CN112305738A - 自由曲面反射式红外成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种自由曲面反射式红外成像系统包括：一主镜，一次镜，一三镜，以及一红外光探测器，光线依次经过所述主镜、次镜和三镜的反射后，被所述红外光探测器接收到并成像，该自由曲面反射式红外成像系统的视场角大于等于40°×30°，且F数小于等于1.39。

Description

自由曲面反射式红外成像系统
技术领域
本发明涉及光学设计领域，尤其涉及一种同时具有小F数和大矩形视场的自由曲面反射式红外成像系统。
背景技术
离轴三反式的光学成像系统具有透过率高，成像波段范围广，无色差等优势，在成像领域有着诸多应用。为了避免光束遮拦而减小成像效率，离轴系统的对称性遭到破坏，会引入一些非常规的和有视场依赖性的像差，具有回转对称性的球面和非球面校正这类像差的能力较弱。光学自由曲面是一种不具有回转对称性、设计自由度高的光学曲面，可以用于校正离轴像差和提升光学性能。近年来，自由曲面越来越多的用于离轴反射式成像系统，实现了许多具有高性能的成像系统。
短焦距的红外成像系统在车载避障系统和监控安防系统中有着重要的应用。相比于可见光波段，当摄像机工作于中长波红外波段，系统需要大的相对孔径；同时为了满足应用场景的需求，系统也需要宽广的矩形视场来获得更大的观测范围。因此，需要设计一个同时具有大矩形视场和小F数的离轴反射式红外成像系统。
发明内容
综上所述，确有必要提供一种可以同时具有小F数和大矩形视场的自由曲面反射式红外成像系统。
一种自由曲面反射式红外成像系统，包括：一主镜，以所述主镜的顶点为第一原点定义一第一三维直角坐标系(X，Y，Z)，在该第一三维直角坐标系(X，Y，Z)中，所述主镜的反射面为一xy多项式自由曲面；一次镜，以所述次镜的顶点为第二原点定义一第二三维直角坐标系(X'，Y'，Z')，且该第二三维直角坐标系(X'，Y'，Z')由所述第一三维直角坐标系(X,Y,Z)沿Z轴负方向和Y轴负方向平移得到，在该第二三维直角坐标系(X'，Y'，Z')中，所述次镜的反射面为一x'y'多项式自由曲面；一三镜，以所述三镜的顶点为第三原点定义一第三三维直角坐标系(X”，Y”，Z”)，且该第三三维直角坐标系(X”，Y”，Z”)由所述第二三维直角坐标系(X'，Y'，Z')沿Z'轴正方向和Y'轴反方向平移得到，在该第三三维直角坐标系(X”，Y”，Z”)中，所述三镜的反射面为一x”y”多项式自由曲面；以及一红外光探测器，光线依次经过所述主镜、次镜和三镜的反射后，被该红外光探测器接收到并成像，其中，所述次镜为一孔径光阑，所述自由曲面反射式红外成像系统的视场角大于等于40°×30°，且F数小于等于1.39。
相较于现有技术，本发明提供的自由曲面反射式红外成像系统的视场角大于等于40°×30°的同时F数小于等于1.39，本发明提供的自由曲面反射式红外成像系统可以同时实现大矩形视场和小F数的成像，成像性能高，能在大的成像范围内同时得到高分辨率图像。
附图说明
图1为本发明实施例提供的自由曲面反射式红外成像系统的光路图。
图2为本发明实施例提供的自由曲面反射式红外成像系统的各视场的MTF曲线。
图3为本发明实施例提供的自由曲面反射式红外成像系统的各视场的平均RMS波像差图。
图4为本发明实施例提供的自由曲面反射式红外成像系统的畸变网络图。
图5为本发明实施例提供的自由曲面反射式红外成像系统的加工原型的照片。
图6为本发明实施例提供的室内成像距离为5米的自由曲面反射式红外成像系统的成像结果。
图7为本发明实施例提供的室内成像距离为20米的自由曲面反射式红外成像系统的成像结果。
图8为本发明实施例提供的利用自由曲面反射式红外成像系统所得到的室外路况信息的成像结果。
主要元件符号说明
自由曲面反射式红外成像系统 100
主镜 102
次镜 104
三镜 106
红外光探测器 108
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
下面根据说明书附图并结合具体实施例对本发明的技术方案进一步详细表述。
请参阅图1，本发明实施例提供一种自由曲面反射式红外成像系统100。其中，该自由曲面反射式红外成像系统100包括相邻且间隔设置的一主镜102、一次镜104、以及一三镜106。所述主镜102、次镜104和三镜106的面形均为自由曲面。所述次镜104为一孔径光阑。从光源出射的光线依次经过所述主镜102、次镜104、以及三镜106的反射后，被一红外光探测器108接收到并成像。
为了描述方便，将所述主镜102所处的空间定义一第一三维直角坐标系(X，Y，Z)、次镜104所处的空间定义一第二三维直角坐标系(X'，Y'，Z')、三镜106所处的空间定义一第三三维直角坐标系(X”，Y”，Z”)。
所述主镜102的顶点为所述第一三维直角坐标系(X，Y，Z)的原点，通过主镜102顶点的一条水平方向的直线为Z轴，向左为负向右为正，Y轴在图8所示的平面内，垂直于Z轴向上为正向下为负，X轴垂直于YZ平面，垂直YZ平面向里为正向外为负。
在所述第一三维直角坐标系(X，Y，Z)中，所述主镜102的反射面为xy的多项式自由曲面，该xy多项式自由曲面的方程式可表达为：
Figure BDA0002153123260000041
其中，z为曲面矢高，c为曲面曲率，k为二次曲面系数，Ai是多项式中第i项的系数。由于所述自由曲面反射式红外成像系统100关于YZ平面对称，因此，可以仅保留X的偶次项。优选的，所述主镜102的反射面一xy多项式自由曲面，所述xy多项式为x的偶次多项式，x的最高次数为6次，该xy多项式自由曲面的方程式可表达为：
Figure BDA0002153123260000051
本实施例中，所述主镜102反射面的xy多项式中曲率c、二次曲面系数k以及各项系数Ai的值请参见表1。可以理解，曲率c、二次曲面系数k以及各项系数Ai的值也不限于表1中所述，本领域技术人员可以根据实际需要调整。
表1主镜的反射面的xy多项式中的各系数的值
曲率c -4.0303026823E-02
二次曲面系数Conic Constant(k) -0.246608934
A<sub>3</sub> 1.102819918
A<sub>4</sub> 1.5055048746E-02
A<sub>6</sub> 3.0811550727E-03
A<sub>8</sub> -1.5584704535E-04
A<sub>10</sub> -8.0159103383E-05
A<sub>11</sub> 5.6769894586E-06
A<sub>13</sub> 1.6779417093E-05
A<sub>15</sub> 1.3326099114E-05
A<sub>17</sub> 6.6724563253E-09
A<sub>19</sub> 2.0942621230E-08
A<sub>21</sub> -3.0074885792E-07
A<sub>22</sub> 5.5987096160E-09
A<sub>24</sub> 1.4536947015E-08
A<sub>26</sub> -1.1198752821E-09
A<sub>28</sub> 1.6633830552E-08
所述第二三维直角坐标系(X'，Y'，Z')的原点为所述次镜104的顶点。所述第二三维直角坐标系(X'，Y'，Z')为所述第一三维直角坐标系(X,Y,Z)沿Z轴负方向和Y轴负方向平移得到。本实施例中，所述第二三维直角坐标系(X'，Y'，Z')由所述第一三维直角坐标系(X，Y，Z)沿Y轴负方向平移约19.985mm，再沿Z轴负方向平移约54.736mm，然后以X轴为旋转轴沿逆时针方向的旋转角度约为102.365°得到。所述第一三维直角坐标系(X，Y，Z)的原点到所述第二三维直角坐标系(X'，Y'，Z')的原点的距离约为58.270mm。
在所述第二三维直角坐标系(X'，Y'，Z')中，所述次镜104的反射面为x'y'的多项式自由曲面，该x'y'多项式自由曲面的方程式可以表达为：
Figure BDA0002153123260000061
其中，z'为曲面矢高，c'为曲面曲率，k'为二次曲面系数，Ai'是多项式中第i项的系数。由于所述自由曲面反射式红外成像系统100关于Y'Z'平面对称，因此，可以仅保留X'的偶次项。优选的，所述次镜104的反射面为一x'y'多项式自由曲面，所述x'y'多项式为x'的偶次多项式，x'的最高次数为4，该x'y'多项式自由曲面的方程式可表达为：
Figure BDA0002153123260000062
本实施例中，所述次镜104反射面的x'y'多项式中曲率c'、二次曲面系数k'以及各项系数Ai'的值请参见表2。可以理解，曲率c'、二次曲面系数k'以及各项系数Ai'的值也不限于表2中所述，本领域技术人员可以根据实际需要调整。
表2次镜的反射面的x'y'多项式中的各系数的值
Figure BDA0002153123260000063
Figure BDA0002153123260000071
所述第三三维直角坐标系(X”，Y”，Z”)的原点为所述第三反射镜的顶点。该第三三维直角坐标系(X”，Y”，Z”)为所述第二三维直角坐标系(X'，Y'，Z')沿Z'轴正方向和Y'轴负方向平移得到。本实施例中，所述第三三维直角坐标系(X”，Y”，Z”)为所述第二三维直角坐标系(X'，Y'，Z')沿Z'轴正方向平移约27.254mm，再沿Y'轴负方向平移约9.489mm，然后绕X'轴顺时针旋转99.526°得到。所述第二三维直角坐标系(X'，Y'，Z')的原点到所述第三三维直角坐标系(X”，Y”，Z”)的原点的距离约为28.859mm。
在所述第三三维直角坐标系(X”，Y”，Z”)中，所述三镜106的反射面为x”y”的多项式自由曲面，该x”y”多项式曲面的方程式可以表达为：
Figure BDA0002153123260000072
其中，z”为曲面矢高，c”为曲面曲率，k”为二次曲面系数，Ai”是多项式中第i项的系数。由于所述自由曲面反射式红外成像系统100关于Y”Z”平面对称，因此，可以仅保留x”的偶次项。优选的，所述三镜108的反射面一x”y”多项式自由曲面，所述x”y”多项式为x”的偶次多项式，x”的最高次数为6次，该x”y”多项式自由曲面的方程式可表达为：
Figure BDA0002153123260000073
本实施例中，所述三镜106反射面面形的x”y”多项式中，曲率c”、二次曲面系数k”以及各项系数Ai”的值请参见表3。可以理解，曲率c”、二次曲面系数k”以及各项系数Ai”的值也不限于表3中所述，本领域技术人员可以根据实际需要调整。
表3三镜的反射面的x”y”多项式中的各系数的值
曲率c” 1.73550214E-02
二次曲面系数Conic Constant(k”) 6.04800191E-02
A<sub>3</sub>” -1.40844984E-01
A<sub>4</sub>” -4.55580022E-04
A<sub>6</sub>” -1.14279113E-03
A<sub>8</sub>” -1.26674093E-05
A<sub>10</sub>” -1.22701520E-05
A<sub>11</sub>” -6.55735767E-08
A<sub>13</sub>” -2.32802996E-07
A<sub>15</sub>” -1.64314821E-07
A<sub>17</sub>” -2.32144674E-09
A<sub>19</sub>” -3.96831849E-09
A<sub>21</sub>” -1.87466581E-09
A<sub>22</sub>” -1.51821809E-11
A<sub>24</sub>” -3.36887948E-11
A<sub>26</sub>” -3.61503376E-11
A<sub>28</sub>” -1.82307088E-11
所述主镜102、次镜104和三镜106的材料不限，只要保证其具有较高的反射率即可。所述主镜102、次镜104和三镜106可选用铝、铜等金属材料，也可选用碳化硅、二氧化硅等无机非金属材料。为了进一步增加所述主镜102、次镜104和三镜106的反射率，可在其各自的反射面镀一增反膜，该增反膜可为一金膜。所述主镜102、次镜104和三镜106的尺寸不限。
光线入射后，经主镜102反射后到达次镜104，依次经过所述次镜104和三镜106的反射后，被所述红外光探测器108接收到并成像。在第三三维直角坐标系(X”，Y”，Z”)中，所述红外光探测器108的中心与所述三镜106的顶点沿Z”轴负方向的距离约为45.926mm，所述探测器108的中心沿Y”轴正方向偏离Z”轴，偏离量约为7.518mm。所述探测器108与X”Y”平面沿逆时针方向的角度约为16°。所述探测器108的尺寸根据实际需要进行设计。本实施例中，所述红外光探测器108的尺寸为6.8mm×5.1mm。
所述自由曲面反射式红外成像系统100的视场角大于等于40°×30°。本实施例中,所述自由曲面反射式红外成像系统100的视场角为40°×30°。
所述自由曲面反射式红外成像系统100的工作波长范围为8000纳米到12000纳米。当然，所述自由曲面反射式红外成像系统100的工作波长并不限于本实施例，本领域技术人员可以根据实际需要调整。
所述自由曲面反射式红外成像系统100的等效焦距为150mm。
所述自由曲面反射式红外成像系统100的F数小于等于1.39。本实施例中，所述自由曲面反射式红外成像系统100的F数为1.39，相对孔径大小D/f为所述F数的倒数，即，所述自由曲面反射式红外成像系统100的相对孔径大小D/f为0.719。
请参阅图2，为自由曲面反射式红外成像系统100在红外光波段下部分视场角的调制传递函数MTF，从图中可以看出，各视场调制度在30lp/mm处最低为0.33，各视场MTF曲线都基本达到了衍射极限，表明该自由曲面反射式红外成像系统100具有很高的成像质量。
请参阅图3，为所述自由曲面反射式红外成像系统100的各视场的平均RMS波像差图，平均值为0.051λ，其中λ＝10000.0nm，说明该自由曲面反射式红外成像系统100的成像质量很好。
请参阅图4，为所述自由曲面反射式红外成像系统100的相对畸变图。从图4中可以看出，所述自由曲面反射式红外成像系统100的最大相对畸变控制在5.5％以内。相比于其他大矩形视场角的自由曲面反射式红外成像系统，该自由曲面反射式红外成像系统100的畸变较小，说明自由曲面反射式红外成像系统100的成像误差较小，品质较高。
请参阅图5，为利用所述自由曲面反射式红外成像系统100而制备的红外相机原型，该相机的体积大小为80×80×60mm3，尺寸小，便于携带。在室内和室外环境，对该自由曲面反射式红外成像系统进行测试，图6和图7分别为室内成像距离为5米和20米的成像结果，图8为在室外环境中路况信息的成像结果。由图中可以看出，该系统实际成像清晰，成像性能良好，可以应用在车载避障系统和监控安防系统中。
本发明提供的自由曲面反射式红外成像系统100采用离轴三反系统，没有中心遮拦，视场角可以达到40°×30°，具有较大的矩形视场角，成像范围较大；该自由曲面反射式红外成像系统100的F数小于1.39，能够获得高分辨率图像；该自由曲面反射式红外成像系统100的体积大小为80×80×60mm3，体积小，结构紧凑，便于携带。
本发明提供的自由曲面反射式红外成像系统100应用领域涉及到对地观测、空间目标探测、天文观测、多光谱热成像、立体测绘等。本发明提供的自由曲面反射式红外成像系统100在红外波段达到了衍射极限，可以在可见光下进行使用，也可以在红外波段进行使用。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种自由曲面反射式红外成像系统，其特征在于，包括：
一主镜，以所述主镜的顶点为第一原点定义一第一三维直角坐标系(X，Y，Z)，在该第一三维直角坐标系(X，Y，Z)中，所述主镜的反射面为一xy多项式自由曲面；
一次镜，以所述次镜的顶点为第二原点定义一第二三维直角坐标系(X'，Y'，Z')，且该第二三维直角坐标系(X'，Y'，Z')由所述第一三维直角坐标系(X,Y,Z)沿Z轴负方向和Y轴负方向平移得到，在该第二三维直角坐标系(X'，Y'，Z')中，所述次镜的反射面为一x'y'多项式自由曲面；
一三镜，以所述三镜的顶点为第三原点定义一第三三维直角坐标系(X”，Y”，Z”)，且该第三三维直角坐标系(X”，Y”，Z”)由所述第二三维直角坐标系(X'，Y'，Z')沿Z'轴正方向和Y'轴负方向平移得到，在该第三三维直角坐标系(X”，Y”，Z”)中，所述三镜的反射面为一x”y”多项式自由曲面；以及
一红外光探测器，光线依次经过所述主镜、次镜和三镜的反射后，被该红外光探测器接收到并成像；
其中，所述次镜为一孔径光阑，所述自由曲面反射式红外成像系统的视场角大于等于40°×30°，且F数小于等于1.39。
2.如权利要求1所述的自由曲面反射式红外成像系统，其特征在于，所述第二三维直角坐标系(X'，Y'，Z')由所述第一三维直角坐标系(X，Y，Z)沿Y轴负方向平移约19.985mm，再沿Z轴负方向平移约54.736mm，然后以X轴为旋转轴沿逆时针方向的旋转角度约为102.365°得到。
3.如权利要求1所述的自由曲面反射式红外成像系统，其特征在于，所述第三三维直角坐标系(X”，Y”，Z”)为所述第二三维直角坐标系(X'，Y'，Z')沿Z'轴正方向平移约27.254mm，再沿Y'轴负方向平移约9.489mm，然后绕X'轴顺时针旋转99.526°得到。
4.如权利要求1所述的自由曲面反射式红外成像系统，其特征在于，在所述第一三维直角坐标系(X，Y，Z)中，所述xy多项式自由曲面的方程式可表达为：
Figure FDA0002153123250000021
其中，z为曲面矢高，c为曲面曲率，k为二次曲面系数，Ai是多项式中第i项的系数。
5.如权利要求4所述的自由曲面反射式红外成像系统，其特征在于，所述xy多项式为x的偶次多项式，x的最高次数为6次，该xy多项式自由曲面的方程式为：
Figure FDA0002153123250000022
6.如权利要求1所述的自由曲面反射式红外成像系统，其特征在于，在所述第二三维直角坐标系(X'，Y'，Z')中，所述x'y'多项式自由曲面的方程式可以表达为：
Figure FDA0002153123250000023
其中，z'为曲面矢高，c'为曲面曲率，k'为二次曲面系数，Ai'是多项式中第i项的系数。
7.如权利要求6所述的自由曲面反射式红外成像系统，其特征在于，所述x'y'多项式为x'的偶次多项式，x'的最高次数为4次，该x'y'多项式自由曲面的方程式为：
Figure FDA0002153123250000031
8.如权利要求1所述的自由曲面反射式红外成像系统，其特征在于，在所述第三三维直角坐标系(X”，Y”，Z”)中，所述x”y”多项式曲面的方程式可以表达为：
Figure FDA0002153123250000032
其中，z”为曲面矢高，c”为曲面曲率，k”为二次曲面系数，Ai”是多项式中第i项的系数。
9.如权利要求8所述的自由曲面反射式红外成像系统，其特征在于，所述x”y”多项式为x”的偶次多项式，x”的最高次数为6次，该x”y”多项式自由曲面的方程式为：
Figure FDA0002153123250000033
10.如权利要求1所述的自由曲面反射式红外成像系统，其特征在于，在第三三维直角坐标系(X”，Y”，Z”)中，所述红外光探测器的中心与所述三镜的顶点沿Z”轴反方向的距离约为45.926mm，所述红外光探测器的中心沿Y”轴正方向偏离Z”轴，偏离量约为7.518mm，所述红外光探测器与X”Y”平面沿逆时针方向的角度约为16°。
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