專利名稱：一種中紅外成像光學系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種成像光學系統(tǒng)，具體涉及一種中紅外成像光學系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
廣義上講，波長從0.9微米到1000微米電磁輻射都可稱之為紅外輻射。大氣對于 不同波段的紅外輻射透過率是不同的，一般說來對于紅外輻射有兩個波段透過率較高，一 個是3微米到5微米，稱之為中紅外波段；另一個是8微米到12微米，稱之為熱紅外波段。同可見光輻射一樣，紅外輻射也是一種電磁波，只不過波長更長一些。紅外輻射也 同樣遵守反射定律和折射定律，因此同樣可以像可見光一樣通過光學系統(tǒng)成像。紅外成像同可見光成像也有許多明顯不同之處首先從目標特性來說，紅外輻射 由目標自身輻射而出，是一種被動成像系統(tǒng)；可見光則是由目標反射其他光源(如太陽)的 輻射，屬于主動成像系統(tǒng)；其次，紅外成像系統(tǒng)的探測器經(jīng)常需要制冷，一般采取的方式是 探測器內(nèi)置冷光闌。探測器制冷可以大大降低暗電流，提高探測器靈敏度。探測器內(nèi)的冷 光闌的作用是攔掉視場外的雜散輻射，從而提高信噪比，所謂100%冷光闌效率的意思是指 冷光闌攔掉所有的雜散輻射，最后探測器的輻射全部來自目標。在紅外光學系統(tǒng)設計中實現(xiàn)100%冷光闌效率大大提到圖像對比度和信噪比，從 而提高圖像質(zhì)量。但是，如果光學系統(tǒng)出瞳和冷光闌位置相差太遠，就很難實現(xiàn)100%冷光 闌效率，或者實現(xiàn)了 100%冷光闌效率，但是導致光學系統(tǒng)實際口徑遠大于光學系統(tǒng)的理論 口徑。要實現(xiàn)光學系統(tǒng)出瞳和冷光闌位置匹配，經(jīng)常通過二次成像，并在一次焦點附近設置 場鏡來實現(xiàn)。在紅外光學系統(tǒng)中，由于紅外光學材料的折射率對溫度變化非常敏感，導致了 紅外光學系統(tǒng)對溫度非常敏感。常用的紅外材料如鍺的折射率對溫度系數(shù)(dn/dT)為 400Χ1(Γ6/Κ，硅的dn/dT約為160 X 1(Γ6/Κ，硫化鋅的dn/dT約為30Χ1(Γ6/Κ。而對于可見 光材料典型的如Bk7，其dn/dT約為1.5Χ10_7Κ。從以上數(shù)據(jù)可以看出，紅外材料的dn/ dT比可見光大一到兩個數(shù)量級。所以設計紅外光學系統(tǒng)時，必須考慮溫度對光學系統(tǒng)的影 響。一般采用所謂無熱化的紅外光學系統(tǒng)就是采取某種補償方法來抵消溫度對光學系統(tǒng)的 影響(一般對系統(tǒng)焦距和后截距的影響)。經(jīng)常采用的方法有鏡筒機械補償和采用衍射光 學元件(具有負的dn/dT)。鏡筒機械補償就是通過對不同光學間隔采用不同膨脹系數(shù)的材 料的方法來補償溫度對光學系統(tǒng)的影響。由于材料膨脹系數(shù)都比較小，系統(tǒng)中必須要有一 些元件，這些元件對光學系統(tǒng)由于溫度變化引起的(焦距和后截距)的變化非常敏感，這樣 才能產(chǎn)生足夠的補償量補償溫度引起的變化。對于口徑較大的光學系統(tǒng)來說，其景深一般都比較小，這就意味著對于不同的物 距，要調(diào)整焦面位置，來保證圖像清晰。一般光學系統(tǒng)都是通過調(diào)整后截距(像面到最后一 面距離)來調(diào)節(jié)像面位置。但是由于制冷型的紅外探測器比較笨重(探測器位于杜瓦瓶 內(nèi))，后截距調(diào)整起來非常困難，經(jīng)常通過調(diào)整光學系統(tǒng)內(nèi)部某一組鏡片來實現(xiàn)對焦面位置 的調(diào)整。[0008]
實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于提供一種中紅外成像光學系統(tǒng)，其整個光學系統(tǒng)小巧緊 湊、且像質(zhì)良好，在161p/mm時傳遞函數(shù)大于0. 6，視場畸變小于5% ；解決了背景技術(shù)中制 冷探測器的光學系統(tǒng)后截距調(diào)整困難的技術(shù)問題，并且可以通過控制后組位置來補償由于 溫度變化引起的離焦，從而使系統(tǒng)可在很大溫度范圍正常工作，而不需重新調(diào)焦。本實用新型的技術(shù)解決方案是一種中紅外成像光學系統(tǒng)，包括位于同一光軸00'的前組鏡頭、后組鏡頭以及探 測器，目標經(jīng)前組鏡頭成一次實像于后組鏡頭前，一次實像經(jīng)后組鏡頭二次成像于焦平面， 其特殊之處在于所述前組鏡頭焦距為50mm，總焦距為200mm ；所述后組鏡頭放大率為4 ； 其一次像距每減小1個單位，則像面增加約16個單位；所述探測器為冷光闌探測器。上述前組鏡頭包括依次同向設置的四個鏡，分別為前組一鏡、前組二鏡、前組三鏡 以及前組四鏡；所述前組一鏡、前組二鏡以及前組四鏡均為硅磨制而成的正光焦度彎月鏡； 所述前組三鏡為鍺磨制而成的負光焦度彎月鏡。上述后組鏡頭包括依次設置的后組一鏡、后組二鏡以及后組三鏡；所述后組一鏡 與后組三鏡均為一由硅磨制而成的正光焦度彎月鏡，所述后組二鏡為一由硅磨制而成的正 光焦度平凸鏡，所述后組一鏡與后組三鏡方向相反。上述冷光闌探測器包括依次設置的探測器窗口、冷光闌、濾光片以及焦平面。上述冷光闌探測器能實現(xiàn)100%冷光闌效率，成像效果佳。本實用新型整個光學系統(tǒng)工作于中紅外波段，焦距200mm，F(xiàn)數(shù)為2. 5，全視場 3. 5。，第一面到像面總長100mm，系統(tǒng)第一面口徑最大，為86mm ；整個系統(tǒng)非常小巧緊湊，系 統(tǒng)總長比焦距僅為1 :2，系統(tǒng)光學口徑為80mm，而系統(tǒng)中口徑最大鏡片直徑為86mm，具有大 口徑、小體積的優(yōu)點；并且整個系統(tǒng)像質(zhì)良好，在161p/mm時傳遞函數(shù)大于0. 6，視場畸變小 于5%。
圖1是整個光學系統(tǒng)圖；圖2是光學系統(tǒng)的像差曲線圖；圖3是光學系統(tǒng)的球差、像散和畸變曲線圖；圖4是光學系統(tǒng)的傳遞函數(shù)圖。
具體實施方式
附圖標號說明1-前組鏡頭，11-前組一鏡，12-前組二鏡，13-前組三鏡，14-前組 四鏡，2-后組鏡頭，21-后組一鏡，22-后組二鏡，23-后組三鏡，3-探測器，31-探測器窗口， 32-冷光闌，33-濾光片，34-焦平面。參見圖1，一種中紅外成像光學系統(tǒng)，包括位于同一光軸00'的前組鏡頭、后組鏡 頭以及探測器，目標經(jīng)前組鏡頭成一次實像于后組鏡頭前，一次實像經(jīng)后組鏡頭二次成像 于焦平面，前組鏡頭焦距為50mm，總焦距為200mm ；后組鏡頭放大率為4 ；其一次像距每減小 1個單位，則像面增加約16個單位；所述探測器為冷光闌探測器，冷光闌探測器包括依次設 置的探測器窗口、冷光闌、濾光片以及焦平面，冷光闌探測器能實現(xiàn)100%冷光闌效率，成像 效果佳。其中前組鏡頭包括依次同向設置的四個鏡，分別為前組一鏡、前組二鏡、前組三鏡以及前組四鏡；前組一鏡、前組二鏡以及前組四鏡均為一由硅磨制而成的正光焦度彎月 鏡；前組三鏡為一由鍺磨制而成的負光焦度彎月鏡。其中后組鏡頭包括依次設置的后組一鏡、后組二鏡以及后組三鏡；所述后組一鏡 與后組三鏡均為硅磨制而成的正光焦度彎月鏡，后組二鏡為硅磨制而成的正光焦度平凸 鏡，后組一鏡與后組三鏡方向相反。工作時，目標經(jīng)前組鏡頭成一次實像于后組鏡頭前，一次實像經(jīng)后組鏡頭二次成 像于焦平面。前組鏡頭焦距為50mm，總焦距為200mm，可得后組鏡頭放大率為4，一次像距每 減小1個單位，則像面增加約16個單位，也就是說后組鏡頭每向前移動一個單位，像面向后 移動約16個單位。由于后組鏡頭位置對于像面位置非常敏感，這對調(diào)節(jié)不同物距的造成離 焦和由于溫度變化引起的離焦補償都是十分有利的。由于前組鏡頭焦距非常短，使得一次 像面較小，此位置非常適合放置高低溫標定黑體。
權(quán)利要求一種中紅外成像光學系統(tǒng)，包括位于同一光軸OO′的前組鏡頭、后組鏡頭以及探測器，目標經(jīng)前組鏡頭成一次實像于后組鏡頭前，一次實像經(jīng)后組鏡頭二次成像于焦平面，其特征在于所述前組鏡頭焦距為50mm，總焦距為200mm；所述后組鏡頭放大率為4；其一次像距每減小1個單位，則像面增加約16個單位；所述探測器為冷光闌探測器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述中紅外成像光學系統(tǒng)，其特征在于所述前組鏡頭包括依次同 向設置的四個鏡，分別為前組一鏡、前組二鏡、前組三鏡以及前組四鏡；所述前組一鏡、前組 二鏡以及前組四鏡均為硅磨制而成的正光焦度彎月鏡；所述前組三鏡為鍺磨制而成的負光 焦度彎月鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述中紅外成像光學系統(tǒng)，其特征在于所述后組鏡頭包括依次設 置的后組一鏡、后組二鏡以及后組三鏡；所述后組一鏡與后組三鏡均為硅磨制而成的正光 焦度彎月鏡，所述后組二鏡為硅磨制而成的正光焦度平凸鏡，所述后組一鏡與后組三鏡方 向相反。
4.根據(jù)權(quán)利要求1 3任一所述中紅外成像光學系統(tǒng)，其特征在于所述冷光闌探測 器包括依次設置的探測器窗口、冷光闌、濾光片以及焦平面。
專利摘要一種中紅外成像光學系統(tǒng)，包括位于同一光軸OO′的前組鏡頭、后組鏡頭以及探測器，目標經(jīng)前組鏡頭成一次實像于后組鏡頭前，一次實像經(jīng)后組鏡頭二次成像于焦平面，前組鏡頭焦距為50mm，總焦距為200mm；后組鏡頭放大率為4；其一次像距每減小1個單位，則像面增加約16個單位；探測器為冷光闌探測器。本實用新型小巧緊湊、且像質(zhì)良好；本實用新型通過控制后組位置來補償由于溫度變化引起的離焦，從而使系統(tǒng)可在很大溫度范圍正常工作，而不需重新調(diào)焦。
文檔編號G01J5/08GK201666972SQ20092003321
公開日2010年12月8日 申請日期2009年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月20日
發(fā)明者李婷, 李福 , 楊建峰, 薛彬, 阮萍, 馬小龍 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所