制冷型大相對孔徑超廣角紅外光學系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】：
[0001] 本專利設及一種紅外光學系統(tǒng)，具體設及一種制冷型大相對孔徑超廣角紅外光學 系統(tǒng)。
【背景技術】：
[0002] 廣角光學系統(tǒng)通常采用對稱型結構形式。對稱型光學系統(tǒng)的光闊位于鏡頭中 部，前后半部透鏡鏡組相對光闊對稱。根據(jù)幾何光學與像差理論，在對稱型結構型式下， 光學系統(tǒng)的垂軸像差可自動消除，只需矯正球差、像散、場曲和位置色差，即可校正全部走 種像差。典型的對稱型光學系統(tǒng)比如雙高斯物鏡，應用十分廣泛，衍生型式豐富。對稱型 光學系統(tǒng)有利于大視場大相對孔徑的實現(xiàn)，還可W做到結構緊湊，因此廣角光學系統(tǒng)通常 采用對稱型結構形式，其光闊大都位于鏡頭內部。相關的專利很多，比如專利申請?zhí)枮?CN201310521802. 2的《一種超廣角鏡頭》專利，共五片透鏡，其光闊位于第S四透鏡之間； 再比如專利申請?zhí)枮镃N201410255337. 7的《一種新型的超廣角鏡頭》專利，共八片透鏡，其 光闊位于第四五透鏡之間；再比如專利申請?zhí)枮镃N201410124548. 7的《一種紅外共焦光學 系統(tǒng)》專利，共六片透鏡，其光闊位于第二=透鏡之間。
[0003] 制冷型紅外探測器與非制冷型紅外探測器相比，由于其工作溫度較低，通常可實 現(xiàn)更高的信噪比、更高的探測率、更長的響應波長和更短的響應時間。紅外光學系統(tǒng)與制冷 型紅外探測器搭配使用，能獲得更遠的探測距離。因此，對于性能要求較高的場合，需要選 用制冷型紅外探測器。
[0004] 但相應的，為了減少背景噪聲，制冷型紅外探測器的杜瓦內部設置了冷光闊。與制 冷型紅外探測器搭配使用的紅外光學系統(tǒng)，需要將光學系統(tǒng)的孔徑光闊與探測器冷光闊完 全匹配，才能將背景熱噪聲的影響降至最低，實現(xiàn)最佳的成像性能。因此，光闊位于中間的 對稱型結構的廣角光學系統(tǒng)，無法與制冷型探測器匹配。
[0005] 與制冷型探測器匹配的紅外廣角光學系統(tǒng)的相關專利，目前查到很少。比如專利 申請?zhí)枮镃N201410364937. 7的《紅外光學系統(tǒng)及紅外光學設備》專利，共一片杜瓦瓶窗口 和=片透鏡，全部透鏡位于杜瓦瓶內部，光闊位于第二透鏡和第=透鏡之間。該種作法有一 定新意，但仍采用了對稱的結構形式，需要特別定制杜瓦瓶，使得杜瓦瓶的尺寸明顯增大， 對于抽真空的要求相應也要大幅提高，不利于后期維護，降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。并且所有鏡 片均安裝在杜瓦瓶內部，對于裝配光校等操作都相當不便。其它的紅外廣角光學系統(tǒng)，大都 與非制冷型紅外探測器匹配，目前還沒有查到與制冷型紅外探測器匹配的廣角紅外光學系 統(tǒng)專利。

【發(fā)明內容】
：
[0006] 本專利的目的在于，提供一種制冷型大相對孔徑超廣角紅外光學系統(tǒng)，解決普通 廣角光學系統(tǒng)采用對稱型結構，光闊位于光學系統(tǒng)內部，無法與制冷型探測器的冷光闊匹 配的問題。
[0007] 本專利的光學系統(tǒng)適用于機載環(huán)境，可用于地溫監(jiān)測、林火監(jiān)測等災害預報與分 析，比如探測地熱場基礎數(shù)據(jù)和異常數(shù)據(jù)，W便實現(xiàn)后續(xù)紅外地溫異常提取和地震預測。為 了獲得更好的性能，系統(tǒng)采用制冷型紅外探測器，光學系統(tǒng)光闊與探測器冷光闊100%匹 配。常規(guī)情況下，光闊位于中間的對稱型結構，更有助于實現(xiàn)大視場、大相對孔徑、結構緊湊 的設計目標，但該種對稱型結構無法實現(xiàn)冷光闊匹配。
[000引本專利提供了一種四片折射式的大相對孔徑超廣角中波紅外光學系統(tǒng)，與制冷型 探測器匹配，該系統(tǒng)冷光闊效率100%，可W較好地抑制雜散光。從第一透鏡1的前表面到 制冷型紅外探測器像面7的距離不超過70mm。四片透鏡的總重量不超過8克。體積極小， 重量極輕，適用于機載體積重量嚴格受限的環(huán)境。系統(tǒng)F/#<2,具有大相對孔徑的特點。系 統(tǒng)的全視場角FOV^ 120°，具有超廣角的能力。系統(tǒng)僅由四片小口徑鏡片組成，結構簡單， 成本低，且有效提高了光學系統(tǒng)透過率。在201p/mm處的光學系統(tǒng)邊緣視場傳遞函數(shù)值達 到了 60%W上，且各視場點列圖的均方根半徑均小于lOum，即各視場點列圖彌散斑均位于 探測器30um大小的單個像元內，由此認為本光學系統(tǒng)具有良好的像質與清晰度。
[0009] 本專利是通過W下技術方案實現(xiàn)的；用于紅外成像的光學系統(tǒng)從物方至像方按順 序由第一透鏡1，第二透鏡2,第=透鏡3,第四透鏡4,杜瓦窗口 5,孔徑光闊6組成。該光學 系統(tǒng)W紅外探測器的冷光闊為其孔徑光闊。來自物方的光束依次通過第一透鏡1，第二透鏡 2，第S透鏡3，第四透鏡4，杜瓦窗口 5，孔徑光闊6，在像面7上成像。
[0010] 第一透鏡1是錯球面透鏡，第二透鏡2是錯材料制成的非球面透鏡，其前表面S2-1 是非球面，第=透鏡3是氣化領球面透鏡，第四透鏡4是娃球面透鏡，杜瓦窗口 5是娃平板； 所述孔徑光闊6與紅外探測器冷光闊位置和大小重合。
[0011] 本光學系統(tǒng)在第二透鏡2的錯材料上使用了非球面來進一步消除像差，增大視 場。通常情況下，錯材料比娃材料的硬度低，因此，更適合于加工非球面。
[0012] 本光學系統(tǒng)的第=透鏡3使用了低折射率、高色散的氣化領材料，它與其它材料 搭配使用，可W優(yōu)化軸向色差
[0013] 其中，第一透鏡1和第二透鏡2組成了具有負光焦度的前透鏡群組，第S透鏡3和 第四透鏡4組成了具有正光焦度的后透鏡群組，負組在前，正組在后。前透鏡群組和后透鏡 群組共同組成了反遠距攝影的結構型式。采用反遠距的結構型式可W將主面后移，便于實 現(xiàn)冷光闊匹配的應用目標。
[0014] 對稱型結構的廣角物鏡的一個重要問題是視場邊緣照度顯著降低。而本專利采用 的是反遠距型的結構型式，負組在前，正組在后，從而控制邊緣視場主光線射入探測器的角 度較小，因此其視場邊緣照度下降并不明顯。本專利的光學系統(tǒng)的像面相對照度圖如圖4 所示，邊緣視場與中屯、視場相比的照度下降不超過5 %。
[0015] 本專利的優(yōu)點在于，它具有大相對孔徑、超廣角120°清晰成像、100%冷光闊匹 配、像質接近衍射限、體積小、重量輕、照度均勻的優(yōu)點。
【附圖說明】：
[0016] 圖1為本專利的光學系統(tǒng)具體結構示意圖。
[0017] 圖2為本專利的光學系統(tǒng)的調制傳遞函數(shù)圖。
[001引圖3為本專利的光學系統(tǒng)的點列圖。
[0019] 圖4為本專利的光學系統(tǒng)的像面相對照度圖。
[0020] 圖1中，1代表第一透鏡，Sl-I代表第一透鏡前表面，S1-2代表第一透鏡后表面， 2代表第二透鏡，S2-1代表第二透鏡前表面，S2-2代表第二透鏡后表面，3代表第=透鏡， S3-1代表第=透鏡前表面，S3-2代表第=透鏡后表面，4代表第四透鏡，S4-1代表第四透鏡 前表面，S4-2代表第四透鏡后表面，5代表杜瓦窗口，S5-1代表杜瓦窗口前表面，S5-2代表 杜瓦窗口后表面，6代表孔徑光闊，7代表像面。
【具體實施方式】：
[0021] 按照附圖1的示意圖所標示，本專利的制冷型大相對孔徑超廣角紅外光學系統(tǒng)， 透鏡組參數(shù)如表1所示，非球面數(shù)據(jù)如表2所示：
[0022] 表1透鏡組參數(shù)
[0023]
sFi [O [O 1-1.439E-4 |-9. 196E-7 |_2.692E-8
[0026] 本專利未經描述的技術特征可W通過現(xiàn)有技術實現(xiàn)，在此不再寶述。當然，上述說 明僅為本專利的較佳實施例而已，并非是對本專利的限制，本專利也并不僅限于上述舉例， 本技術領域的普通技術人員在本專利的實質范圍內所做出的變化、改型、添加或替換，例如 把娃/錯/氣化領材料進行相應的替換，也應屬于本專利的保護范圍。
【主權項】
1. 一種制冷型大相對孔徑超廣角紅外光學系統(tǒng)，包括由第一透鏡（1)和第二透鏡（2) 組成的負光焦度的前透鏡群組和由第三透鏡（3)和第四透鏡（4)組成的正光焦度的后透鏡 群組，其特征在于，來自無窮遠物方的平行光束依次通過前透鏡群組，后透鏡群組，杜瓦窗 口（5)，孔徑光闌（6)，在像面（7)上成像；其中第一透鏡（1)是鍺球面透鏡，第二透鏡（2) 是鍺材料制成的非球面透鏡，第二透鏡前表面（S2-1)是非球面；第三透鏡（3)是氟化鋇球 面透鏡，第四透鏡（4)是硅球面透鏡；杜瓦窗口（5)是硅平板；所述孔徑光闌（6)與紅外探 測器冷光闌位置和大小重合。
【專利摘要】本專利公開了一種制冷型大相對孔徑超廣角紅外光學系統(tǒng)。采用制冷型紅外探測器，光學系統(tǒng)光闌與探測器冷光闌100％匹配。本廣角光學系統(tǒng)，采用了反遠距型非對稱結構形式，大相對孔徑、超120°廣角成像。本專利的優(yōu)點在于：系統(tǒng)像質接近衍射限、體積小、重量輕、照度均勻。
【IPC分類】G02B13/18, G02B1/00, G02B13/14
【公開號】CN204679709
【申請?zhí)枴緾N201520371944
【發(fā)明人】于洋, 高思莉
【申請人】中國科學院上海技術物理研究所
【公開日】2015年9月30日
【申請日】2015年6月2日