CN116243470A - 一种用于低温条件下的可调焦超长波红外光学成像系统 - Google Patents

一种用于低温条件下的可调焦超长波红外光学成像系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于低温条件下的可调焦超长波红外光学成像系统，由同轴反射一次成像组(1)、二次成像透镜组(2)组成同轴折反式二次成像结构，利用同轴反射一次成像组(1)波段适用性以及无色差优势，并利用在超长波段内具有高透过率的二次成像透镜组(2)校正剩余像差以拓展同轴反射一次成像组(1)的视场，从而实现对8～16μm超长波红外波段内目标进行探测。二次成像透镜组(2)包括的且非边缘的至少两个成像透镜形成调焦组，可实现调焦功能，从而实现适应50～300K低温条件下的目标探测。该系统结构紧凑、布局合理、体积重量小，可实现小型化。

Description

一种用于低温条件下的可调焦超长波红外光学成像系统
技术领域
本发明属于光学系统领域，具体涉及一种用于低温条件下的可调焦超长波红外光学成像系统。
背景技术
物理学上将波长在0.75～1000μm的电磁波定义为红外辐射，红外辐射根据其产生机理、辐射应用和红外辐射在地球大气层中的传输特性，分为近红外0.75～1μm、短波红外1～3μm、中红外3～5μm和长波红外8～12μm四个波段。
长波红外成像技术广泛应用于森林防火、道路监控、机场监察等安防领域，而长波制冷红外成像技术由于具有灵敏度高的优势，在深空探测等领域具有重要应用。尤其是针对深空探测中的巡天探测需求，长波红外辐射成像可以突破8～12μm波段范围，延伸至8～16μm甚至更长波段，且光学成像系统处于变化的低温环境下。
现有透射式长波红外光学成像系统波段多限于8～12μm，因而巡天望远镜多采用全反射结构，但不同全反射式结构均存在一定的局限，同轴两反结构难以完善校正球差、彗差之外的其他轴外像差，有效视场小；专利文献CN105278089A公开的一种同轴三反光学系统，该系统中同轴三反存在二次视场遮挡；专利文献CN110764241A公开的一种离轴三反成像光学系统，该系统为非对称结构，体积较大，不利于相机整体的轻量化设计。
发明内容
鉴于上述，本发明的目的是提供一种用于低温条件下的可调焦超长波红外光学成像系统，拓展了探测波段范围，且能够在一定低温范围下工作，结构紧凑、布局合理、体积小。
为实现上述发明目的，实施例提供的一种用于低温条件下的可调焦超长波红外光学成像系统，包括沿光轴依次设置的同轴反射一次成像组(1)、二次成像透镜组(2)、制冷探测器窗口(3)、冷光阑(4)和焦平面(5)，其中，同轴反射一次成像组(1)与二次成像透镜组(2)组成同轴折反式二次成像结构；
所述二次成像透镜组(2)包括同光轴的至少4个成像透镜，且非边缘的至少两个成像透镜形成调焦组，受电机驱动沿光轴移动以实现调焦，
所述二次成像透镜组(2)采用红外超长波波段高透过率材料，且在8～12μm波长范围透过率不低于97％，在12～14μm波长范围透过率不低于70％，14～16μm波长范围透过率不低于90％；
所述成像系统满足如下条件：
0.950<f1/f<1.120
0.050<f2/f<0.175
其中，f表示光学成像系统的焦距，f1表示同轴反射一次成像组的焦距，f2表示二次成像透镜组的焦距。
在一个实施例中，所述同轴反射一次成像组(1)包括主反射镜(11)、次反射镜(12)，一次像面位于主反射镜(11)和次反射镜(12)之间，且满足如下条件：
0.630<f11/f<0.708
0.385<f12/f<0.462
其中，f11表示主反射镜(11)的焦距，f12表示次反射镜(12)的焦距。
在一个实施例中，所述主反射镜(11)的口径D1与次反射镜(12)的口径D2满足如下关系：0.15<D2/D1<0.35。
在一个实施例中，所述主反射镜(11)、次反射镜(12)均采用非球面设计，采用红外晶体材料、金属材料、玻璃材料、碳化硅复合材料、碳纤维/碳化硅复合材料。
在一个实施例中，所述二次成像透镜组(2)采用四片式折射镜组，包括沿光轴设置的二次成像透镜(21)、二次成像透镜(22)、二次成像透镜(23)和二次成像透镜(24)，且满足如下条件：
0.251<f21/f<0.314
0.045<f22/f<0.124
-0.096<f23/f<-0.015
0.031<f24/f<0.072
其中，f21表示二次成像透镜(21)的焦距，f22表示二次成像透镜(22)的焦距、f23表示二次成像透镜(23)的焦距，f24表示二次成像透镜(24)的焦距。
在一个实施例中，所述二次成像透镜(21)物侧面、二次成像透镜(23)物侧面、二次成像透镜(24)物侧面和像侧面采用偶次非球面设计，二次成像透镜(22)和二次成像透镜(23)作为调焦组，受电机控制以进行调焦。
在一个实施例中，所述二次成像透镜组采用HWS系列材料。
在一个实施例中，所述制冷探测器的F数取值范围为2≤F≤3。
在一个实施例中，所述系统还包括镜筒，所述镜筒材料选用热膨胀系数为9.41×10-6/℃～10.03×10-6/℃的钛合金。
在一个实施例中，所述系统的入瞳位于主反射镜(11)上，出瞳需与冷光阑(4)重合。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果至少包括：
由同轴反射一次成像组(1)、二次成像透镜组(2)组成同轴折反式二次成像结构，利用同轴反射一次成像组(1)的宽波段适用性以及无色差优势，并利用在8～16μm波段内具有高透过率的二次成像透镜组(2)校正剩余轴外像差，以拓展同轴反射一次成像组(1)的视场，从而实现对8～16μm超长波红外波段内目标进行探测。二次成像透镜组(2)包括的且非边缘的至少两个成像透镜形成调焦组，可实现调焦功能，通过调焦可以实现50～300K低温条件下的光学系统成像质量均满足要求。该系统结构紧凑、布局合理、体积重量小，可实现小型化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，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前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明一实施例提供的光学成像系统的结构示意图；
图2为本发明一实施例提供的光学成像系统的包围圆能量曲线；
图3为本发明一实施例提供的光学成像系统的调焦组的光路示意图；
图4为本发明一实施例提供的光学成像系统的调焦组随温度变化的位移曲线；
图5为本发明一实施例提供的光学成像系统300K时光学传递函数曲线；
图6为本发明一实施例提供的光学成像系统175K时光学传递函数曲线；
图7为本发明一实施例提供的光学成像系统50K时光学传递函数曲线；
附图标记：1-同轴反射一次成像组、2-二次成像透镜组、3-制冷探测器窗口、4-冷光阑和5-焦平面、11-主反射镜、12-次反射镜、21-二次成像透镜第一透镜、22-二次成像透镜第二透镜、23-二次成像透镜第三透镜、24-二次成像透镜第四透镜。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
如图1所示，本发明实施例提供的用于低温条件下的可调焦超长波红外光学成像系统，包括沿光轴依次设置的同轴反射一次成像组1、二次成像透镜组2、制冷探测器窗口3、冷光阑4和焦平面5。其中，同轴反射一次成像组1与二次成像透镜组2组成同轴折反式二次成像结构。入射光线经过同轴反射一次成像组1会聚至一次像面，光线经一次像面后投射至二次成像透镜组2，再由二次成像透镜组2会聚，依次经过制冷探测器窗口3、冷光阑4，最终会聚在焦平面5上。
同轴反射一次成像组1的焦距f1满足：0.950<f1/f<1.120；
二次成像透镜组2的焦距f2满足：0.050<f2/f<0.175；
其中，f表示光学成像系统的焦距。
实施例中，同轴反射一次成像组1包括主反射镜11、次反射镜12。主反射镜11与次反射镜12均采用非球面面型，采用红外晶体材料、金属材料、玻璃材料或其他复合材料，具体可以采用单晶硅、铝、微晶玻璃、碳化硅复合材料或碳纤维/碳化硅复合材料等材料。
主反射镜11的口径D1与次反射镜12的口径D2满足如下关系：0.15<D2/D1<0.35；
主反射镜11的焦距f11满足：0.630<f11/f<0.708；
次反射镜12的焦距f12满足：0.385<f12/f<0.462；
光学成像系统中，一次像面位于主反射镜11与次反射镜12之间，缩短了光学系统长度，使系统体积小，结构紧凑，实现了镜头小型化设计；同时利用反射镜无色差和大口径的优势，二次成像透镜组2利用超长波材料透射镜校正剩余像差，增大同轴反射一次成像系统的成像视场，布局合理。
实施例中，二次成像透镜组2采用四片式折射镜组，包括二次成像透镜21、二次成像透镜22、二次成像透镜23和二次成像透镜24。其中二次成像透镜21物侧面、二次成像透镜23物侧面、二次成像透镜24物侧面和像侧面采用偶次非球面。二次成像透镜21、22、23、24均采用红外超长波波段高透过率材料，且在8～12μm波长范围透过率不低于97％，在12～14μm波长范围透过率不低于70％，14～16μm波长范围透过率不低于90％，具体采用HWS系列材料。
二次成像透镜21的焦距f21满足：0.251<f21/f<0.314；
二次成像透镜22的焦距f22满足：0.045<f22/f<0.124；
二次成像透镜23的焦距f23满足：-0.096<f23/f<-0.015；
二次成像透镜24的焦距f24满足：0.031<f24/f<0.072。
在如图1所示的二次成像透镜组2中，二次成像透镜22和二次成像透镜23作为调焦组，受电机控制同步沿光轴移动至标定位置，从而实现不同低温条件下的红外超长波成像，具体地，在工作温度50～300K范围内，如图3所示，温度降低时调焦组作为整体向左侧移动，温度升高时调焦组作为整体向右侧移动，调焦组随温度变化的位移曲线如图4所示，分析图4可得，随温度增加，调焦组基本保持线性位移。如图2所示为光学成像系统的包围圆能量曲线，以像面上主光线或中心光线为中心，以离开此点的距离为半径作圆，落入此圆的能量和总能量的比值来表示光学系统的能量集中度，该系统各视场包围圆能量曲线均接近衍射极限，表明各视场能量集中度较好，在以探测器像元38μm为半径的圆内，各视场能量集中度≥0.7。图5～图7所示为光学成像系统300K～50K温度范围内几个关键点的光学传递函数曲线，可看出在不同温度条件下，各视场MTF≥0.18，满足不同低温条件下时光学系统的成像要求。
实施例中，制冷探测器窗口3接收二次成像透镜组2的会聚光，制冷探测器的F数取值范围为2≤F≤3。实施例提供的光学成像系统在工作温度50～300K范围内实现主动消热差设计，包括：通过电机控制调焦组沿光轴移动至标定位置；进一步地，为了提升光学成像系统的低温使用稳定性，系统包括的镜筒采用热膨胀系数为9.41×10-6/℃～10.03×10-6/℃的钛合金，该材料热膨胀系数小，受温度变化影响小，可以减少镜筒热胀冷缩对光学系统的影响，提升成像质量和稳定性。
光学成像系统采用同轴折反式二次成像结构，出瞳与冷光阑4重合，实现100％冷光阑效率，从而减少光束能量损失，提高了系统灵敏度；同时，系统入瞳位于主反射镜11上，有效减小主反射镜11尺寸，使整个光学系统尺寸减小，该系统主反射镜口径取值小于等于150mm。
上述光学系统能够工作于50～300K温度范围内，适用于8～16μm红外超长波波段，其采用同轴折反式二次成像结构，一次像面位于主反射镜、次反射镜之间，入瞳位于主反射镜上，具有光学系统结构紧凑、系统探测能力强的特点。具体地，系统利用反射镜无色差和大口径的优势，并利用超长波材料透射镜校正剩余像差，实现了红外超长波范围目标探测；利用二次成像透镜22和二次成像透镜23作为调焦组实现了不同低温温度条件下系统成像均满足要求。
下面示例性给出焦距f为300mm、F数为2的光学成像系统中，同轴反射一次成像组1、二次成像透镜组2、制冷探测器窗口3、冷光阑4和焦平面5的各项参数，如表1所示：
表1
Figure BDA0004144562220000081
其中，主反射镜11的口径D1为150mm，次反射镜12的口径D2为38mm，主反射镜11和次反射镜12均采用非球面面型，次反射镜12的高次非球面系数取a4＝6.755E-007、a6＝-4.383E-010、a8＝1.136E-013。
二次成像透镜21、二次成像透镜23和二次成像透镜24均采用偶次非球面面型，其中，二次成像透镜21物侧面高次非球面系数取a4＝1.629E-006、a6＝2.512E-009、a8＝2.217E-011，二次成像透镜23物侧面高次非球面系数取a4＝6.757E-006、a6＝-1.948E-008、a8＝1.794E-011，二次成像透镜24物侧面高次非球面系数取a4＝-4.121E-005、a6＝2.884E-009、a8＝-4.033E-010，二次成像透镜24像侧面高次非球面系数取a4＝-6.953E-007、a6＝-1.799E-007、a8＝1.871E-010。
制冷探测器的F数为2，焦平面5的像素阵列为320×256，当焦距f为300mm时，视场角为±1.17°，通过移动调焦组，50～300K温度条件下，可对8～16μm红外超长波范围内目标进行探测。
以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于低温条件下的可调焦超长波红外光学成像系统，其特征在于，包括沿光轴依次设置的同轴反射一次成像组(1)、二次成像透镜组(2)、制冷探测器窗口(3)、冷光阑(4)和焦平面(5)，其中，同轴反射一次成像组(1)与二次成像透镜组(2)组成同轴折反式二次成像结构；
所述二次成像透镜组(2)包括同光轴的至少4个成像透镜，且非边缘的至少两个成像透镜形成调焦组，受电机驱动沿光轴移动以实现调焦；
所述二次成像透镜组(2)采用红外超长波波段高透过率材料，且在8～12μm波长范围透过率不低于97％，在12～14μm波长范围透过率不低于70％，14～16μm波长范围透过率不低于90％；
所述成像系统满足如下条件：
0.950<f1/f<1.120
0.050<f2/f<0.175
其中，f表示光学成像系统的焦距，f1表示同轴反射一次成像组的焦距，f2表示二次成像透镜组的焦距。
2.根据权利要求1所述的用于低温条件下的可调焦超长波红外光学成像系统，其特征在于，所述同轴反射一次成像组(1)包括主反射镜(11)、次反射镜(12)，一次像面位于主反射镜(11)和次反射镜(12)之间，且满足如下条件：
0.630<f11/f<0.708
0.385<f12/f<0.462
其中，f11表示主反射镜(11)的焦距，f12表示次反射镜(12)的焦距。
3.根据权利要求2所述的用于低温条件下的可调焦超长波红外光学成像系统，其特征在于，所述主反射镜(11)的口径D1与次反射镜(12)的口径D2满足如下关系：0.15<D2/D1<0.35。
4.根据权利要求2所述的用于低温条件下的可调焦超长波红外光学成像系统，其特征在于，所述主反射镜(11)、次反射镜(12)均采用非球面设计，采用红外晶体材料、金属材料、玻璃材料、碳化硅复合材料、碳纤维/碳化硅复合材料。
5.根据权利要求1所述的用于低温条件下的可调焦超长波红外光学成像系统，其特征在于，所述二次成像透镜组(2)采用四片式折射镜组，包括沿光轴设置的二次成像透镜(21)、二次成像透镜(22)、二次成像透镜(23)和二次成像透镜(24)，且满足如下条件：
0.251<f21/f<0.314
0.045<f22/f<0.124
-0.096<f23/f<-0.015
0.031<f24/f<0.072
其中，f21表示二次成像透镜(21)的焦距，f22表示二次成像透镜(22)的焦距、f23表示二次成像透镜(23)的焦距，f24表示二次成像透镜(24)的焦距。
6.根据权利要求5所述的用于低温条件下的可调焦超长波红外光学成像系统，其特征在于，所述二次成像透镜(21)物侧面、二次成像透镜(23)物侧面、二次成像透镜(24)物侧面和像侧面采用偶次非球面设计，二次成像透镜(22)和二次成像透镜(23)作为调焦组，受电机控制以进行调焦。
7.根据权利要求1所述的用于低温条件下的可调焦超长波红外光学成像系统，其特征在于，所述二次成像透镜组采用HWS系列材料。
8.根据权利要求1所述的用于低温条件下的可调焦超长波红外光学成像系统，其特征在于，所述制冷探测器的F数取值范围为2≤F≤3。
9.根据权利要求1所述的用于低温条件下的可调焦超长波红外光学成像系统，其特征在于，还包括镜筒，所述镜筒材料选用热膨胀系数为9.41×10-6/℃～10.03×10-6/℃的钛合金。
10.根据权利要求2所述的用于低温条件下的可调焦超长波红外光学成像系统，其特征在于，所述系统的入瞳位于主反射镜(11)上，出瞳需与冷光阑(4)重合。
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