一種共孔徑寬波段紅外光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種共孔徑寬波段紅外光學(xué)系統(tǒng)，屬于紅外光學(xué)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)長波紅外成像與寬波段紅外光譜測量，解決光學(xué)系統(tǒng)光路布局受限、體積大、成本高的問題。本發(fā)明包括卡式鏡頭、分光鏡、反射鏡、若干透鏡組、FPA接口和光纖接口。光(2μm～12μm)入射到卡式鏡頭聚焦，經(jīng)過分光鏡分光，其中50％長波紅外光(8μm～10μm)透射經(jīng)過透鏡組進(jìn)行像差校正，像面再次聚焦在成像接口處，另外50％長波紅外光(8μm～10μm)以及2μm～8μm和10μm～12μm紅外反射經(jīng)過透鏡組，并由反射鏡再次反射，聚焦在光纖接口處。本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)緊湊、使用方便靈活，成本相對較低，可集成用于圖譜關(guān)聯(lián)探測設(shè)備，實(shí)現(xiàn)目動檢測和跟蹤，可廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、紅外制導(dǎo)等民用和軍事領(lǐng)域。
【專利說明】一種共孔徑寬波段紅外光學(xué)系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于紅外光學(xué)系統(tǒng)，具體涉及一種共孔徑寬波段紅外光學(xué)系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 圖譜關(guān)聯(lián)探測作為現(xiàn)代遙感技術(shù)的發(fā)展趨勢，是上世紀(jì)后期遙感技術(shù)的巨大進(jìn) 步，是遙感領(lǐng)域的前沿技術(shù)。按照電磁波譜的結(jié)構(gòu)和特性，目標(biāo)紅外信息是指紅外譜段傳 感器獲取的目標(biāo)與背景輻射、反射和散射特性的差異，它包括短、中、長波紅外各精細(xì)光譜 (線）波段的輻射、反射和散射特性。共孔徑寬波段紅外光學(xué)系統(tǒng)能同時獲取短、中、長波 紅外輻射能量，對于提高探測精度、探測識別能力有質(zhì)的飛躍。隨著紅外光電技術(shù)的快速發(fā) 展，對寬波段范圍的輻射同時進(jìn)行探測已顯得非常重要，對應(yīng)的光學(xué)系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)需求空 前增長。
[0003] 共孔徑寬波段紅外光學(xué)系統(tǒng)的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在：（1) "共孔徑"指長波紅外成像和 寬波段紅外光譜測量共用通光口，充分利用目標(biāo)輻射同時實(shí)現(xiàn)圖譜關(guān)聯(lián)的高精度；（2) "寬 波段"指系統(tǒng)波段范圍寬，涉及短、中、長波，具體覆蓋2ym-12ym。但是共孔徑寬波段紅外 光學(xué)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上有較大難度，由于國內(nèi)在紅外材料、加工能力、鍍膜技術(shù)等多方面的局限 性，尤其是在不使用特殊元件及特殊材料的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)寬波段共孔徑，要同時校正各種像 差。而且遙感紅外光學(xué)系統(tǒng)大都工作在較惡劣的環(huán)境溫度范圍內(nèi)，紅外光學(xué)材料的折射率 溫度系數(shù)較大，環(huán)境溫度變化會造成紅外光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生熱離焦并導(dǎo)致像質(zhì)降低。
[0004] 現(xiàn)有公開技術(shù)中公開的紅外光學(xué)鏡頭是雙波段（中波和長波）的，實(shí)際上由中波 和長波兩個鏡頭組裝而成，體積重量較大，屬于常規(guī)波段覆蓋范圍。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)紅外雙波段鏡頭波段較窄、系統(tǒng)光路布局受限、體積重量大等 不足，本發(fā)明提供了一種共孔徑寬波段紅外光學(xué)系統(tǒng)，其目的在于實(shí)現(xiàn)波段響應(yīng)范圍覆蓋 短、中、長波（2ym-12ym)，同時成像與光譜測量光路共孔徑，由此解決光學(xué)系統(tǒng)布局優(yōu)化 的技術(shù)難題。
[0006] 本發(fā)明提供了一種共孔徑寬波段紅外光學(xué)系統(tǒng)，包括：卡式鏡頭、第一透鏡組、分 光鏡、第二透鏡組、成像接口、第三透鏡組、反射鏡、第四透鏡組和光纖接口；所述第一透鏡 組位于所述卡式鏡頭的出射光路上且與所述卡式鏡頭同軸放置；所述分光鏡的鏡面中心與 中心軸重合，且所述分光鏡的鏡面與中心軸成45°放置；所述第二透鏡組位于所述分光鏡 的透射光路上；所述成像接口位于所述第二透鏡組尾部，且所述第二透鏡組的出瞳與所述 成像接口的接口平面重合，用于放置成像組件；所述第三透鏡組位于所述分光鏡的反射光 路上；所述反射鏡的鏡面中心與所述第三透鏡組的中心軸重合，且所述反射鏡的鏡面與中 心軸成45°角放置，保持和所述分光鏡平行；所述第四透鏡組位于所述反射鏡的反射光路 上；所述光纖接口設(shè)置在所述第四透鏡組后部，所述光纖接口的端面與所述第四透鏡組的 出瞳重合。
[0007] 更進(jìn)一步地，所述卡式鏡頭包括主鏡和次鏡，所述主鏡和次鏡的遮攔比不大于 1:3〇
[0008] 更進(jìn)一步地，所述第一透鏡組包括依次同軸設(shè)置在中心光軸上的月牙形凸透鏡和 平凸透鏡；用于對所述卡式鏡頭聚焦的紅外光進(jìn)行像差和色差校正。
[0009] 更進(jìn)一步地，所述分光鏡的第一鏡面上鍍有分光膜，第二鏡面上鍍有長波增透膜。
[0010] 更進(jìn)一步地，所述第二透鏡組包括依次同軸設(shè)置的第一凹透鏡、第二凹透鏡、第一 平凸透鏡、第三凹透鏡和第二平凸透鏡。
[0011] 更進(jìn)一步地，所述第三透鏡組包括依次同軸設(shè)置的凹透鏡、平凸透鏡和另一面凹 透鏡。
[0012] 更進(jìn)一步地，所述第四透鏡組包括依次同軸設(shè)置的月牙形凸透鏡、平凸透鏡和另 一個平凸透鏡。
[0013]總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，由于卡式鏡頭中 的主、次鏡反射光線形成折疊光路，有效地縮減了系統(tǒng)總體的結(jié)構(gòu)體積，較小的遮攔比也有 利于提高光學(xué)系統(tǒng)的透過率；透鏡組的優(yōu)化組合校正了系統(tǒng)的位置色差、倍率色差以及軸 上和軸外的單色像差；分光鏡采用多層次膜系結(jié)構(gòu)使其對短、中波紅外光反射率高，對長波 紅外光則具有半透半反功能；系統(tǒng)整體采用折反結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)寬波段成像與光譜測量共 孔徑，兩個視場中心重合。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的共孔徑寬波段紅外光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的共孔徑寬波段紅外光學(xué)系統(tǒng)布局示意圖；
[0016] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的共孔徑寬波段紅外光學(xué)系統(tǒng)中的卡式鏡頭的正視圖；
[0017]圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的共孔徑寬波段紅外光學(xué)系統(tǒng)外形結(jié)構(gòu)圖；
[0018] 圖5(a)為光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量之能量集中度，成像區(qū)域?yàn)?5ymX45ym;圖5(b) 為光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量之能量集中度，成像區(qū)域?yàn)?5ymX15ym;圖5 (c)為光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì) 量之能量集中度，光譜區(qū)域?yàn)?5ymX75ym;圖5 (d)為光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量之能量集中度， 光譜區(qū)域?yàn)?5UmX45ym;
[0019] 圖6(a)為光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的成像點(diǎn)列圖，圖6(b)為光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的光譜 點(diǎn)列圖；
[0020] 圖7(a)為光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量之場曲和畸變曲線（成像），圖7(b)為光學(xué)系統(tǒng)成像 質(zhì)量之場曲和畸變曲線（光譜）；
[0021] 其中，1為卡式鏡頭，11為主鏡，12為次鏡，2為第一透鏡組，3為分光鏡，4為第二 透鏡組，5為成像接口，6為第三透鏡組，7為反射鏡，8為第四透鏡組，9為光纖接口。

【具體實(shí)施方式】
[0022] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不 用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼 此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0023]本發(fā)明實(shí)施例提供的共孔徑寬波段紅外光學(xué)系統(tǒng)可作為圖譜關(guān)聯(lián)探測系統(tǒng)的紅 外光學(xué)組件，用于長波紅外成像與寬波段紅外光譜測量。
[0024]本發(fā)明提供了共孔徑寬波段紅外光學(xué)系統(tǒng)，參見圖1所示為共孔徑寬波段紅外光 學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不意圖，本系統(tǒng)包括卡式鏡頭1、第一透鏡組2、分光鏡3、第二透鏡組4、成像 接口 5、第三透鏡組6、反射鏡7、第四透鏡組8和光纖接口 9 ;其中，卡式鏡頭1中心軸與系 統(tǒng)中心軸重合；第一透鏡組2位于卡式鏡頭1的出射光路同軸放置；分光鏡3鏡面中心以 及系統(tǒng)中心軸重合，鏡面與中心軸成45°放置；第二透鏡組4在分光鏡3之后，位于分光鏡 3的透射光路上；成像接口 5位于第二透鏡組4尾部，第二透鏡組4的出瞳與成像接口 5的 接口平面重合，用于放置成像組件；第三透鏡組6在分光鏡3之后，位于分光鏡3的反射光 路上；反射鏡7鏡面中心與第三透鏡組6中心軸重合，鏡面與中心軸成45°角放置，保持和 分光鏡3平行；第四透鏡組8位于反射鏡7的反射光路上；光纖接口 9在安裝在第四透鏡組 8后部，其端面與第四透鏡組8的出瞳重合；該系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)可采用輕質(zhì)鋁合金以減輕系統(tǒng) 重量，同時可考慮設(shè)置必要的薄壁遮光罩，較低背景、陽光干擾。
[0025]如圖2所示，光（2ym-12ym)入射到卡式鏡頭1的主鏡11，反射到次鏡12并再次 反射，經(jīng)過第一透鏡組2聚焦，然后經(jīng)過分光鏡3分光。主鏡11、次鏡12、第一透鏡組2和 分光鏡3是共孔徑的。分光后，其中透過分光鏡3的50%長波紅外光（Sym-IOym)經(jīng)過透 鏡組4進(jìn)行像差校正，像面再次聚焦在成像接口處。另外，與分光鏡3反射的50%長波紅外 光（8ym-10ym)以及2ym-8ym和10ym-12ym紅外光經(jīng)過第三透鏡組6,并由反射鏡7 再次反射，然后通過第四透鏡組8聚焦在光纖接口處。
[0026] 卡式鏡頭1包含主鏡11和次鏡12,均可以采用高次非球面反射鏡，并設(shè)計(jì)不大于 1:3的主次鏡遮攔比（如圖3)。主、次鏡的高次非球面承擔(dān)共孔徑寬波段紅外光學(xué)系統(tǒng)的 主要軸上單色像差。作為反射鏡的主、次鏡不產(chǎn)生色差，有利于紅外較大光譜波段范圍光學(xué) 系統(tǒng)成像。而且卡塞格林反射系統(tǒng)折疊了光路，壓縮了光學(xué)筒長。在保證主次鏡成像所需 合理間距的前提下，較小的遮攔比有利于提高光學(xué)系統(tǒng)的透過率。
[0027] 第一透鏡組2用于對卡式鏡頭1聚焦的紅外光進(jìn)行像差和色差校正后輸出；其包 括兩個凸透鏡，月牙形凸透鏡在前，平凸透鏡緊挨其后同軸放置。采用可透過紅外寬光譜的 CVD硒化鋅材料，并設(shè)置衍射光學(xué)面，既部分平衡寬波段光譜成像的較大光譜范圍產(chǎn)生的色 差，也分擔(dān)長波成像的軸外單色像差和部分色差。第一透鏡組2軸心與卡式鏡頭1中心軸 重合，安置時應(yīng)盡量靠近卡式鏡頭1以避免透鏡結(jié)構(gòu)遮擋主次鏡間光線。
[0028] 分光鏡3鏡面中心與卡式鏡頭1中心軸重合，鏡面與中心軸成45°角放置。首先， 膜系設(shè)計(jì)、鍍制分光膜（第一面）和長波增透膜（第二面）應(yīng)以紅外光線為45°入射作為 必要條件。其次，分光鏡3對透射光軸會有微小偏移，使長波制冷成像系統(tǒng)成為離軸光學(xué)系 統(tǒng)，會使子午、弧矢兩個方向的像差產(chǎn)生非對稱，并惡化子午像差。光學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，需要控 制場曲和象散，來平衡子午、弧矢像差。
[0029] 第二透鏡組4在分光鏡3之后，位于分光鏡3的透射光路上，主要用于長波紅外成 像。它由5個透鏡組成，兩個凹透鏡在前依次放置，平凸透鏡放置在中間，隨后凹透鏡緊挨 放置，最后一個平凸透鏡同軸放置。第二透鏡組4配合第一透鏡組2消成像色差。非球面 的透鏡組可以減少鏡片數(shù)，以簡化結(jié)構(gòu)形式、提高光譜透過率。
[0030] 第三透鏡組6在分光鏡3之后，位于分光鏡3的反射光路上，配合反射鏡7和第四 透鏡組8用于寬光譜成像，優(yōu)化寬光譜色差。它由三個透鏡組成，凹透鏡在前，中間放置平 凸透鏡，隨后同軸放置另一面凹透鏡。
[0031] 反射鏡7鏡面中心與第三透鏡組6中心軸重合，鏡面與中心軸成45°角放置，保持 和分光鏡3平行，其目的是為了再次折疊光路，是寬光譜成像光軸與長波紅外成像光軸平 行，有利于整個共孔徑寬波段紅外光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布局。
[0032] 第四透鏡組8位于反射鏡7的反射光路上，配合第三透鏡組6校正寬光譜成像的 位置色差和倍率色差。它包含三個透鏡，其中，月牙形凸透鏡在前，隨后緊挨放置兩個平凸 透鏡。
[0033] 成像接口 5和光纖接口 9根據(jù)不同紅外探測器和光纖選擇可以自行設(shè)計(jì)接口形 式。
[0034] 共孔徑寬波段紅外光學(xué)系統(tǒng)的入瞳在主鏡11上，出瞳設(shè)計(jì)在第一透鏡組4的最后 一片鏡片上，目的是壓縮主鏡口徑，減少體積、重量，并且可有效減少背景和鏡筒自身輻射 干擾。
[0035] 共孔徑寬波段紅外光學(xué)系統(tǒng)采用無熱化設(shè)計(jì)，當(dāng)環(huán)境溫度在_40°C?+60°C內(nèi)變 化時，系統(tǒng)成像面位置保持穩(wěn)定不變，免除調(diào)焦結(jié)構(gòu)。
[0036] 共孔徑寬波段紅外光學(xué)系統(tǒng)的視場角度為2° X1.6° (對角線2.5° )，通光口 徑為138mm，長波紅外成像焦距275mm，寬光譜成像285mm，響應(yīng)波段為2-12um(寬波段），系 統(tǒng)體積l8〇mm(高）XI7Omm(寬）X2OOmm(長），重量4. 5kg，其外形結(jié)構(gòu)如圖4所示。
[0037] 共孔徑寬波段紅外光學(xué)系統(tǒng)體積小、集成度高，響應(yīng)波段范圍寬，同時實(shí)現(xiàn)了長波 紅外成像與寬波段光譜共孔徑，可集成用于圖譜關(guān)聯(lián)探測設(shè)備，實(shí)現(xiàn)視場掃描，目動檢測和 跟蹤，可廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、紅外制導(dǎo)等民用和軍事領(lǐng)域。
[0038] 光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量主要依靠能量集中度、點(diǎn)列圖和場曲、畸變曲線來評價。圖5 中的（a)和（b)分別顯示本發(fā)明實(shí)施例長波成像在不同視場、不同區(qū)域能量集中度曲線，具 體如下表。

【權(quán)利要求】
1. 一種共孔徑寬波段紅外光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，包括：卡式鏡頭（1)、第一透鏡組 (2)、分光鏡（3)、第二透鏡組（4)、成像接口（5)、第三透鏡組（6)、反射鏡（7)、第四透鏡組 (8)和光纖接口（9); 所述第一透鏡組（2)位于所述卡式鏡頭（1)的出射光路上且與所述卡式鏡頭（1)同軸 放置； 所述分光鏡（3)的鏡面中心與中心軸重合，且所述分光鏡（3)的鏡面與中心軸成45° 放置； 所述第二透鏡組（4)位于所述分光鏡（3)的透射光路上； 所述成像接口（5)位于所述第二透鏡組（4)尾部，且所述第二透鏡組（4)的出瞳與所 述成像接口（5)的接口平面重合，用于放置成像組件； 所述第三透鏡組（6)位于所述分光鏡（3)的反射光路上； 所述反射鏡（7)的鏡面中心與所述第三透鏡組（6)的中心軸重合，且所述反射鏡（7) 的鏡面與中心軸成45°角放置，保持和所述分光鏡（3)平行； 所述第四透鏡組（8)位于所述反射鏡（7)的反射光路上； 所述光纖接口（9)設(shè)置在所述第四透鏡組（8)后部，所述光纖接口（9)的端面與所述 第四透鏡組（8)的出瞳重合。
2. 如權(quán)利要求1所述的共孔徑寬波段紅外光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述卡式鏡頭⑴包 括主鏡（11)和次鏡（12)，所述主鏡（11)和次鏡（12)的遮攔比不大于1:3。
3. 如權(quán)利要求1所述的共孔徑寬波段紅外光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述第一透鏡組（2) 包括依次同軸設(shè)置在中心光軸上的月牙形凸透鏡和平凸透鏡；用于對所述卡式鏡頭（1)聚 焦的紅外光進(jìn)行像差和色差校正。
4. 如權(quán)利要求1所述的共孔徑寬波段紅外光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述分光鏡（3)的第 一鏡面上鍍有分光膜，第二鏡面上鍍有長波增透膜。
5. 如權(quán)利要求1所述的共孔徑寬波段紅外光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述第二透鏡組（4) 包括依次同軸設(shè)置的第一凹透鏡、第二凹透鏡、第一平凸透鏡、第三凹透鏡和第二平凸透 鏡。
6. 如權(quán)利要求1所述的共孔徑寬波段紅外光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述第三透鏡組（6) 包括依次同軸設(shè)置的凹透鏡、平凸透鏡和另一面凹透鏡。
7. 如權(quán)利要求1所述的共孔徑寬波段紅外光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述第四透鏡組（8) 包括依次同軸設(shè)置的月牙形凸透鏡、平凸透鏡和另一個平凸透鏡。
【文檔編號】G02B7/04GK104516110SQ201410844556
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2014年12月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月30日
【發(fā)明者】張宏, 費(fèi)錦東, 張?zhí)煨? 戴小兵, 劉祥燕, 劉立 申請人:華中科技大學(xué)