-1.72477201555442e-017;
第一负透镜的出射面:k=0,
A=-9.76760269603886e-008,B=2.85185872104775e-010,
C=-4.57063613986695e-013,D=3.72969776722935e-016;
第二负透镜的出射面:k=0,
A=8.24875384288397e-007,B=-1.95170175533875e-010,
C=4.05952225586209e-012,D=-4.75562793680545e-015。
2.根据权利要求1所述的一种中波红外光学系统,其特征在于,所述的中波红外光学系统工作波长范围为3.7um~4.8um,视场角50度,入瞳直径6.78mm,系统F数为2,出瞳位于探测器冷光阑面上,实现冷光阑匹配,冷光阑效率100%,畸变小于5%,全视场在17线对/mm所对应的MTF≥0.5,成像质量好。
3.根据权利要求1所述的中波红外光学系统,其特征在于,所述防污染保护窗可更换。
4.根据权利要求1所述的一种中波红外光学系统,其特征在于,所用非球面透镜材料为锗,采用金刚石车床单点车削工艺加工完成,所设计非球面面形无拐点。
5.根据权利要求1所述的一种中波红外光学系统,其特征在于,所述成像组、中继镜组、校正组和探测器组件通过透镜外框上的机械组件按一定间距固定连接。
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