一種制冷型雙波段紅外光學系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種制冷型雙波段紅外光學系統，從物方到像方依次包括長波紅外光學系統和中波紅外光學系統，所述的長波紅外光學系統依次由主物鏡組、分光平板、長波中繼透鏡組、長波反射鏡、長波調焦透鏡和長波后固定組組成，所述的中波紅外光學系統依次由主物鏡組、分光平板、中波中繼透鏡組、中波反射鏡、中波調焦透鏡和中波后固定組組成；制冷型中波長波雙波段紅外光學系統采用二次成像結構型式，利于紅外成像光譜儀的光瞳銜接，減小體積和重量，結構簡單穩定。
【專利說明】
-種制冷型雙波段紅外光學系統
技術領域
[0001] 本發明屬于紅外光學技術領域，具體設及一種制冷型中波/長波雙波段紅外光學 系統。
【背景技術】
[0002] 紅外光譜儀是科學研究和分析檢測中非常重要的設備，而現場級多波段紅外成像 光譜儀是新一代的檢測和分析設備，具有"圖譜合一"的特性，結合了傳統光譜儀和光電成 像技術的特點，可同時提供圖像二維信息和高分辨率的光譜信息，擁有全面的成像分析能 力、較高的光譜分辨率，在海洋環境監測、空氣污染監測、國防研究、公共安全等領域有著廣 泛的應用價值。
[0003] 多波段紅外光學系統作為現場級多波段紅外成像光譜儀的核屯、組成部分，響應波 段范圍更寬，可W獲得更豐富的光譜信息，使設備的分析和探測能力得到很大提升。
[0004] 為使現場級多波段紅外成像光譜儀獲得更高更精確的探測和分析能力，多波段紅 外光學系統使用制冷型探測器，且為了獲得更小的體積和重量，多波段紅外光學系統需和 紅外成像光譜儀干設光學系統進行嚴格的光瞳匹配。
[0005] 之前報道的專利號為200910272921.2雙波段紅外光學系統，使用非制冷探測器， 且沒有提出光瞳匹配的問題;專利號為201110198848.6雙色雙視場紅外成像光學系統應用 背景是捜索跟蹤目標，故也沒有考慮光瞳匹配問題;二者都無法滿足現場級多波段紅外成 像光譜儀使用要求。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的在于根據現有技術的不足，設計一種制冷型中波/長波雙波段紅外 光學系統，W解決現場級多波段紅外成像光譜儀光瞳匹配問題，進而減小成像光譜儀體積 和重量。
[0007] 本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:一種制冷型雙波段紅外光學系統， 從物方到像方依次包括長波紅外光學系統和中波紅外光學系統;所述的長波紅外光學系統 包括依次設置在入射光光軸上的主物鏡組和分光平板，W及依次設置在分光平板透射光的 光軸上的長波中繼透鏡組和長波反射鏡，W及依次設置在長波反射鏡反射光的光軸上的長 波調焦透鏡和長波后固定組;所述的中波紅外光學系統包括依次設置在分光平板反射光的 光軸上的中波中繼透鏡組和中波反射鏡，W及依次設置在中波反射鏡反射光的光軸上的中 波調焦透鏡和中波后固定組;所述中波紅外光學系統和長波紅外光學系統共用的主物鏡組 包括第一主物鏡和第二主物鏡，所述的第一主物鏡為凸面朝向物方的正光焦度平凸透鏡， 所述的第二主物鏡為負光焦度平凹透鏡;所述的分光平板為前表面鍛膜的平板玻璃，W實 現長波紅外透射和中波紅外反射;所述的長波中繼透鏡組包括第一長波中繼透鏡和第二長 波中繼透鏡，所述的第一長波中繼透鏡為凹面朝向分光平板的正光焦度彎月透鏡，所述的 第二長波中繼透鏡為凹面朝向長波反射鏡的負光焦度彎月透鏡;所述的長波調焦透鏡為一 片具有正光焦度的雙凸透鏡;所述的長波后固定組為凸面朝向長波反射鏡的正光焦度彎月 透鏡;所述的中波中繼透鏡組包括第一中波中繼透鏡和第二中波中繼透鏡，所述的第一中 波中繼透鏡為負光焦度雙凹透鏡，所述的第二中波中繼透鏡為凸面朝向中波反射鏡的正光 焦度彎月透鏡;所述的中波調焦透鏡和中波后固定組均為凸面朝向中波反射鏡的正光焦度 彎月透鏡。
[0008] 所述的一種制冷型雙波段紅外光學系統，其長波紅外光學系統的工作波段為 7.7-12皿;所述的中波紅外光學系統的工作波段為3.7-4.祉m，F數為2。
[0009] 所述的一種制冷型雙波段紅外光學系統，其分光平板法線與入射光的光軸成45° 夾角;所述的長波反射鏡法線與透射光的光軸成45°夾角;所述的中波反射鏡法線與反射光 的光軸成45°夾角。
[0010] 所述的一種制冷型雙波段紅外光學系統，其第一長波中繼透鏡的后表面、長波調 焦透鏡的前表面和/或第二中波中繼透鏡的前表面為高次非球面。
[0011] 所述的一種制冷型雙波段紅外光學系統，其分光平板上的鍛膜為分光膜。
[0012] 所述的一種制冷型雙波段紅外光學系統，其透鏡材料為單晶娃或單晶錯;所述的 分光平板采用單晶錯材料。
[0013] 進一步，所述的一種制冷型雙波段紅外光學系統，其第一主物鏡、第二主物鏡、第 一長波中繼透鏡、第二長波中繼透鏡、長波調焦透鏡、長波后固定組和第二中波中繼透鏡均 為單晶錯透鏡，所述的分光平板為單晶錯平板玻璃。
[0014] 所述的一種制冷型雙波段紅外光學系統，其第一中波中繼透鏡、中波調焦透鏡和 中波后固定組均為單晶娃透鏡。
[0015] 本發明的有益效果是： 1、本發明采用二次成像結構型式，不僅實現了 100%冷光闊效率，還將入瞳設置在主物 鏡組前400mm處，利于紅外成像光譜儀的光瞳銜接，減小體積和重量，結構簡單而且穩定。
[0016] 2、本發明只使用常規單晶錯和單晶娃紅外材料，且在單晶錯材料上進行非球面設 計，提高了光學系統的像質，縮短了長度。
【附圖說明】
[0017] 圖1是本發明的結構示意圖； 圖2是本發明中波紅外光學系統在161p/mm時的傳遞函數曲線圖； 圖3是本發明長波紅外光學系統在161p/mm時的傳遞函數曲線圖； 圖4是本發明中波紅外光學系統的彌散斑圖； 圖5是本發明長波紅外光學系統的彌散斑圖。
[0018] 各附圖標記為：1-主物鏡組，11-第一主物鏡，12-第二主物鏡，2-分光平板， 3-長波中繼透鏡組，31-第一長波中繼透鏡，32-第二長波中繼透鏡，4-長波反射鏡，5- 長波調焦透鏡，6-長波后固定組，7-中波中繼透鏡組，71-第一中波中繼透鏡，72-第二 中波中繼透鏡，8-中波反射鏡，9-中波調焦透鏡，10-中波后固定組。
【具體實施方式】
[0019] 下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。
[0020] 參照圖I所示，作為基本的實施例，本發明公開了一種制冷型雙波段紅外光學系 統，從物方到像方依次包括長波紅外光學系統和中波紅外光學系統。
[0021] 所述的長波紅外光學系統依次由主物鏡組1、分光平板2、長波中繼透鏡組3、長波 反射鏡4、長波調焦透鏡5和長波后固定組6組成;所述的中波紅外光學系統依次由主物鏡組 1、分光平板2、中波中繼透鏡組7、中波反射鏡8、中波調焦透鏡9和中波后固定組10組成。
[0022] 其中：所述中波紅外光學系統和長波紅外光學系統共用的主物鏡組1包括第一主 物鏡11和第二主物鏡12,所述的第一主物鏡11為凸面朝向物方的正光焦度平凸透鏡，所述 的第一主物鏡11沿凸面朝外的方向設置有入瞳位，所述的第二主物鏡12為負光焦度平凹透 鏡，光學材料均為錯。
[0023] 所述的分光平板2為前表面鍛膜的錯材料的平板玻璃，傾斜45°使用，即分光平板2 法線與入射光的光軸成45°夾角，W實現長波紅外透射和中波紅外反射，進一步，分光平板2 上的鍛膜為分光膜，經過分光平板2后，長波紅外光軸會有Y方向的偏移，偏移量d的大小與 材料折射率和厚度有關。
[0024] 所述的長波中繼透鏡組3由兩片彎月透鏡組成，均為錯透鏡，第一片彎向前固定 組，第二片背向前固定組，即第一長波中繼透鏡31為凹面朝向分光平板2的正光焦度彎月透 鏡，所述的第二長波中繼透鏡32為凹面朝向長波反射鏡4的負光焦度彎月透鏡。
[0025] 所述的長波反射鏡4將光路進行90°空間轉折，其法線與光軸夾角為45°，主要目的 是折疊光路，提高空間利用率。
[0026] 所述的長波調焦透鏡5為一片具有正光焦度的雙凸錯透鏡，可沿軸向移動，用來補 償不同溫度不同物距時像面漂移造成的長波紅外系統像質下降。
[0027] 所述的長波后固定組6由一片彎月錯透鏡組成，即為凸面朝向長波反射鏡4的正光 焦度彎月透鏡，用于將光線匯聚到長波探測器祀面上。
[0028] 所述的中波中繼透鏡組7包括第一中波中繼透鏡71和第二中波中繼透鏡72,所述 的第一中波中繼透鏡71為負光焦度雙凹娃透鏡，所述的第二中波中繼透鏡72為凸面朝向中 波反射鏡8的正光焦度錯彎月透鏡。
[0029] 所述的中波反射鏡8法線與反射光的光軸成45°夾角，主要目的是折疊光路，提高 空間利用率。
[0030] 所述的中波調焦透鏡9和中波后固定組10均為凸面朝向中波反射鏡8的正光焦度 彎月透鏡，用來補償不同溫度不同物距時像面漂移造成的中波紅外系統像質下降。
[0031] 中波調焦透鏡9和中波后固定組10均為單晶娃透鏡。
[0032] 所述的中波后固定組10由一片透鏡組成，將光線匯聚到探測器祀面上。
[0033] 本發明光學系統采用二次成像設計，其中一次成像面位于主物鏡組1和分光平板2 之間，二次成像面位于系統像面。其中長波紅外光學系統的工作波段為7.7-12WI1，而中波 紅外光學系統的工作波段為3.7-4.祉m，F數為2。
[0034] 本發明光學系統具體設計參數如下表所示。
[0035] 在上表中，曲率半徑是指每個鏡片表面的曲率半徑，厚度或間隔是指鏡片厚度或 相鄰鏡片表面距離，材料是鏡片所用材料，空氣是指兩個透鏡之間介質空氣。
[0036] 具體而言，所述的第一主物鏡11的前表面的曲率半徑為432.5mm，其前、后表面的 間距為13mm。所述的第二主物鏡12的后表面的曲率半徑為-889.2mm，其前、后表面的間距為 9mm，所述的第二主物鏡12的前表面與第一主物鏡11的后表面之間的間距為16.84mm。所述 的分光平板2的前、后表面的間距為8mm，所述的分光平板2的前表面與第二主物鏡12的后表 面之間的間距為255.98mm。
[0037] 所述的第一長波中繼透鏡31的前、后表面的曲率半徑分別為-56.89和-56.599mm， 其前、后表面的間距為8mm，所述的第一長波中繼透鏡31的前表面與分光平板2的后表面之 間的間距為54.21mm。所述的第二長波中繼透鏡32的前、后表面的曲率半徑分別為54.33和 44.06mm，其前、后表面的間距為8mm，所述的第二長波中繼透鏡32的前表面與第一長波中繼 透鏡31的后表面之間的間距為3.94mm。
[0038] 所述的長波反射鏡4的前、后表面的間距為8mm，所述的長波反射鏡4的前表面與第 二長波中繼透鏡32的后表面之間的間距為42.0 Imm。
[0039] 所述的長波調焦透鏡5的前、后表面的曲率半徑分別為252.058和-970.5mm，其前、 后表面的間距為8mm，所述的長波調焦透鏡5的前表面與長波反射鏡4的前表面之間的間距 為71.59mm。所述的長波后固定組6的前、后表面的曲率半徑分別為31.62和28.12mm，其前、 后表面的間距為8mm，所述的長波后固定組6的前表面與長波調焦透鏡5的后表面之間的間 距為18.27mm，所述的長波后固定組6的后表面與像面之間的距離為9.14mm。
[0040] 所述的第一中波中繼透鏡71的前、后表面的曲率半徑分別為-679.2和178.65mm， 其前、后表面的間距為7mm，所述的第一中波中繼透鏡71的前表面與分光平板2的前表面之 間的間距為40mm。所述的第二中波中繼透鏡72的前、后表面的曲率半徑分別為-238.345和- 101.16mm，其前、后表面的間距為8mm，所述的第二中波中繼透鏡72的前表面與第一中波中 繼透鏡71的后表面之間的間距為5.84mm。
[0041] 所述的中波反射鏡8的前、后表面的間距為8mm，所述的中波反射鏡8的前表面與第 二中波中繼透鏡72的后表面之間的間距為60.92mm。所述的中波調焦透鏡9的前、后表面的 曲率半徑分別為96.16和210.4mm，其前、后表面的間距為7mm，所述的中波調焦透鏡9的前表 面與中波反射鏡8的前表面之間的間距為69.5mm。
[0042] 所述的中波后固定組10的前、后表面的曲率半徑分別為34.99和37.33mm，其前、后 表面的間距為6mm，所述的中波后固定組10的前表面與中波調焦透鏡9的后表面之間的間距 為9mm，所述的中波后固定組10的后表面與像面之間的距離為8.5mm。
[0043] 下表是本發明系統在16lD/mm處的傳遞函數値
為使系統獲得比較好的像質，系統中使用=片非球面，且避免在口徑較大主物鏡組和 硬度較大的娃材料上設置非球面，第一長波中繼透鏡31的后表面、長波調焦透鏡5的前表面 和/或第二中波中繼透鏡72的前表面為高次非球面。
[0044] 下表是其非球面系數。 :..................?........................................................................................................................................................................................>
[0045
本發明通過實際使用證明：該光學系統結構緊湊、長波/中波系統的成像質量良好、系 統入瞳(孔徑光闊經孔徑光闊前面光學系統所成的像稱為入射光瞳，簡稱入瞳)位于主物鏡 組1前400mm處，利于和成像光譜儀干設光學系統進行光瞳匹配，能有效的和紅外成像光譜 儀干設光學系統進行光瞳匹配；出瞳位于制冷探測器的冷光闊上，使系統滿足100%冷光闊 效率。
[0046] 圖2至圖5為本發明光學系統的光學仿真數據圖。其中：圖2和圖3中的橫坐標為每 毫米的線對數，縱坐標為對比度數值。
[0047] 上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，W及部分運用的實施例，對于 本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明創造構思的前提下，還可W做出若干變形和 改進，運些都屬于本發明的保護范圍。
【主權項】
1. 一種制冷型雙波段紅外光學系統，其特征在于：從物方到像方依次包括長波紅外光 學系統和中波紅外光學系統； 所述的長波紅外光學系統包括依次設置在入射光光軸上的主物鏡組（1)和分光平板 (2)，以及依次設置在分光平板（2)透射光的光軸上的長波中繼透鏡組（3)和長波反射鏡 (4)，以及依次設置在長波反射鏡(4)反射光的光軸上的長波調焦透鏡(5)和長波后固定組 (6)； 所述的中波紅外光學系統包括依次設置在分光平板(2)反射光的光軸上的中波中繼透 鏡組(7)和中波反射鏡(8)，以及依次設置在中波反射鏡(8)反射光的光軸上的中波調焦透 鏡(9)和中波后固定組(10); 所述中波紅外光學系統和長波紅外光學系統共用的主物鏡組（1)包括第一主物鏡（11) 和第二主物鏡（12 )，所述的第一主物鏡（11)為凸面朝向物方的正光焦度平凸透鏡，所述的 第二主物鏡（12)為負光焦度平凹透鏡； 所述的分光平板(2)為前表面鍍膜的平板玻璃，以實現長波紅外透射和中波紅外反射； 所述的長波中繼透鏡組(3)包括第一長波中繼透鏡(31)和第二長波中繼透鏡(32)，所 述的第一長波中繼透鏡(31)為凹面朝向分光平板(2)的正光焦度彎月透鏡，所述的第二長 波中繼透鏡(32 )為凹面朝向長波反射鏡(4)的負光焦度彎月透鏡； 所述的長波調焦透鏡(5)為一片具有正光焦度的雙凸透鏡； 所述的長波后固定組(6)為凸面朝向長波反射鏡(4)的正光焦度彎月透鏡； 所述的中波中繼透鏡組(7 )包括第一中波中繼透鏡(71)和第二中波中繼透鏡(72 )，所 述的第一中波中繼透鏡(71)為負光焦度雙凹透鏡，所述的第二中波中繼透鏡(72)為凸面朝 向中波反射鏡(8 )的正光焦度彎月透鏡； 所述的中波調焦透鏡(9)和中波后固定組（10)均為凸面朝向中波反射鏡(8)的正光焦 度彎月透鏡。2. 根據權利要求1所述的一種制冷型雙波段紅外光學系統，其特征在于，所述的長波紅 外光學系統的工作波段為7.7-12μπι;所述的中波紅外光學系統的工作波段為3.7-4.8μπι， F數為2。3. 根據權利要求1所述的一種制冷型雙波段紅外光學系統，其特征在于，所述的分光平 板(2)法線與入射光的光軸成45°夾角;所述的長波反射鏡(4)法線與透射光的光軸成45°夾 角;所述的中波反射鏡(8)法線與反射光的光軸成45°夾角。4. 根據權利要求1所述的一種制冷型雙波段紅外光學系統，其特征在于，所述的第一長 波中繼透鏡(31)的后表面、長波調焦透鏡(5 )的前表面和/或第二中波中繼透鏡(72 )的前表 面為高次非球面。5. 根據權利要求1所述的一種制冷型雙波段紅外光學系統，其特征在于，所述分光平板 (2)上的鍍膜為分光膜。6. 根據權利要求1所述的一種制冷型雙波段紅外光學系統，其特征在于，所述的透鏡材 料為單晶硅或單晶鍺;所述的分光平板(2)采用單晶鍺材料。7. 根據權利要求6所述的一種制冷型雙波段紅外光學系統，其特征在于，所述的第一主 物鏡（11 )、第二主物鏡（12 )、第一長波中繼透鏡(31 )、第二長波中繼透鏡(32 )、長波調焦透 鏡(5)、長波后固定組(6)和第二中波中繼透鏡(72)均為單晶鍺透鏡，所述的分光平板(2)為
【文檔編號】G02B17/08GK106019544SQ201610476895
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月27日
【發明人】郭良賢, 吳耀, 左騰, 耿安兵, 熊濤, 梁娟, 李彪
【申請人】湖北久之洋紅外系統股份有限公司