CN111897117A - 超薄中长波红外双波段成像系统 - Google Patents

超薄中长波红外双波段成像系统 Download PDF

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Abstract

超薄中长波红外双波段成像光学系统属于红外光学成像技术领域。现有超薄红外成像系统只能实现中波红外成像，现有中长波红外成像系统结构松散，不易制造和装配。本发明由镜体及分布在镜体两端的若干个镜面构成；在所述镜体的进光一侧，自周围至中间依次分布环带形折射镜面、环带形二次反射镜面、圆形四次反射镜面；在镜体的出光一侧，自周围至中间依次分布环带形一次反射镜面、环带形三次反射镜面、圆形折射镜面；所述六个镜面的面型均为高次非球面；所述六个镜面的高次非球面顶点均位于超薄中长波红外双波段成像光学系统光轴上；所述两个折射镜面镀有中长波红外增透膜，所述四个反射镜面镀有中长波红外反射膜；所述镜体的材质为红外硫系玻璃。

Description

超薄中长波红外双波段成像系统
技术领域
本发明涉及一种超薄中长波红外双波段成像光学系统，光学结构紧凑、镜体超薄，属于红外光学成像技术领域。
背景技术
红外成像技术运用被探测目标和背景之间产生的辐射温差收集信息，形成相应的场景图像。随着红外成像技术的发展，单波段红外成像光学系统逐渐不能满足复杂场景的探测需求，容易受到外界不稳定因素干扰，而双波段红外成像光学系统则能够从两个波段对场景进行更全面的成像，对于外界干扰具有较强的抵抗能力。然而，现有折射式双波段红外成像光学系统的尺寸较大，在某些特殊的场合，如无人机等对尺寸及重量有严格的限制，因此，现有折射式双波段红外成像光学系统难以满足超薄、轻量化要求。
公告号为CN202421617U的一件中国实用新型专利公开了一种名称为“红外双波段谐衍射光学系统”的技术方案，该方案由四片透镜构成，其中第二片透镜的前表面为谐衍射面，其余各面均为球面，该方案实现了对中长波两个红外波段的成像。尽管该光学系统引入谐衍射面以简化光学系统结构，但是，四片透镜还是使得系统的光学结构复杂，并且，系统的轴向尺寸与系统焦距之比高达1.28，远未达到超薄的程度。
一篇刊载于光学学报(2015,35(04):331～337)题目为“超紧凑型单片成像光学系统设计”的论文给出一种适用于中波红外的超紧凑单片成像光学系统，在单片透镜的前表面、后表面进行分区域加工，分别镀上内反射膜和增透膜，形成两个反射面和两个透射面，构成折反一体式透镜，整个光学系统集成在一片透镜上，结构简单。虽然采用了二次反射的方式，系统轴向尺寸与系统焦距之比减小到了0.62，但也是接近超薄程度而已；另外，该光学系统只能实现中波红外单一波段的成像。
文献“Design ofan ultra-thin dualband infrared system”(DuK,ChengX,LvQ,et al.Design ofan ultra-thin dual band infrared system[C]//Optical Designand TestingVI.International Society forOptics andPhotonics,2014:92720U-92720U-6.)将折叠光学系统应用到红外成像领域，提出了一种四次折叠反射的超薄双波段红外系统。为了维持光的采集，这种多次反射式光学系统其外孔径较大，更适合于作为红外光学中的非制冷图像传感器，能够有效降低光学系统的成本和重量。由于光路被多次反射折叠，光学系统在非常紧凑的同时又可以保持良好的图像质量。该超薄双波段红外系统的F数为2，外直径80mm，系统轴向尺寸与系统焦距之比进一步减小为0.233，与其所称的超薄相符。该超薄双波段红外系统还采用了四片铝质镜体反射镜，不产生色差。尽管如此，该方案仍有其不尽如人意之处，包括，四片反射镜各不相同，不利于批量化生产；四片反射镜需要用支架安装固定，使系统的装调难度增加，而且，支架受力后易变形，成像质量势必因此而降低。
发明内容
为了在实现中长波红外双波段成像的同时，使得成像系统结构紧凑，易于制造和装配，成像质量高且稳定，我们发明了一种超薄中长波红外双波段成像光学系统。
本发明之超薄中长波红外双波段成像光学系统由镜体1及分布在镜体1两端的若干个镜面构成，其特征在于，如图1～图3所示，在所述镜体1的进光一侧，自周围至中间依次分布环带形折射镜面2、环带形二次反射镜面3、圆形四次反射镜面4；在镜体1的出光一侧，自周围至中间依次分布环带形一次反射镜面5、环带形三次反射镜面6、圆形折射镜面7；所述六个镜面的面型均为高次非球面，高次非球面的方程为：
Figure BDA0002629597950000021
式中，z为高次非球面矢高，c为高次非球面顶点处的基本曲率，r为高次非球面上点的径向坐标，k为圆锥曲线常数，A、B、C、D、E、…为非球面系数；所述六个镜面的高次非球面顶点均位于超薄中长波红外双波段成像光学系统光轴上；所述两个折射镜面镀有中长波红外增透膜，所述四个反射镜面镀有中长波红外反射膜；所述镜体的材质为红外硫系玻璃。
所述六个镜面集成于同一镜体上，均为以光轴为对称线的线对称回转曲面，成像系统的结构十分紧凑，虽然结构稍显复杂，不过一旦设计完毕，并且，镜体的材料选用的又是红外硫系玻璃，一种适合精密模压的材料，因此，本发明之成像光学系统是能够批量制造的光学器件，制造成本也会很低。构成成像光学系统的各个镜面均集成于一个镜体的两端，一次制造完毕，不涉及安装、调试，当然也不存在使用过程中因成像光学系统结构的变化导致的成像质量的下降。
如图1所示，本发明之超薄中长波红外双波段成像光学系统的光阑位于环带形折射镜面2处；成像光束通过环带形折射镜面2折射入射镜体1，在环带形一次反射镜面5处第一次反射，在环带形二次反射镜面3处第二次反射，在环带形三次反射镜面6处第三次反射，在圆形四次反射镜面4处第四次反射，最后通过圆形折射镜面7折射出射并聚焦到像面。可见，在成像过程中光路多次折叠，同时，由于成像光学系统的各个组成部分高度集成，系统的轴向尺寸与系统焦距之比能够达到0.46～0.60，符合超薄标准。
两折四反的成像过程，所有镜面均为高次非球面，结合红外镀膜技术，镜体材质的选择，本发明实现了在3～5μm中波红外和7.7～10μm长波红外波段内的高质量成像。
附图说明
图1是本发明之超薄中长波红外双波段成像光学系统结构剖视示意图，同时也是成像光路示意图，该图兼作为摘要附图。图2是本发明之超薄中长波红外双波段成像光学系统镜体进光一侧立体示意图。图3是本发明之超薄中长波红外双波段成像光学系统镜体出光一侧立体示意图。图4是本发明之超薄中长波红外双波段成像光学系统的3～5μm中波红外波段调制传递函数曲线图。图5是本发明之超薄中长波红外双波段成像光学系统的7.7～10μm长波红外波段调制传递函数曲线图。
具体实施方式
本发明之超薄中长波红外双波段成像光学系统一个设计实例的部分参数如下表所示：
Figure BDA0002629597950000031
表中的c为高次非球面顶点处的基本曲率，表中的间距指在成像光路上相邻镜面顶点之间的距离，表中的材料为光学面之间的介质材料。
所述设计实例中各镜面的非球面系数
镜面 A B C D E
环带形折射镜面2 0.000 2.816E-007 -1.747E-010 9.717E-014 -5.795E-017
环带形一次反射镜面5 0.000 2.998E-007 6.490E-011 -4.079E-014 0.000
环带形二次反射镜面3 0.000 2.726E-006 -1.647E-009 5.676E-013 0.000
环带形三次反射镜面6 0.000 1.203E-006 -1.849E-009 -8.699E-012 3.463E-014
圆形四次反射镜面4 0.000 -2.732E-006 -1.238E-009 -5.972E-011 4.078E-013
圆形折射镜面7 0.000 -9.598E-005 4.670E-006 -1.023E-007 8.236E-010
在所述设计实例中，各镜面皆为轴对称非球面，能够校正轴外像差；光阑位于环带形折射镜面2处；系统焦距为50mm，遮拦比为75％，F数为1，全视场14°；系统轴向长度为24mm，系统的轴向尺寸与系统焦距之比为0.48，红外硫系玻璃的牌号为IRG24。
所述设计实例在中长波红外波段各个视场的调制传递函数曲线都趋近于衍射极限，在中波红外3～5μm波段内的特征频率20线对/毫米处的MTF值大于0.45，如图4所示，在长波红外7.7～10μm波段内的特征频率20线对/毫米处的MTF值大于0.30，如图5所示，实现了高质量成像。

Claims (1)

1.一种超薄中长波红外双波段成像光学系统，由镜体(1)及分布在镜体(1)两端的若干个镜面构成，其特征在于，在所述镜体(1)的进光一侧，自周围至中间依次分布环带形折射镜面(2)、环带形二次反射镜面(3)、圆形四次反射镜面(4)；在镜体(1)的出光一侧，自周围至中间依次分布环带形一次反射镜面(5)、环带形三次反射镜面(6)、圆形折射镜面(7)；所述六个镜面的面型均为高次非球面，高次非球面的方程为：
Figure FDA0002629597940000011
式中，z为高次非球面矢高，c为高次非球面顶点处的基本曲率，r为高次非球面上点的径向坐标，k为圆锥曲线常数，A、B、C、D、E、…为非球面系数；所述六个镜面的高次非球面顶点均位于超薄中长波红外双波段成像光学系统光轴上；所述两个折射镜面镀有中长波红外增透膜，所述四个反射镜面镀有中长波红外反射膜；所述镜体的材质为红外硫系玻璃。
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