CN112114425B - 一种扫描型中波红外光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种扫描型中波红外光学系统，由沿光路方向依次设置的望远前组A、扫描反射镜和二次成像后组B构成；所述望远前组A由沿入射光路依次设置的弯月正透镜A1，弯月负透镜A2、弯月正透镜A3、弯月负透镜A4和弯月正透镜A5构成，所述二次成像后组B由沿扫描反射镜反射光路依次设置的弯月正透镜B1、弯月负透镜B2、弯月正透镜B3和反射镜以及沿反射镜反射光路依次设置的弯月正透镜B4和弯月正透镜B5构成。本发明将扫描反射镜放在望远系统的出瞳位置，实现视场扫描，采用望远系统压缩光束口径，减小扫描镜的尺寸，提高扫描效率；可匹配640x512@25um制冷型中波红外探测器，实现高分辨率的目标搜索与跟踪。

Description

一种扫描型中波红外光学系统
技术领域
本发明涉及一种扫描型中波红外光学系统。
背景技术
红外搜索跟踪系统通过高速图像信息处理实现目标的实时检测识别，提取目标信息和航迹。
在探测器一定的情况下，凝视型红外搜索跟踪系统若要实现大视场目标搜索则会降低系统分辨率，扫描型红外系统则可在不损失分辨率的情况下实现对大视场内目标的搜索和跟踪。传统的物方扫描光学系统口径大，体积大，而像方扫描形式的光学系统具有较小的口径，扫描速度快。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种可压缩光束口径，减小尺寸，提高扫描效率的扫描型中波红外光学系统，实现高分辨率的大视场扫描。
本发明采用以下方案实现：一种扫描型中波红外光学系统，由沿光路方向依次设置的望远前组A、扫描反射镜和二次成像后组B构成；所述望远前组A由沿入射光路依次设置的弯月正透镜A1，弯月负透镜A2、弯月正透镜A3、弯月负透镜A4和弯月正透镜A5构成，所述二次成像后组B由沿扫描反射镜反射光路依次设置的弯月正透镜B1、弯月负透镜B2、弯月正透镜B3和反射镜以及沿反射镜反射光路依次设置的弯月正透镜B4和弯月正透镜B5构成。
进一步的，所述望远前组A与扫描反射镜之间的空气间隔和扫描反射镜与二次成像后组B之间的空气间隔两者之和为62.82mm；望远前组A中弯月正透镜A1与弯月负透镜A2之间的空气间隔为10.77mm，弯月负透镜A2与弯月正透镜A3之间的空气间隔71.80mm，弯月正透镜A3与弯月负透镜A4之间的空气间隔为104.85mm，弯月负透镜A4与弯月正透镜A5之间的空气间隔为9.02mm。
进一步的，二次成像后组B中弯月正透镜B1与弯月负透镜B2的空气间隔为2.21mm，弯月负透镜B2与弯月正透镜B3的空气间隔为23.91mm，弯月正透镜B3与反射镜之间的空气间隔和反射镜与弯月正透镜B4之间的空气间隔两者之和为111.40mm，弯月正透镜B4与弯月正透镜B5之间的空气间隔为33.33mm。
进一步的，所述扫描反射镜和反射镜均与光轴倾斜45°设置，并且扫描反射镜和反射镜两者所在平面相垂直。
进一步的，弯月正透镜A1的凸面朝向物面，材料为硅单晶；弯月负透镜A2的凸面朝向物面，材料为锗单晶；弯月正透镜A3的凸面朝向物面，材料为硅单晶；弯月负透镜A4的凹面朝向物面，材料为硅单晶；弯月正透镜A5的凸面朝向物面，材料为硅单晶。
进一步的，弯月正透镜B1的凸面朝向物面，材料为硅单晶；弯月负透镜B2的凸面朝向物面，材料为锗单晶；弯月正透镜B3的凸面朝向物面，材料为硅单晶；弯月正透镜B4的凹面朝向物面，材料为硅单晶；弯月正透镜B5的凸面朝向物面，材料为硅单晶。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
a) 本发明将扫描反射镜放在望远系统的出瞳位置，实现大视场扫描，采用望远系统压缩光束口径，减小扫描镜的尺寸，提高扫描效率；可匹配640x512@25um制冷型中波红外探测器，通过扫描反射镜状态的改变，实现高分辨率的目标搜索与跟踪；
b)本发明的成像光路采取二次成像光路设计，光阑位置放在探测器冷光阑上，保证100%冷光阑效率，同时使二次成像光路的入瞳与望远系统的出瞳匹配，减小渐晕、减小扫描镜尺寸，减小光学系统的口径；
c)本发明采用U型结构，将光路进行二次90°折转，可实现系统小型化、轻量化。
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将通过具体实施例和相关附图，对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明光学系统结构图；
图2是本发明光学系统的MTF曲线图；
图3为光学系统的点列图；
图4为光学系统的场曲、畸变曲线图。
具体实施方式
如图1~4所示，一种扫描型中波红外光学系统，由沿光路方向依次设置的望远前组A、扫描反射镜和二次成像后组B构成；所述望远前组A由沿入射光路依次设置的弯月正透镜A1，弯月负透镜A2、弯月正透镜A3、弯月负透镜A4和弯月正透镜A5构成，所述二次成像后组B由沿扫描反射镜反射光路依次设置的弯月正透镜B1、弯月负透镜B2、弯月正透镜B3和反射镜以及沿反射镜反射光路依次设置的弯月正透镜B4和弯月正透镜B5构成；此光学系统为扫描型光学系统，采用三次成像的结构型式，该结构型式由十片镜片组成，通过扫描反射镜实现光学扫描，扩大搜索跟踪视场。为了减小扫描反射镜的尺寸，提高扫描效率，将扫描反射镜放置在望远系统的出瞳处，采用一片反射镜来折叠光路，二次折转系统光路可实现系统小型化、轻量化，满足实际应用的要求，该镜头可搭配640*512@25um制冷型中波红外探测器使用，通过扫描反射镜状态的改变，实现高分辨率的目标搜索与跟踪，解决目前凝视型红外系统要实现大视场目标搜索时会降低系统分辨率的问题。
在本实施例中，所述望远前组A与扫描反射镜之间的空气间隔和扫描反射镜与二次成像后组B之间的空气间隔两者之和为62.82mm；望远前组A中弯月正透镜A1与弯月负透镜A2之间的空气间隔为10.77mm，弯月负透镜A2与弯月正透镜A3之间的空气间隔71.80mm，弯月正透镜A3与弯月负透镜A4之间的空气间隔为104.85mm，弯月负透镜A4与弯月正透镜A5之间的空气间隔为9.02mm。
在本实施例中，二次成像后组B中弯月正透镜B1与弯月负透镜B2的空气间隔为2.21mm，弯月负透镜B2与弯月正透镜B3的空气间隔为23.91mm，弯月正透镜B3与反射镜之间的空气间隔和反射镜与弯月正透镜B4之间的空气间隔两者之和为111.40mm，弯月正透镜B4与弯月正透镜B5之间的空气间隔为33.33mm。
在本实施例中，所述扫描反射镜和反射镜均与光轴倾斜45°设置，并且扫描反射镜和反射镜两者所在平面相垂直，使得本发明光学系统形成U型结构，将光路进行二次90°折转，可实现系统小型化、轻量化。
在本实施例中，弯月正透镜A1的凸面朝向物面，材料为硅单晶；弯月负透镜A2的凸面朝向物面，材料为锗单晶；弯月正透镜A3的凸面朝向物面，材料为硅单晶；弯月负透镜A4的凹面朝向物面，材料为硅单晶；弯月正透镜A5的凸面朝向物面，材料为硅单晶。
在本实施例中，弯月正透镜B1的凸面朝向物面，材料为硅单晶；弯月负透镜B2的凸面朝向物面，材料为锗单晶；弯月正透镜B3的凸面朝向物面，材料为硅单晶；弯月正透镜B4的凹面朝向物面，材料为硅单晶；弯月正透镜B5的凸面朝向物面，材料为硅单晶。
本发明光学系统中各个镜片的具体参数见下表：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
上述弯月负透镜A2的非球面S4中心曲率半径为167.7966mm，弯月正透镜A3的非球面S5中心曲率半径为89.6631mm，弯月负透镜A4的非球面S8中心曲率半径为-31.9837mm，弯月正透镜A5的非球面S9中心曲率半径为44.8413mm，弯月正透镜B1的非球面S11中心曲率半径为28.1144mm，弯月负透镜B2的非球面S13和非球面S14中心曲率半径分别为818.7936mm和29.3549mm，弯月正透镜B3的非球面S15中心曲率半径为77.7520mm，弯月正透镜B4的非球面S18中心曲率半径为-70.4938mm，弯月正透镜B5的非球面S19中心曲率半径为63.3357mm。
上述各个镜片的非球面面型方程如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
；Z代表光轴方向的位置，r代表相对光轴的垂直方向上的高度，c代表曲率半径，k代表圆锥系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure DEST_PATH_IMAGE012
代表非球面系数。在非球面数据中，E-n代表“
Figure DEST_PATH_IMAGE014
”，例如3.2270E-007代表
Figure DEST_PATH_IMAGE016
。
各镜片的非球面相关数据：
Figure DEST_PATH_IMAGE018
由上述镜片组成的光学系统达到了如下的光学指标：
（1）焦距：180mm；
（2）F数: 2.0；
（3）视场角：5°×4°；
（4）光学畸变：≤5%；
（5）成像圆直径：不小于Ф20.48；
（6）工作光谱范围：3.7um～4.8um；
（7）该镜头适用于640*512,25um制冷型中波红外探测器。
在优化时，对于冷反射较严重的面，加入曲率半径的约束条件，改变该面近轴主光线和边缘光线的角度，减小冷反射的值；合理分配光焦度并结合使用偶次非球面来平衡系统像差，对光线高度进行调整，控制相对照度在合理的范围之内，使成像面照度均匀；通过曲率及厚度的调整降低各个光学件的敏感度，使得该镜头更易于加工与装调。
由图2可以看出，该镜头的MTF曲线接近衍射极限，具有较高的分辨率，满足640*512,25um制冷型中波红外探测器的传函需求。由图3可知，该镜头各视场下的RMS弥散斑半径均小于艾里斑半径，表明该系统成像质量良好，满足要求。图4中所示为光学系统的场曲、畸变曲线，最大相对畸变均小于5%，表明该系统相对畸变满足要求。
本发明光学系统的优点：
a)本发明将扫描反射镜放在望远系统的出瞳位置，实现大视场扫描，采用望远系统压缩光束口径，减小扫描镜的尺寸，提高扫描效率；
b)本发明的成像光路采取二次成像光路设计，光阑位置放在探测器冷光阑上，保证100%冷光阑效率，同时使二次成像光路的入瞳与望远系统的出瞳匹配，减小渐晕、减小扫描镜尺寸，减小光学系统的口径；
c)本发明采用U型结构，将光路进行二次90°折转，可实现系统小型化、轻量化。
上述本发明所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本发明才公开部分数值以举例说明本发明的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本发明创造保护范围的限制。
本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接( 例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构( 例如使用铸造工艺一体成形制造出来) 所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。
另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。
本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (6)

1.一种扫描型中波红外光学系统，其特征在于：由沿光路方向依次设置的望远前组A、扫描反射镜和二次成像后组B构成；所述望远前组A由沿入射光路依次设置的弯月正透镜A1，弯月负透镜A2、弯月正透镜A3、弯月负透镜A4和弯月正透镜A5构成，所述二次成像后组B由沿扫描反射镜反射光路依次设置的弯月正透镜B1、弯月负透镜B2、弯月正透镜B3和反射镜以及沿反射镜反射光路依次设置的弯月正透镜B4和弯月正透镜B5构成。
2.根据权利要求1所述的扫描型中波红外光学系统，其特征在于：所述望远前组A与扫描反射镜之间的空气间隔和扫描反射镜与二次成像后组B之间的空气间隔两者之和为62.82mm；望远前组A中弯月正透镜A1与弯月负透镜A2之间的空气间隔为10.77mm，弯月负透镜A2与弯月正透镜A3之间的空气间隔71.80mm，弯月正透镜A3与弯月负透镜A4之间的空气间隔为104.85mm，弯月负透镜A4与弯月正透镜A5之间的空气间隔为9.02mm。
3.根据权利要求2所述的扫描型中波红外光学系统，其特征在于：二次成像后组B中弯月正透镜B1与弯月负透镜B2的空气间隔为2.21mm，弯月负透镜B2与弯月正透镜B3的空气间隔为23.91mm，弯月正透镜B3与反射镜之间的空气间隔和反射镜与弯月正透镜B4之间的空气间隔两者之和为111.40mm，弯月正透镜B4与弯月正透镜B5之间的空气间隔为33.33mm。
4.根据权利要求1所述的扫描型中波红外光学系统，其特征在于：所述扫描反射镜和反射镜均与光轴倾斜45°设置，并且扫描反射镜和反射镜两者所在平面相垂直。
5.根据权利要求1所述的扫描型中波红外光学系统，其特征在于：弯月正透镜A1的凸面朝向物面，材料为硅单晶；弯月负透镜A2的凸面朝向物面，材料为锗单晶；弯月正透镜A3的凸面朝向物面，材料为硅单晶；弯月负透镜A4的凹面朝向物面，材料为硅单晶；弯月正透镜A5的凸面朝向物面，材料为硅单晶。
6.根据权利要求4所述的扫描型中波红外光学系统，其特征在于：弯月正透镜B1的凸面朝向物面，材料为硅单晶；弯月负透镜B2的凸面朝向物面，材料为锗单晶；弯月正透镜B3的凸面朝向物面，材料为硅单晶；弯月正透镜B4的凹面朝向物面，材料为硅单晶；弯月正透镜B5的凸面朝向物面，材料为硅单晶。
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