CN116661116A - 一种共光路的中波长波双色消热差制冷型红外折反光学系统 - Google Patents

一种共光路的中波长波双色消热差制冷型红外折反光学系统 Download PDF

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CN116661116A CN202310515252.7A CN202310515252A CN116661116A CN 116661116 A CN116661116 A CN 116661116A CN 202310515252 A CN202310515252 A CN 202310515252A CN 116661116 A CN116661116 A CN 116661116A
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Abstract

一种共光路的中波长波双色消热差制冷型红外折反光学系统，属于红外光学技术领域，本发明为解决现有共光路双波段光学系统存在不能同时消热色、消色差的问题。本发明包括主反射镜、次反射镜、透镜组、冷光阑窗口和红外双色探测器；所有元器件同轴排布，共同构成成像系统；光学系统采用有中间实像的结构形式，实像面位于次镜与透镜组之间；本发明通过采用主次镜进行一次成像，在一次像面后加入透镜组做二次成像并矫正轴外像差，可应用于配合制冷型双色探测器的红外成像设备、夜视仪、红外热成像仪、空间红外目标探测等领域，可用于检测和成像在红外波段下的热辐射物体。

Description

一种共光路的中波长波双色消热差制冷型红外折反光学系统
技术领域
该发明专利涉及红外光学技术领域，具体涉及制冷型红外折反式光学系统。此技术可应用于匹配双色制冷型探测器的红外成像设备、夜视仪、红外热成像仪、空间红外目标探测等领域，可用于检测和成像在红外波段下的热辐射物体，并且可以在宽温度范围内保持被动无热化，具有广泛的应用价值。
背景技术
随着现代科技的不断发展，红外成像设备在军事、安防、医疗等领域的应用日益普及。由于红外光学系统的原理是探测目标与背景的温度和发射率差异，由于不同的目标和背景温度不同，特征差异表现为在不同波段，双色红外成像一直是各国研究的热点。近年来，国内外各公司均有可以同时响应中波长波辐射的制冷型探测器推出，发展共光路的双色制冷型红外光学系统的条件已经成熟。
此外，温度对光学系统产生的热效应主要分为两个方面的影响，一是折射率随温度变化，二是光学元件或者机械结构的尺寸厚度随温度引起的热膨胀作用。不论是折射率变化或者是尺寸厚度的变化，都会导致光学系统成像质量变化，变化形式主要是像面离焦。对温度引起离焦的矫正称为光学无热化，也称作消热差设计，在各种无热化技术中，光学被动无热补偿技术的结构简单、体积小、重量轻，被广泛使用。
目前，同时具有消热差和红外双波段成像特点的光学系统主要是折射式，例如CN112629669B所述双波段共口径大靶面的光学无热化红外镜头及光学系统，其采用了衍射面这样的特殊面型，加工难度和成本较高，同时系统总长也较长。申请号CN 113866937A所述一种红外双波段广角消热差共焦面光学系统，虽未采用衍射面，系统同样不够紧凑，不适合轻小型化的红外系统应用场景。
与折射式相比，折反式光学系统体积小，系统总长可以做到焦距的50％以内，是机载、航天载荷场景下的常用结构，折反式制冷型红外光学系统一般由两个反射镜对目标成一次像，再由透镜组对一次像面进行二次成像，以实现冷光阑与出瞳的匹配。同时消色差和消热差一直是此类结构光学系统研制的难点，例如CN103207452A所述发明，仅实现了双波段共光路共焦面成像，并未在此基础上实现消热差。
还有一种解决方案是在反射元件和折射元件之间加入分光板，将两个波段的光路分开各自矫正色差和热差，例如《可见/红外双色共孔径光学系统设计及实现》(doi：10.3788/gzxb20215005.0511002)。这类光学系统虽然能达到较好的成像效果，但光路整体上比较复杂，同样不利于光学系统的轻小型化和成本控制。
发明内容
针对现有共光路双波段光学系统存在不能同时消热色、消色差的问题，本发明提供一种共光路的中波长波双色消热差制冷型红外折反光学系统。
本发明所述一种共光路的中波长波双色消热差制冷型红外折反光学系统，包括主反射镜101、次反射镜102、透镜组103、冷光阑窗口104和红外双色探测器105；所有元器件同轴排布，共同构成成像系统；光学系统采用有中间实像的结构形式，实像面位于次镜102与透镜组103之间；
主反射镜101设置有中心通孔，透镜组103设置于主反射镜101的中心通孔之前；
光学系统的孔径光阑位于冷光阑窗口104处，所述冷光阑窗口104设置于透镜组103光线输出端；
来自近似无穷远的目标光线经过主镜101和次镜102反射后，到达透镜组103之前形成中间实像，通过透镜组103折射后经过冷光阑窗口104，最终将景物成像在红外双色探测器105处，实现双波段共光路成像，其中，主次镜对无穷远物体成一次像，透镜组103对一次像面进行二次成像，从而调整出瞳位置；冷光阑窗口104位置即为系统出瞳，冷光阑效率100％；
光学系统满足以下条件，以实现消热差和消色差：
式中h为透镜组的入射高度，hi为薄透镜组中第i个透镜分数形式的入射高度，即归一化入射高度；i＝1,2,…,k，k为透镜组中透镜的数量；
αm——透镜组的镜筒材料热膨胀系数；
L——透镜组的镜筒长度；
为透镜组的光焦度，/>为第i个透镜的光焦度；
C为透镜组的色差系数，Ci为第i个透镜的色差系统；
T为透镜组的热差系数，Ti为第i个透镜的热差系统。
优选地，透镜组103在镜筒内按光线传播方向同轴设置k＝5个透镜，第1个透镜111材料为硅，光焦度为正；第2个透镜112，材料为红外玻璃AMTIR1，光焦度为正；第3个透镜113，材料为锗，光焦度为负；第4个透镜114，材料为硅，光焦度为正；第5个透镜115，材料为硒化锌，光焦度为负；镜筒材料为钛合金；
若以透镜组的光焦度则五个透镜的光焦度范围依次为：/>
优选地，R1，R2分别对应为主反射镜101、次反射镜102的顶点曲率半径，R1取值范围在-300～-500mm，R2取值范围在-80～-150mm；
优选地，在以焦距归一化的条件下，主反射镜101到次反射镜102的间隔为-0.25～-0.4；光学系统总长为0.3～0.5；主反射镜101、次反射镜102和透镜组中第4个透镜114后表面为非球面，其他光学元件表面均为球面或平面。
优选地，红外双色探测器105规格为256×256像元，单个像元尺寸为30微米。
优选地，冷光阑窗口104和红外双色探测器105之间的距离为15～25mm。
优选地，在次反射镜102和透镜组103之间增设光学滤波器或分光组件。
优选地，在主反射镜101前、次反射镜102位置、一次焦面位置、透镜组103前后间隔处分别设置遮光罩；并在主反射镜101前的遮光罩设置挡光环。
本发明的有益效果：本发明提出了一种共光路的双色消热差制冷型红外折反光学系统，本发明通过采用主次镜进行一次成像，在一次像面后加入透镜组做二次成像并矫正轴外像差，从而实现了对中波(3.7～4.8微米)长波(7.7～9.5微米)的双波段共光路成像，同时通过优选材料实现了-40°～+60°之间的被动无热化。同时消热差和消色差。
本发明提供的光学系统，与使用场景相似的其他光学系统相比，结构紧凑简单，系统总长可以控制在焦距的30％～50％，加工装调技术成熟，有利于轻小型化。
附图说明
图1是本发明所述共光路的中波长波双色消热差制冷型红外折反光学系统的结构示意图；
图2为本发明实施例的透镜组详细结构；
图3为本发明实施例提供的光学系统的在4.2微米，-40℃时的MTF曲线；
图4为本发明实施例提供的光学系统的在4.2微米，+60℃时的MTF曲线；
图5为本发明实施例提供的光学系统的在7.7微米，-40℃时的MTF曲线；
图6为本发明实施例提供的光学系统的在7.7微米，+60℃时的MTF曲线；
图7为本发明实施例提供的光学系统的色离焦曲线；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
101、主反射镜，102、次反射镜，103、透镜组，104、冷光阑窗口，105、红外双色探测器；
透镜组103具体包含：111、一号透镜，112、二号透镜，113、三号透镜，114、四号透镜，115、五号透镜。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本发明只使用折射和反射元件，就实现了双波段的色差和热差控制。成像的波段为中波红外(3.7～4.8微米)和长波红外(7.7～9.5微米)，且这两个波段范围的光线可以经过同样的光路汇聚在探测器105上；另一方面，该光学系统可以在-40℃～+60℃范围内保持被动消热差。系统视场可以达到1°～2°，F数为2～3，冷光阑效率100％。
具体实施方式一：下面结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式所述一种共光路的中波长波双色消热差制冷型红外折反光学系统包括主反射镜101、次反射镜102、透镜组103、冷光阑窗口104和红外双色探测器105；所有元器件同轴排布，共同构成成像系统；光学系统采用有中间实像的结构形式，实像面位于次镜102与透镜组103之间；
主反射镜101设置有中心通孔，透镜组103设置于主反射镜101的中心通孔之前；
光学系统的孔径光阑位于冷光阑窗口104处，所述冷光阑窗口104设置于透镜组103光线输出端；
来自近似无穷远的目标光线经过主镜101和次镜102反射后，到达透镜组103之前形成中间实像，通过透镜组103折射后经过冷光阑窗口104，最终将景物成像在红外双色探测器105处，实现双波段共光路成像，其中，主次镜对无穷远物体成一次像，透镜组103对一次像面进行二次成像，从而调整出瞳位置；冷光阑窗口104位置即为系统出瞳，冷光阑效率100％；
光学系统的光焦度、热差系数和色差系数满足以下关系式：
光学系统的色差是一个只与光学系统材料相关的量，其补偿不需要考虑机械材料，因此实现消色差的条件就是满足色差系数C＝0；但是系统的热差与机械材料相关。由此可知，当物处于无穷远时，光学系统光焦度、T和C满足以下三个方程可以实现同时消热差和消色差：
式中h为透镜组的入射高度，hi为薄透镜组中第i个透镜分数形式的入射高度，即归一化入射高度；i＝1,2,…,k，k为透镜组中透镜的数量；
αm——透镜组的镜筒材料热膨胀系数；
L——透镜组的镜筒长度；
为透镜组的光焦度，/>为第i个透镜的光焦度；
C为透镜组的色差系数，Ci为第i个透镜的色差系统；
T为透镜组的热差系数，Ti为第i个透镜的热差系统。
透镜组103在镜筒内按光线传播方向同轴设置k＝5个透镜，第1个透镜111材料为硅，光焦度为正；第2个透镜112，材料为红外玻璃AMTIR1，光焦度为正；第3个透镜113，材料为锗，光焦度为负；第4个透镜114，材料为硅，光焦度为正；第5个透镜115，材料为硒化锌，光焦度为负；镜筒材料为钛合金；
若以透镜组的光焦度则五个透镜的光焦度范围依次为：/>
R1，R2分别对应为主反射镜101、次反射镜102的顶点曲率半径，R1取值范围在-300～-500mm，R2取值范围在-80～-150mm；
在以焦距归一化的条件下，主反射镜101到次反射镜102的间隔为-0.25～-0.4；光学系统总长为0.3～0.5；主反射镜101、次反射镜102和透镜组中第4个透镜114后表面为非球面，其他光学元件表面均为球面或平面。
红外双色探测器105规格为256×256像元，单个像元尺寸为30微米。
冷光阑窗口104和红外双色探测器105之间的距离为15～25mm。系统很紧凑。
实施例：
光学系统外部参数为口径180mm，F数为2.5，系统全视场为1.6°，工作波段为中波红外3.6～4.8微米，长波红外7.7～9.5微米，环境温度-40～+60℃，冷光阑效率100％。
系统内部参数如下表所示。
表1光学系统参数表
表1中，1-2分别对应主镜、次镜前后两个镜面，3-12对应透镜组中的五个透镜的前后共十个表面，13-14对应冷光阑窗口前后两个表面、半径、厚度、半口径单位为mm。主镜偶次非球面参数为：四阶项系数1.841E-10，六阶项-3.563E-14，八阶项1.053E-17，十阶项-8.275E-22，其他项为0。次镜偶次非球面参数为：四阶项系数-6.968E-6，六阶项1.894E-8，八阶项-3.437E-11，十阶项2.711E-14，其他项为0.
参见附图1，它为本实施例提供的一种F数为1的制冷型红外同轴四反射镜光学系统的结构示意图，按光线入射方向，来自近似无穷远的目标光线经过主镜101和次镜102反射后，到达透镜组103之前形成中间实像，通过103折射后经过冷光阑窗口104，最终将景物成像在红外双色探测器105处。光学系统总长为185mm，约为0.41倍焦距。
参见附图2，本发明提供的实施例中，所述透镜组103包含5片透镜，根据光线传播方向，依次为透镜111，材料为硅，光焦度为正；透镜112，材料为红外玻璃AMTIR1，光焦度为正；透镜113，材料为锗，光焦度为负；透镜114，材料为硅，光焦度为正；透镜115，材料为硒化锌，光焦度为负。
参见附图3，本发明提供的实施例中，MTF曲线的奈奎斯特频率为16.7lp/mm，在-40℃和4.2微米波长情况下，MTF曲线中心视场数值大于0.50，边缘视场数值大于0.45，成像质量良好。
参见附图4，本发明提供的实施例中，在+60℃和4.2微米波长情况下，MTF曲线全视场数值大于0.50，成像质量良好。
参见附图5，本发明提供的实施例中，在-40℃和7.7微米波长情况下，MTF曲线中心视场数值大于0.40，边缘视场数值大于0.35，成像质量良好。
参见附图6，本发明提供的实施例中，在+60℃和7.7微米波长情况下，MTF曲线全视场数值大于0.40，成像质量良好。。
参见附图7，为本发明提供的实施例的色离焦曲线，说明在本发明提供的实施例中，对中波红外和长波红外的色差得到了良好的矫正。
具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，在次反射镜102和透镜组103之间增设光学滤波器或分光组件。所述波段范围内可以随意更换使用场景，包括但不限于可以通过增加分光元件或改用单波段探测器等。
具体实施方式三：本实施方式对实施方式一作进一步说明，在主反射镜101前、次反射镜102位置、一次焦面位置、透镜组103前后间隔处分别设置遮光罩；并在主反射镜101前的遮光罩设置挡光环。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。

Claims (8)

1.一种共光路的中波长波双色消热差制冷型红外折反光学系统，其特征在于，包括主反射镜(101)、次反射镜(102)、透镜组(103)、冷光阑窗口(104)和红外双色探测器(105)；所有元器件同轴排布，共同构成成像系统；光学系统采用有中间实像的结构形式，实像面位于次镜102与透镜组(103)之间；
主反射镜(101)设置有中心通孔，透镜组(103)设置于主反射镜(101)的中心通孔之前；
光学系统的孔径光阑位于冷光阑窗口(104)处，所述冷光阑窗口(104)设置于透镜组(103)光线输出端；
来自近似无穷远的目标光线经过主镜101和次镜102反射后，到达透镜组(103)之前形成中间实像，通过透镜组(103)折射后经过冷光阑窗口(104)，最终将景物成像在红外双色探测器(105)处，实现双波段共光路成像，其中，主次镜对无穷远物体成一次像，透镜组(103)对一次像面进行二次成像，从而调整出瞳位置；冷光阑窗口(104)位置即为系统出瞳，冷光阑效率100％；
光学系统满足以下条件，以实现消热差和消色差：
式中h为透镜组的入射高度，hi为薄透镜组中第i个透镜分数形式的入射高度，即归一化入射高度；i＝1,2,…,k，k为透镜组中透镜的数量；
αm——透镜组的镜筒材料热膨胀系数；
L——透镜组的镜筒长度；
为透镜组的光焦度，/>为第i个透镜的光焦度；
C为透镜组的色差系数，Ci为第i个透镜的色差系统；
T为透镜组的热差系数，Ti为第i个透镜的热差系统。
2.根据权利要求1所述一种共光路的中波长波双色消热差制冷型红外折反光学系统，其特征在于，透镜组(103)在镜筒内按光线传播方向同轴设置k＝5个透镜，第1个透镜(111)材料为硅，光焦度为正；第2个透镜(112)，材料为红外玻璃AMTIR1，光焦度为正；第3个透镜(113)，材料为锗，光焦度为负；第4个透镜(114)，材料为硅，光焦度为正；第5个透镜(115)，材料为硒化锌，光焦度为负；镜筒材料为钛合金；
若以透镜组的光焦度则五个透镜的光焦度范围依次为：/>
3.根据权利要求1所述一种共光路的中波长波双色消热差制冷型红外折反光学系统，其特征在于，R1，R2分别对应为主反射镜(101)、次反射镜(102)的顶点曲率半径，R1取值范围在-300～-500mm，R2取值范围在-80～-150mm。
4.根据权利要求2所述一种共光路的中波长波双色消热差制冷型红外折反光学系统，其特征在于，在以焦距归一化的条件下，主反射镜(101)到次反射镜(102)的间隔为-0.25～-0.4；光学系统总长为0.3～0.5；主反射镜(101)、次反射镜(102)和透镜组中第4个透镜114后表面为非球面，其他光学元件表面均为球面或平面。
5.根据权利要求1所述一种共光路的中波长波双色消热差制冷型红外折反光学系统，其特征在于，红外双色探测器(105)规格为256×256像元，单个像元尺寸为30微米。
6.根据权利要求1所述一种共光路的中波长波双色消热差制冷型红外折反光学系统，其特征在于，冷光阑窗口(104)和红外双色探测器(105)之间的距离为15～25mm。
7.根据权利要求1所述一种共光路的中波长波双色消热差制冷型红外折反光学系统，其特征在于，在次反射镜(102)和透镜组(103)之间增设光学滤波器或分光组件。
8.根据权利要求1所述一种共光路的中波长波双色消热差制冷型红外折反光学系统，其特征在于，在主反射镜(101)前、次反射镜(102)位置、一次焦面位置、透镜组(103)前后间隔处分别设置遮光罩；并在主反射镜(101)前的遮光罩设置挡光环。
CN202310515252.7A 2023-05-09 2023-05-09 一种共光路的中波长波双色消热差制冷型红外折反光学系统 Pending CN116661116A (zh)

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