專利名稱：雙波段共光路共焦面成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種紅外中波和長波雙波段共光路共焦面成像系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著新一代多波段紅外探測器技術(shù)的發(fā)展，多波段成像的使用變得越來越廣泛，為了成功應(yīng)用新一代探測器，必須設(shè)計出能夠同時具備多波段成像能力的光學(xué)系統(tǒng)。在紅外成像領(lǐng)域，應(yīng)用最為廣泛的光譜波段為中波紅外(3μπι-5μπι)和長波紅外(8μπι-12μπι)。這兩個波段相比較擁有不同的優(yōu)勢和局限。最好的方式是采用雙波段紅外探測器合并以上兩個波段，使它們優(yōu)勢互補。全反射式光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式一般為多波段光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的首選，但是，雙波段紅外探測器一般為制冷式探測器，因此在探測器中存在冷闌，冷闌的存在使得全反射式光學(xué)系統(tǒng)必須進行二次成像以實現(xiàn)冷闌匹配，這就無法使用應(yīng)用最為廣泛的兩反系統(tǒng)設(shè)計。同時，當(dāng)需要緊湊的外形尺寸和大視場的情況時，全反射式光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計難度陡增。采用折射式光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式，可以選擇的材料嚴(yán)重受限，主要為鍺、硒化鋅、硫化鋅、氟化鋇、砷化鎵和部分硫系玻璃。色差校正是雙波段光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計面臨的主要難題。光學(xué)系統(tǒng)的焦距越大，系統(tǒng)第一片透鏡尺寸一般也會越大，這更加限制了雙波段折射式光學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。專利號為01132130.X的中國專利公開了一項名稱為“紅外雙波段折衍混合光學(xué)成像系統(tǒng)”的折射式光學(xué)系統(tǒng)技術(shù)方案，該系統(tǒng)利用雙中心波長閃耀的二元衍射元件實現(xiàn)
3.5 μ m-3.9 μ m和10.5 μ m-12.5 μ m雙波段同時成像，由于衍射元件的應(yīng)用，中波和長波的譜段較窄，系統(tǒng)的透過率較低。專利號為201120201781.2的中國專利公開了一項名稱為“一種雙波段紅外成像光學(xué)系統(tǒng)”的折射式成像光學(xué)系統(tǒng)技術(shù)方案，該光學(xué)系統(tǒng)采用四片透射元件，一次成像的方式實現(xiàn)中波紅外(3 μ m-5 μ m)和長波紅外(8 μ m-12 μ m)波段在同一焦平面成像。該系統(tǒng)光學(xué)總長大于焦距，同時由于一次成像方式的采用使得該系統(tǒng)雜散光抑制困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)存在的系統(tǒng)透過率較低及系統(tǒng)雜散光抑制困難的問題，提供一種系統(tǒng)透過率較高及抑制系統(tǒng)雜散光較好的雙波段共光路共焦面成像系統(tǒng)。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的雙波段共光路共焦面成像系統(tǒng)包括主鏡、次鏡、中繼鏡組和焦平面探測器；所述主鏡、次鏡、中繼鏡組和焦平面探測器在同一光軸上，所述主鏡的反射面和所述次鏡的反射面相對排布，所述主鏡開有中心孔，所述中繼鏡組和焦平面探測器位于所述主鏡的中心孔內(nèi)，所述中繼鏡組位于第一像面與焦平面探測器之間，主鏡和次鏡為卡塞格林結(jié)構(gòu)形式；光束經(jīng)主鏡反射后入射到次鏡上，由次鏡反射聚焦成像在第一像面上；中繼鏡組將第一像面上的目標(biāo)轉(zhuǎn)像，聚焦到第二像面上；所述第二像面與焦平面探測器的焦平面陣列重合。所述光學(xué)系統(tǒng)光譜透過范圍為3 μ m- ο μ m。所述的焦平面探測器為制冷型探測器，包含窗口、冷闌和焦平面陣列，所述冷闌位于窗口和焦平面陣列之間，所述窗口基于紅外透過材料，所述焦平面陣列為中波紅外/長波紅外雙波段焦平面陣列或?qū)挷ǘ谓蛊矫骊嚵?。所述主鏡為凹非球面反射鏡，所述次鏡為凸非球面反射鏡；所述主鏡和所述次鏡的材料為鋁、碳化硅、鈹、鈹鋁或微晶玻璃。所述主鏡的反射面為標(biāo)準(zhǔn)二次曲面或高次非球面；所述次鏡的反射面為標(biāo)準(zhǔn)二次曲面或高次非球面；所述中繼鏡組包括同一光軸順序放置的第一折射透鏡、第二折射透鏡、第三折射透鏡和第四折射透鏡。所述第一折射透鏡基于Ge晶體材料，其前表面為球面，后表面為非球面。所述第二折射透鏡基于ZNS晶體材料，其前后表面均為球面。所述第三折射透鏡基于BaF2晶體材料，其前后表面均為球面。所述第四折射透鏡基于ZnSe晶體材料，其前表面為非球面，后表面為球面。本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明的雙波段共光路共焦面成像系統(tǒng)采用折反射式結(jié)構(gòu)形式，主鏡和次鏡可以分擔(dān)大部分光焦度，中繼鏡組的焦距小且口徑不大，色差校正容易；同時，利用反射鏡折疊光路，縮小了鏡頭的體積，減輕了質(zhì)量，使系統(tǒng)光學(xué)長度可以做到焦距的0.6倍以下；同時，由于二次成像方式的采用使系統(tǒng)雜散光抑制容易。


圖1為本發(fā)明的雙波段共光路共焦面成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的中繼鏡組結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明設(shè)計示例在中波波段3 μ m 5 μ m的MTF曲線；圖4是本發(fā)明設(shè)計示例在長波波段8 μ m 10 μ m的MTF曲線；其中:1、主鏡，2、次鏡，3、中繼鏡組，31、第一折射透鏡，311、第一折射透鏡前表面，312、第一折射透鏡后表面，32、第二折射透鏡，321、第二折射透鏡前表面，322、第二折射透鏡后表面，33、第三折射透鏡，331、第三折射透鏡前表面，332、第三折射透鏡后表面，34、第四折射透鏡，341、第四折射透鏡前表面，342、第四折射透鏡后表面，4、第一像面，5、焦平面探測器窗口，6、焦平面探測器冷闌，7、焦平面陣列，8、焦平面探測器。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細(xì)描述。參見附圖1、2，本發(fā)明的雙波段共光路共焦面成像系統(tǒng)從物方到像方按順序由一個主鏡1、一個次鏡2、一個中繼鏡組3和一個焦平面探測器8組成。焦平面探測器8為中波紅外/長波紅外雙波段焦平面陣列7或?qū)挷ǘ谓蛊矫骊嚵?，用于對電磁波譜中3 μ m 5μηι和8μηι ΙΟμπι熱福射成像,系統(tǒng)可對中波紅外和長波紅外同時成像。本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)按xyz右手空間坐標(biāo)系有序排列，z軸方向定為光軸方向，y軸在圖1所示平面內(nèi)，X軸垂直于yz平面，yz坐標(biāo)平面為光學(xué)系統(tǒng)的子午面。系統(tǒng)所有光學(xué)元件布置在同一光軸上，主鏡I的反射面與次鏡2的反射面相對排布，所述主鏡I開有中心孔，所述中繼鏡組3和焦平面探測器8位于所述主鏡I的中心孔內(nèi)，所述中繼鏡組3位于第一像面4與焦平面探測器8之間，主鏡I和次鏡2為卡塞格林結(jié)構(gòu)形式。所述的焦平面探測器8為制冷型探測器，包含焦平面探測器窗口 5、焦平面探測器冷闌6和焦平面陣列7，所述焦平面探測器窗口 5基于紅外透過材料，所述焦平面陣列7為雙波段焦平面陣列7或?qū)挷ǘ谓蛊矫骊嚵?，所述焦平面探測器冷闌6位于焦平面探測器窗口 5和焦平面陣列7之間，決定焦平面陣列7接收目標(biāo)輻射的立體角，焦平面探測器冷闌6作為光學(xué)系統(tǒng)的出瞳，物方與其共軛的入瞳盡量與主鏡I重合，從而有效減少主鏡I孔徑。所述中繼鏡組3包括同一光軸順序放置的第一折射透鏡31、第二折射透鏡32、第三折射透鏡33和第四折射透鏡34。第一折射透鏡31、第二折射透鏡32、第三折射透鏡33和第四折射透鏡34布置在第一像面4與第二像面之間。主鏡I和次鏡2構(gòu)成前組卡塞格林式光學(xué)系統(tǒng)，第一折射透鏡31、第二折射透鏡32、第三折射透鏡33和第四折射透鏡34構(gòu)成中繼鏡組3 ;中繼鏡組3和焦平面探測器8放置在主鏡I的中心孔內(nèi)；所有光學(xué)元件的中心都在yz平面上。來自物方的光束經(jīng)主鏡I反射后入射到次鏡2上，由次鏡2反射聚焦，使得目標(biāo)成像在第一像面4上；再由中繼鏡組3將第一像面4上的目標(biāo)轉(zhuǎn)像，通過焦平面探測器窗口5和焦平面探測器冷闌6，重新聚焦到第二像面上；所述第二像面與成像接收器的焦平面陣列7重合。所述主鏡I為凹非球面反射鏡，所述次鏡2為凸非球面反射鏡；所述主鏡I和所述次鏡2的材料為鋁、碳化硅、鈹、鈹鋁或微晶玻璃。所述主鏡I的反射面和所述次鏡2的反射面是拋物面、橢球面及雙曲面等標(biāo)準(zhǔn)二次曲面或高次非球面；所述主鏡I的凹反射面和所述次鏡2的反射面的面形可以相同也可以不同。所述中繼鏡組3的第一折射透鏡31基于Ge晶體材料，第一折射透鏡前表面311為球面，第一折射透鏡后表面312為非球面，所述非球面為標(biāo)準(zhǔn)二次曲面或高次非球面；所述第二折射透鏡32基于ZNS晶體材料，第二折射透鏡前表面321和第二折射透鏡后表面322均為球面；所述第三折射透鏡33基于BaF2晶體材料，第二折射透鏡前表面331和第二折射透鏡后表面332均為球面；所述第四折射透鏡34基于ZnSe晶體材料，第四折射透鏡前表面341為非球面，第四折射透鏡后表面342為球面。參見附圖3和附圖4，本發(fā)明的雙波段共光路共焦面成像系統(tǒng)，長波波段像質(zhì)接近衍射極限，中波波段像質(zhì)在探測器截止頻率處全視場MTF達(dá)到0.35以上，系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)如下:通光口徑:Φ 75mm；
相對孔徑:1: 2；
焦距:150mm;
視場:3.06°χ2.44°;
工作波長:中波3μηι-5μπι，長波8μιη-10μηι;
探測器像元數(shù):320x256;
像元尺寸:25μιη；
系統(tǒng)總長:83mm；
畸變:<6%。表權(quán)利要求
1.雙波段共光路共焦面成像系統(tǒng)，包括主鏡(I)、次鏡(2)、中繼鏡組(3)和焦平面探測器(8);其特征在于， 所述主鏡(I)、次鏡(2)、中繼鏡組(3)和焦平面探測器(8)在同一光軸上，所述主鏡(I)的反射面和所述次鏡(2)的反射面相對排布，所述主鏡(I)開有中心孔，所述中繼鏡組(3)和焦平面探測器(8)位于所述主鏡(I)的中心孔內(nèi)，所述中繼鏡組(3)位于第一像面(4)與焦平面探測器(8)之間，主鏡(I)和次鏡(2)為卡塞格林結(jié)構(gòu)形式；光束經(jīng)主鏡(I)反射后入射到次鏡(2)上，由次鏡(2)反射聚焦成像在第一像面(4)上；中繼鏡組(3)將第一像面(4)上的目標(biāo)轉(zhuǎn)像，聚焦到第二像面上；所述第二像面與焦平面探測器(8)的焦平面陣列(7)重口 ο
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙波段共光路共焦面成像系統(tǒng)，其特征在于，所述光學(xué)系統(tǒng)光譜透過范圍為3 μ m- ο μ m,系統(tǒng)可對中波紅外和長波紅外同時成像。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙波段共光路共焦面成像系統(tǒng)，其特征在于，所述的焦平面探測器(8)為制冷型探測器，包含焦平面探測器窗口(5)、焦平面探測器冷闌(6)和焦平面陣列(7)，所述焦平面探測器冷闌(6)位于焦平面探測器窗口(5)和焦平面陣列(7)之間，所述焦平面探測器窗口(5)基于紅外透過材料，所述焦平面陣列(7)為中波紅外/長波紅外雙波段焦平面陣列(7)或?qū)挷ǘ谓蛊矫骊嚵?7)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙波段共光路共焦面成像系統(tǒng)，其特征在于，所述主鏡(I)為凹非球面反射鏡，所述次鏡(2)為凸非球面反射鏡；所述主鏡(I)和所述次鏡(2)的材料為鋁、碳化硅、鈹、鈹鋁或微晶玻璃。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙波段共光路共焦面成像系統(tǒng)，其特征在于，所述主鏡(I)的反射面為標(biāo)準(zhǔn)二次曲面或高次非球面；所述次鏡(2)的反射面為標(biāo)準(zhǔn)二次曲面或高次非球面。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙波段共光路共焦面成像系統(tǒng)，其特征在于，所述中繼鏡組(3)包括沿同一光軸順序放置的第一折射透鏡(31)、第二折射透鏡(32)、第三折射透鏡(33)和第四折射透鏡(34)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的雙波段共光路共焦面成像系統(tǒng)，其特征在于，所述第一折射透鏡(31)基于Ge晶體材料，第一折射透鏡前表面(311)為球面，第一折射透鏡后表面(312)為非球面。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的雙波段共光路共焦面成像系統(tǒng)，其特征在于，所述第二折射透鏡(32)基于ZNS晶體材料，其第二折射透鏡前表面(321)和第二折射透鏡后表面(322)均為球面。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的雙波段共光路共焦面成像系統(tǒng)，其特征在于，所述第三折射透鏡(33)基于BaF2晶體材料，其第三折射透鏡前表面(331)和第三折射透鏡后表面(332)均為球面。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的雙波段共光路共焦面成像系統(tǒng)，其特征在于，所述第四折射透鏡(34)基于ZnSe晶體材料，其第四折射透鏡前表面(341)為非球面，第四折射透鏡后表面(342)為球面。
全文摘要
本發(fā)明的雙波段共光路共焦面成像系統(tǒng)屬于光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)存在的鏡頭質(zhì)量和體積大、長度長以及雜散光難以抑制等問題。包括主鏡、次鏡、中繼鏡組和焦平面探測器；所述主鏡、次鏡、中繼鏡組和焦平面探測器在同一光軸上，所述主鏡的反射面和所述次鏡的反射面相對排布，所述主鏡開有中心孔，所述中繼鏡組和焦平面探測器位于所述主鏡的中心孔內(nèi)，所述中繼鏡組位于第一像面與焦平面探測器之間，主鏡和次鏡為卡斯格林結(jié)構(gòu)形式。本發(fā)明利用反射鏡折疊光路，縮小了鏡頭的體積減輕了質(zhì)量，使長度可以做到焦距的0.6倍以下；由于二次成像方式的采用使系統(tǒng)雜散光抑制容易。
文檔編號G02B27/00GK103207452SQ201310094728
公開日2013年7月17日 申請日期2013年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月22日
發(fā)明者付強, 張新, 史廣維, 王靈杰, 張建萍 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所