專利名稱：雙色雙視場紅外成像光學系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學系統(tǒng)，特別涉及一種紅外雙色探測器雙視場成像系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
紅外光學系統(tǒng)是紅外熱成像系統(tǒng)中不可缺少的部分，其主要功能在于收集目標輻射的能量和控制成像質(zhì)量?，F(xiàn)有紅外光學系統(tǒng)基本都是單波段工作，在實際應用中存在著一定的局限性，例如，在實際應用中，由于目標的偽裝，單一波段的信息減弱，輻射波段移動等，使成像系統(tǒng)不能探測到目標存在或探測的準確度下降。而雙波段紅外光學系統(tǒng)能在存在雜亂回波的情況下探測目標，區(qū)分目標和誘餌，并能使施放煙霧、進行偽裝以及發(fā)射照明彈之類的紅外對抗措施失效。另外，為了滿足對特定的視場范圍內(nèi)同時進行瞄準和搜索的要求，就必須采用雙視場紅外光學系統(tǒng)。因此，對雙色雙視場紅外光學系統(tǒng)的研究就成為一種必然趨勢。雙波段熱成像紅外光學系統(tǒng)，通常由兩種方式構(gòu)成一是采用分光路的方式來實現(xiàn)，如圖ι所示1為系統(tǒng)中的共用物鏡組，2為分束鏡，3為一支分光路中的光學元件，6為另一支光路中的折轉(zhuǎn)反射鏡，7為另一支光路中的光學元件，S卩1、2、3構(gòu)成一支光路，實現(xiàn)一個波段的成像；1、2、6、7構(gòu)成另一支光路，實現(xiàn)另外一個波段的成像。該系統(tǒng)中需要兩個響應不同波段的探測器來接收各自光路所成的像；二是用一個共光路的方式實現(xiàn)，如圖2 所示，8為物鏡組，這種光學系統(tǒng)通過共用的物鏡組直接成像到像面，再共用一個雙色(雙波段)探測器即可實現(xiàn)雙色(雙波段)成像。但是，現(xiàn)有的兩種雙波段熱成像系統(tǒng)存在以下不足前者結(jié)構(gòu)復雜、體積龐大、安裝困難、能量衰減嚴重；后者結(jié)構(gòu)簡單，但采用一次成像的方式，光學系統(tǒng)口徑大；二者的共同缺陷是都是單視場鏡頭，不能滿足復雜情況下搜索和瞄準任務的要求。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有雙色紅外光學系統(tǒng)存在的不足，本發(fā)明提供一種新的僅由五片透鏡構(gòu)成的雙色雙視場紅外光學系統(tǒng)，在不需要移動何光學元件進行補償?shù)那闆r下即可實現(xiàn)雙波段復合成像，同時滿足中波紅外4um 5um和長波紅外Sum 9um兩個波段的成像需求，利用結(jié)構(gòu)簡單的雙視場切換方式，可實現(xiàn)搜索(寬視場)和瞄準(窄視場)功能，同時還兼顧了紅外系統(tǒng)小型化、輕型化的要求。本發(fā)明的技術(shù)方案是光學系統(tǒng)由前固定組、變倍組和后固定組五片透鏡組成，其中，前固定組透鏡由兩片透鏡組成，變倍組透鏡由一片透鏡組成，后固定組透鏡由兩片透鏡組成。變倍組透鏡通過在一次像面的前后軸向移動來實現(xiàn)寬、窄視場的切換。光學系統(tǒng)設(shè)計中通過采用二元衍射面，達到不需要移動或切換任何光學元件進行補償即可實現(xiàn)雙波段實時、同時穩(wěn)定成像，移動變倍組透鏡僅是為了切換大小視場，與雙波段成像無關(guān)。五片透鏡中，使用二元衍射面的透鏡為第二透鏡的第二面和第四透鏡的第二面。本發(fā)明雙視場的工作原理是景物目標的輻射光線首先經(jīng)過前固定組和變倍組構(gòu)成的物鏡組后會聚，形成一次像面，此時，后固定組對一次像面進行二次成像，實現(xiàn)窄視場系統(tǒng)；或景物目標的輻射光線首先經(jīng)過前固定組后會聚，形成一次像面，此時，變倍組和后固定組構(gòu)成的中繼組對一次像面進行二次成像，實現(xiàn)寬視場系統(tǒng)。系統(tǒng)窄視場時的有效焦距與寬視場時的有效焦距之比就是該光學系統(tǒng)的變倍比。本發(fā)明實現(xiàn)雙波段的原理是傳統(tǒng)的紅外光學系統(tǒng)由于受紅外光學元件性能的限制很難對4um 5um和8um 9um兩個波段同時成像，這主要是由于其初始結(jié)構(gòu)參數(shù)在滿足系統(tǒng)光焦度方程的同時，還要對兩個波段同時消色差。由于衍射透鏡的色散只與波長有關(guān)，與材料無關(guān)，另外其阿貝數(shù)的絕對值相對傳統(tǒng)玻璃或者晶體的阿貝數(shù)較小并且總為負值，說明衍射光學元件具有較強的色散，同時其色散與折射元件的色散相反，這為系統(tǒng)的消色差提供了可能。在本發(fā)明中，通過合理的設(shè)計并加入衍射透鏡，校正了光學系統(tǒng)的色差， 使系統(tǒng)可以滿足使用要求。本發(fā)明通過實際試用證明光學結(jié)構(gòu)簡單緊湊，系統(tǒng)體積小，透鏡數(shù)量少。系統(tǒng)在實現(xiàn)搜索(寬視場9° Χ6·75° )和瞄準(窄視場3° Χ2·25° )功能的同時，可以對中波紅外4um 5um和長波紅外8um 9um兩個波段同時成像，系統(tǒng)設(shè)計中還兼顧了紅外系統(tǒng)小型化、輕型化的要求。


圖1，是現(xiàn)有的不共光路雙色紅外光學系統(tǒng)圖。圖2，是現(xiàn)有的共光路、單視場、一次成像的雙色紅外光學系統(tǒng)圖。圖3，是本發(fā)明的光學系統(tǒng)圖。圖中，1為共用物鏡組，2為分束鏡，3為一支分光路中的光學元件，6為另一支光路中的折轉(zhuǎn)反射鏡，7為另一支光路中的光學元件，8為物鏡組，9為前固定組，10為變倍組，11 為后固定組。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖，通過實施例對本發(fā)明進行詳細描述。如附圖3所示，本發(fā)明所述的雙色雙視場紅外成像光學系統(tǒng)，由前固定組9，變倍組10和后固定組11共五片透鏡組成，從左到右依次確定為第一至第五透鏡，變倍組10沿軸向前移到一次像面的前面，與前固定組9構(gòu)成物鏡，實現(xiàn)窄視場；變倍組10沿軸向后移到一次像面的后面，與后固定組11構(gòu)成中繼組，實現(xiàn)寬視場；從而實現(xiàn)窄、寬視場的切換。光學系統(tǒng)的變倍方式采用變倍組10在一次像面的前、后做軸向平移實現(xiàn)變倍，其變倍比達到 3倍，變倍組10可沿軸向前后移動30mm。同時，變倍組10還具有完成光學系統(tǒng)的調(diào)焦和熱補償?shù)墓δ?，其調(diào)焦范圍為士5mm。本發(fā)明所述的雙色雙視場紅外成像光學系統(tǒng)，在不需要移動何光學元件進行補償?shù)那闆r下即可實現(xiàn)雙波段復合成像，即可同時實時的對中波紅外4um 5um和長波紅外 Sum 9um的成像。此外，該光學系統(tǒng)采用二次成像的形式，可滿足冷屏效率100%，并有效壓縮系統(tǒng)口徑。該光學系統(tǒng)的五片透鏡所用的材料依次為第一透鏡為GARIR2，第二透鏡為鍺， 第三透鏡為鍺，第四透鏡為GARIR2，第五透鏡為GARIR2，。GARIR2為硫系玻璃，它的化學組份為Ge20Sbl5%65。另外，還可以把光學系統(tǒng)中所有GARIR2材料的透鏡替換為硒化鋅，產(chǎn)生第二組材料序列。該光學系統(tǒng)的特點是①通過五片折射透鏡實現(xiàn)了一個共光路的雙色雙視場成像光學系統(tǒng)，在滿足雙視場成像的前提下，同時可滿足雙波段成像要求，即可以同時滿足中波紅外4um 5um和長波紅外8um 9um兩個波段的成像需求；②在不需要移動何光學元件進行補償?shù)那闆r下，即可實現(xiàn)雙波段共光路復合成像。另外，采用二次成像光學結(jié)構(gòu)，便于與制冷型焦平面探測器相匹配，確保冷屏效率達100%，并有效壓縮系統(tǒng)口徑。③通過變倍組10沿軸向前移到一次像面前面，與前固定組9構(gòu)成物鏡，實現(xiàn)窄視場；通過變倍組2沿軸向后移到一次像面后面，與后固定組11構(gòu)成中繼組，實現(xiàn)寬視場；從而實現(xiàn)窄、寬視場的切換，既改變了一次像面的位置，又改變了光學系統(tǒng)的焦距，并確保光學系統(tǒng)像面保持穩(wěn)定不變，成像質(zhì)量接近衍射限。④僅需要一個機電裝置和移動一個變倍組10就能夠?qū)崿F(xiàn)雙視場切換功能，變倍組10僅在一次像面前、后的兩個位置有效。當變倍組10完成兩個變倍功能后，還具有近距離調(diào)焦，環(huán)境溫度變化的溫度補償功能，當光學系統(tǒng)工作在惡劣環(huán)境下或者觀察不同距離的目標時，光學系統(tǒng)像面會移動，造成成像變得模糊，此時微量移動變倍組10 可以解決問題；⑤光學透鏡少，僅使用五片透鏡，確保系統(tǒng)透過率高，質(zhì)量輕，體積??；⑥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸短，系統(tǒng)總長小于130mm?？傊?，本發(fā)明通過在一次像面前、后沿軸向移動一組變倍透鏡，實現(xiàn)雙色雙視場紅外成像光學系統(tǒng)的研制，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕，可以滿足復雜環(huán)境下識別偽裝以及完成搜索和瞄準任務的需求。本發(fā)明的主要光學性能參數(shù)如下
權(quán)利要求
1.雙色雙視場紅外成像光學系統(tǒng)，其特征在于由前固定組(9)、變倍組(10)和后固定組(11)共五片透鏡組成，其中，前固定組透鏡由兩片透鏡組成，變倍組透鏡由一片透鏡組成，后固定組透鏡由兩片透鏡組成，變倍組透鏡可以在一次像面的前、后作軸向移動，五片透鏡中，使用二元衍射面的透鏡為第二透鏡的第二面和第四透鏡的第二面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙視場紅外成像光學系統(tǒng)，其特征在于變倍組(10)沿軸向前移到一次像面的前面，與前固定組(9)構(gòu)成物鏡組，目標的紅外輻射光線經(jīng)過前固定組(9) 和變倍組(10)構(gòu)成的物鏡組后會聚，形成一次像面，再由后固定組(11)對一次像面進行二次成像，實現(xiàn)3° X2. 25°的窄視場。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙視場紅外成像光學系統(tǒng)，其特征在于變倍組(10)沿軸向后移到一次像面的后面，與后固定組(11)構(gòu)成中繼組，目標的紅外輻射光線經(jīng)過前固定組 (9)后會聚，形成一次像面，再由變倍組(10)和后固定組(11)構(gòu)成的中繼組對一次像面進行二次成像，實現(xiàn)9° X 6. 75°的寬視場。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙視場紅外成像光學系統(tǒng)，其特征在于能實現(xiàn)中波紅外 4um 5um和長波紅外8um 9um兩個波段實時、同時穩(wěn)定成像。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙視場紅外成像光學系統(tǒng)，其特征在于透鏡使用的材料為第一透鏡為GARIR2，第二透鏡為鍺，第三透鏡為鍺，第四透鏡為GARIR2，第五透鏡為GARIR2， GARIR2為硫系玻璃，它的化學組份為Ge20Sbl5k65。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙視場紅外成像光學系統(tǒng)，其特征在于透鏡使用的材料為第一透鏡為硒化鋅，第二透鏡為鍺，第三透鏡為鍺，第四透鏡為硒化鋅，第五透鏡為硒化鋅。
全文摘要
雙色雙視場紅外成像光學系統(tǒng)，其特征在于由前固定組(9)、變倍組(10)和后固定組(11)共五片透鏡組成，其中，前固定組透鏡由兩片透鏡組成，變倍組透鏡由一片透鏡組成，后固定組透鏡由兩片透鏡組成，變倍組透鏡可以在一次像面的前、后作軸向移動來實現(xiàn)寬、窄視場的切換，五片透鏡中，使用二元衍射面的透鏡為第二透鏡的第二面和第四透鏡的第二面。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單緊湊，系統(tǒng)體積小，透鏡數(shù)量少，在實現(xiàn)搜索(寬視場9°×6.75°)和瞄準(窄視場3°×2.25°)功能的同時，可以對中波紅外4um～5um和長波紅外8um～9um兩個波段同時成像，系統(tǒng)設(shè)計兼顧了紅外系統(tǒng)小型化、輕型化的要求，滿足了紅外系統(tǒng)的使用技術(shù)要求。
文檔編號G01J5/54GK102269871SQ201110198848
公開日2011年12月7日 申請日期2011年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月15日
發(fā)明者于振龍, 徐曼, 曹凌, 朱繼航, 李萍, 楊開宇, 陳呂吉, 陳津津 申請人:昆明物理研究所