專利名稱：一種雙波段紅外成像光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本專利涉及紅外光學(xué)系統(tǒng)，特別涉及一種中波紅外(Μ Κ，3-5μπι)和長(zhǎng)波紅外 (LWIR,8-12ym)波段的成像光學(xué)物鏡系統(tǒng)。
技術(shù)背景隨著紅外量子阱探測(cè)器技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)可以只用一個(gè)探測(cè)器來(lái)同時(shí)響應(yīng)中波紅外和長(zhǎng)波紅外的熱輻射。這使得整個(gè)熱成像系統(tǒng)需要一個(gè)成像物鏡同時(shí)可以對(duì)中波和長(zhǎng)波成像。紅外系統(tǒng)常使用反射式系統(tǒng)和折射式系統(tǒng)。反射式系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)是無(wú)色差，系統(tǒng)光線透過率較高，然而反射系統(tǒng)的缺點(diǎn)也很明顯，存在中心遮擋問題。制冷型紅外探測(cè)器一般都需要設(shè)計(jì)冷光闌。當(dāng)有冷光闌存在時(shí)，反射式光學(xué)系統(tǒng)的視場(chǎng)角一般都做不大。折射式系統(tǒng)則一般不存在類似問題，但折射式系統(tǒng)一般是用于單一中波紅外或者長(zhǎng)波紅外。這是由于一般紅外光學(xué)材料在中波和長(zhǎng)波時(shí)，表現(xiàn)得很不一樣，比如鍺材料的色散性質(zhì)在中波波段像火石玻璃，而在長(zhǎng)波波段像冕牌玻璃。這些性質(zhì)使光學(xué)系統(tǒng)在中波和長(zhǎng)波同時(shí)消色差加大了難度。非球面技術(shù)在近二十年來(lái)在光學(xué)系統(tǒng)中得到越來(lái)越多的應(yīng)用，尤其是在紅外光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上。紅外光學(xué)設(shè)計(jì)可選透鏡材料少，且價(jià)格昂貴，要在十分有限的結(jié)構(gòu)變量中消像差，非球面技術(shù)可以提供更多的優(yōu)化自由度?，F(xiàn)今非球面加工技術(shù)已經(jīng)成熟，適當(dāng)?shù)厥褂梅乔蛎嬖O(shè)計(jì)可以顯著地提高成像系統(tǒng)的像質(zhì)。
發(fā)明內(nèi)容本專利提出了一個(gè)四片折射式的紅外中長(zhǎng)波雙波段成像光學(xué)系統(tǒng)，可用于制冷式紅外焦平面探測(cè)器。該系統(tǒng)冷光闌效率100%，可以較好地抑制雜散光。該光學(xué)系統(tǒng)使用的均是比較常見的紅外光學(xué)材料鍺，AMI1R1，硫化鋅。本專利是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的用于紅外焦平面成像的光學(xué)系統(tǒng)從物方至像方按順序由第一透鏡1，第二透鏡2，第三透鏡3，第四透鏡4，杜瓦窗口 5，孔徑光闌6組成。 該光學(xué)系統(tǒng)以紅外焦平面探測(cè)器的冷光闌為其孔徑光闌。來(lái)自物方的光束依次通過第一透鏡1，第二透鏡2，第三透鏡3，第四透鏡4，杜瓦窗口 5，孔徑光闌6，在像面7上成像。其中， 所述的第一透鏡1是AMTIRl材料制成的正透鏡，所述的第二透鏡2是用鍺材料制成的負(fù)焦透鏡，所述的第三透鏡3和所述的第四透鏡4是用硫化鋅材料制成的彎月型負(fù)透鏡，第四透鏡4的第一面S7為圓錐曲線非球面，所述的杜瓦窗口 5是鍺材料的平行平板。鍺在中波的色散較大，在長(zhǎng)波的色散較小，而硫化鋅在中波的色散較小，而在長(zhǎng)波的色散較大。所以在中波波段，第一透鏡產(chǎn)生的負(fù)色差和第二透鏡產(chǎn)生的正色差抵消；而在長(zhǎng)波波段，第一透鏡產(chǎn)生的負(fù)色差與第三和第四透鏡產(chǎn)生正色差抵消。本光學(xué)系統(tǒng)在尺寸最小的第四透鏡上使用了非球面來(lái)進(jìn)一步消除像差，優(yōu)化像質(zhì)。本專利的光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)接近衍射極限。本專利的光學(xué)系統(tǒng)的孔徑光闌與紅外焦平面探測(cè)器冷光闌位置大小重合，使得通過紅外光學(xué)系統(tǒng)的紅外輻射全部進(jìn)入紅外焦平面探測(cè)器，有效地阻止了雜散光進(jìn)入焦平面，保證了紅外焦平面探測(cè)器的良好性能。紅外光學(xué)材料一般價(jià)格昂貴，本專利的光學(xué)系統(tǒng)只用4片透鏡，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本相對(duì)低廉。且4片透鏡的結(jié)構(gòu)可以保證整個(gè)系統(tǒng)的透過率較高，從而提高整個(gè)紅外探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)距離。

圖1為本專利光學(xué)系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本專利的光學(xué)系統(tǒng)在紅外中波(3-5 μ m)下的調(diào)制傳遞函數(shù)。圖3為本專利的光學(xué)系統(tǒng)在紅外長(zhǎng)波(8_12μπι)下的調(diào)制傳遞函數(shù)。
具體實(shí)施方式
按照附圖1的示意圖所標(biāo)示，本專利的四片折射式的紅外中長(zhǎng)波雙波段成像光學(xué)系統(tǒng)，透鏡組參數(shù)如下表所示
權(quán)利要求1.一種雙波段紅外成像光學(xué)系統(tǒng)，包括第一透鏡(1)、第二透鏡(2)、第三透鏡(3)、第四透鏡(4)、杜瓦窗口(5)和孔徑光闌(6)，其特征在于來(lái)自物方的光束依次通過第一透鏡(1)、第二透鏡(2)、第三透鏡(3)、第四透鏡(4)、杜瓦窗口 (5)和孔徑光闌(6)后在像面 (7)上成像；其中，所述的第一透鏡(1)是AMTIRl材料制成的正透鏡，所述的第二透鏡(2) 是用鍺材料制成的負(fù)焦透鏡，所述的第三透鏡(3)和所述的第四透鏡(4)是用硫化鋅材料制成的彎月型負(fù)透鏡，所述的杜瓦窗口(5)是鍺材料的平行平板。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙波段紅外成像光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，第四透鏡(4)的第一面(S7)為圓錐曲線非球面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙波段紅外成像光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述的孔徑光闌(7)與紅外焦平面探測(cè)器冷光闌位置和大小重合。
專利摘要本專利公開了一種雙波段紅外成像光學(xué)系統(tǒng)，它主要用于紅外焦平面成像系統(tǒng)。本專利提出一種四片式的光學(xué)系統(tǒng)，來(lái)自無(wú)窮遠(yuǎn)物方的光束依次通過第一透鏡，第二透鏡，第三透鏡，第四透鏡，杜瓦窗口，孔徑光闌，在像面上成像。系統(tǒng)的孔徑光闌與制冷紅外探測(cè)器杜瓦冷光闌重合。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了中波紅外(MWIR，3-5μm)和長(zhǎng)波紅外(LWIR，8-12μm)波段在同一個(gè)焦平面成像。本系統(tǒng)相對(duì)孔徑為1∶3，焦距300毫米，視場(chǎng)為8°。本專利結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)在于雙波段工作，使用常見的紅外材料，冷光闌效率100％，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于裝配。
文檔編號(hào)G01J5/08GK202177748SQ20112020178
公開日2012年3月28日 申請(qǐng)日期2011年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月15日
發(fā)明者于洋, 潘兆鑫, 蹇毅 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所