本發(fā)明屬于非制冷紅外成像技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種大相對孔徑長焦距非制冷紅外無熱化光學(xué)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，非制冷紅外系統(tǒng)的像元尺寸不斷減小、靈敏度不斷提高，而其價格卻逐步降低。此外，因其不需要制冷機(jī)，系統(tǒng)可靠性高、能夠?qū)崿F(xiàn)小型化，所以越來越廣泛應(yīng)用于安防監(jiān)控、車載等領(lǐng)域。

然而，非制冷紅外系統(tǒng)的溫度分辨率較低、探測能力較差，為提高系統(tǒng)的溫度分辨率和目標(biāo)探測能力，要求紅外光學(xué)系統(tǒng)具有大相對孔徑和長焦距。

現(xiàn)有非制冷紅外鏡頭的焦距較短，對目標(biāo)的分辨能力較低且體積大、重量重。本發(fā)明在于提供一種大相對孔徑長焦紅外無熱化光學(xué)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了大相對孔徑、長焦距，同時能夠在寬溫度范圍內(nèi)進(jìn)行成像的紅外光學(xué)系統(tǒng)。

申請?zhí)枮?01510396800.4的中國專利申請文件中公開了一種大口徑長焦距折反式非制冷紅外成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)未進(jìn)行無熱化設(shè)計(jì)。在實(shí)際應(yīng)用中，溫度變化時會引起紅外光學(xué)元件的曲率、厚度、折射率發(fā)生變化，造成的系統(tǒng)離焦，使得紅外光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量下降對于大孔徑系統(tǒng)成像質(zhì)量的影響尤為嚴(yán)重，甚至不能清晰成像。此外，該系統(tǒng)采用一次成像設(shè)計(jì)的方式不能有效抑制雜散光對光學(xué)系統(tǒng)成像的影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明提供一種大相對孔徑的長焦紅外光學(xué)系統(tǒng)，在系統(tǒng)體積不增大的情況下，采用卡式系統(tǒng)通過光線的多次反射來增長光程，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)的長焦化，利用二次成像，在減小系統(tǒng)前端口徑的同時能夠有效抑制雜散光對系統(tǒng)成像質(zhì)量的影響。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的具體方案為：

一種大相對孔徑長焦距非制冷紅外無熱化光學(xué)系統(tǒng)，在光線傳播方向上設(shè)置于焦平面的前方，由同軸設(shè)置的卡式系統(tǒng)和二次成像系統(tǒng)組成，所述卡式系統(tǒng)包括并列設(shè)置的主反射鏡和次反射鏡，光線依次經(jīng)過主反射鏡和次反射鏡的反射之后會聚到一次成像點(diǎn)上，所述二次成像系統(tǒng)將一次成像點(diǎn)成像在焦平面上，所述一次成像點(diǎn)位于主反射鏡與次反射鏡之間；在光線傳播方向上，所述二次成像系統(tǒng)由前后同軸設(shè)置的第一正月牙形透鏡、第二正月牙形透鏡、折/衍混合透鏡、活動透鏡和負(fù)月牙形透鏡組成。

優(yōu)選地，第一正月牙形透鏡和第二正月牙形透鏡均彎向物方，活動透鏡和負(fù)月牙形透鏡均彎向像方。

優(yōu)選地，所述折/衍混合透鏡包括負(fù)月牙形的透鏡本體，透鏡本體彎向物方，透鏡本體的出射面設(shè)置為非球面疊加衍射面。

優(yōu)選地，所述非球面疊加衍射面的方程為：

其中c5為曲率，r5為垂直光軸方向的徑向坐標(biāo)，k5為二次曲線常數(shù)，a5為四階非球面系數(shù)、b5為六階非球面系數(shù)、c5為八階非球面系數(shù)；hor為衍射級次，c1、c2、c3為衍射面系數(shù)，λ0為設(shè)計(jì)中心波長。

優(yōu)選地，所述主反射鏡和次反射鏡的材質(zhì)為鋁。

優(yōu)選地，所述第一正月牙形透鏡、第二正月牙形透鏡和活動透鏡的材質(zhì)為單晶鍺。

優(yōu)選地，所述折/衍混合透鏡和負(fù)月牙形透鏡的材質(zhì)為硒化鋅。

優(yōu)選地，所述活動透鏡沿軸向移動用于調(diào)整像面的位置。

優(yōu)選地，取光學(xué)系統(tǒng)的焦距為f；所述主反射鏡的焦距f1滿足0.76＜f1/f＜0.78；所述次反射鏡的焦距f2滿足-4.17＜f2/f＜-1.87；所述第一正月牙形透鏡的焦距f3滿足0.13＜f3/f＜0.15；所述第二正月牙形透鏡的焦距f4滿足0.10＜f4/f＜0.13；所述第一正月牙形透鏡和所述第二正月牙形透鏡的組合焦距f34滿足0.08＜f34/f＜0.1；所述折/衍混合透鏡的焦距f5滿足-0.74＜f5/f＜-0.46；所述活動透鏡的焦距f6滿足0.09＜f6/f＜0.13；所述負(fù)月牙形透鏡的焦距f7滿足-0.65＜f7/f＜-0.38；所述折/衍混合透鏡、活動透鏡和負(fù)月牙形透鏡的組合焦距f567滿足0.09＜f567/f＜0.12。

本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明采用卡式系統(tǒng)，通過主反射鏡和次反射鏡的配合，在系統(tǒng)體積不變的情況下利用光線的多次折射來增加光程，從而增加光學(xué)系統(tǒng)的焦距，實(shí)現(xiàn)長焦化；

2、通過二次成像，可抑制雜散光對系統(tǒng)成像效果的影響，有效提高圖像質(zhì)量；

3、通過合理選取主反射鏡、次反射鏡的光焦度及間隔，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中心遮攔≤0.3，有效提高了光能利用率，降低了由于中心遮攔對光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)的影響；

4、通過設(shè)置活動透鏡，可以利用移動活動透鏡來微調(diào)光學(xué)系統(tǒng)像面的位置，在不同物距條件下將光學(xué)系統(tǒng)像面調(diào)整到探測器焦平面位置，從而補(bǔ)償由于被觀測目標(biāo)距離的變化所引起光學(xué)系統(tǒng)離焦。同時還能夠與光學(xué)無熱化相結(jié)合，補(bǔ)償溫度變化造成的像面移動，減少純光學(xué)無熱化所需的透鏡數(shù)量，降低了鏡頭的復(fù)雜程度；

5、采用光學(xué)被動無熱化與機(jī)械主動無熱化相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在-40℃至+60℃溫度范圍內(nèi)由于溫度變化所引起的像面離焦補(bǔ)償；

6、利用衍射元件具有負(fù)色散、負(fù)熱膨脹系數(shù)的特點(diǎn)，通過折/衍混合元件光焦度的合理分配和匹配，降低了紅外光學(xué)系統(tǒng)由于溫度變化所引起的離焦量，減小了溫度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的補(bǔ)償量，有效簡化了光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，從而減輕了重量、縮小系統(tǒng)體積。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的光路圖；

圖2是本發(fā)明在-40℃情況下的傳遞函數(shù)圖；

圖3是本發(fā)明在20℃情況下的傳遞函數(shù)圖；

圖4是本發(fā)明在60℃情況下的傳遞函數(shù)圖；

圖5是本發(fā)明的場曲畸變圖；

圖6是本發(fā)明衍射元件相位周期和徑向距離的關(guān)系示意圖。

附圖標(biāo)記：1、主反射鏡，2、次反射鏡，3、第一正月牙形透鏡，4、第二正月牙形透鏡，5、折/衍混合透鏡，6、活動透鏡，7、負(fù)月牙形透鏡，8、焦平面。

具體實(shí)施方式

下面根據(jù)附圖具體說明本發(fā)明的實(shí)施方式。

如圖1所示，一種大相對孔徑長焦距非制冷紅外無熱化光學(xué)系統(tǒng)，在光線傳播方向上設(shè)置于焦平面8的前方，由同軸設(shè)置的卡式系統(tǒng)和二次成像系統(tǒng)組成，其中卡式系統(tǒng)用于對光線進(jìn)行會聚壓縮，完成一次成像，二次成像系統(tǒng)用于抑制雜散光對系統(tǒng)整體成像的影響，提高成像質(zhì)量。

卡式系統(tǒng)包括并列設(shè)置的主反射鏡1和次反射鏡2，光線依次經(jīng)過主反射鏡1和次反射鏡2的反射之后會聚到一次成像面上，一次像位于主反射鏡1與次反射鏡2之間。

二次成像系統(tǒng)將一次像成像在焦平面8上，在光線傳播方向上，二次成像系統(tǒng)由前后同軸設(shè)置的第一正月牙形透鏡3、第二正月牙形透鏡4、折/衍混合透鏡5、活動透鏡6和負(fù)月牙形透鏡7組成。

光學(xué)系統(tǒng)的總焦距為f，則各個透鏡的焦距滿足如下條件：

主反射鏡1的焦距f1滿足0.76＜f1/f＜0.78；次反射鏡2的焦距f2滿足-4.17＜f2/f＜-1.87；第一正月牙形透鏡3的焦距f3滿足0.13＜f3/f＜0.15；第二正月牙形透鏡4的焦距f4滿足0.10＜f4/f＜0.13；第一正月牙形透鏡3和第二正月牙形透鏡4的組合焦距f34滿足0.08＜f34/f＜0.1；折/衍混合透鏡5的焦距f5滿足-0.74＜f5/f＜-0.46；活動透鏡6的焦距f6滿足0.09＜f6/f＜0.13；負(fù)月牙形透鏡7的焦距f7滿足-0.65＜f7/f＜-0.38；折/衍混合透鏡5、活動透鏡6和負(fù)月牙形透鏡7的組合焦距f567滿足0.09＜f567/f＜0.12。

優(yōu)選地，第二正月牙形透鏡4的入射面為非球面，采用asphere面型，其方程為：

其中c4為曲率，r4為垂直光軸方向的徑向坐標(biāo)，k4為二次曲線常數(shù)，a4為四階非球面系數(shù)、b4為六階非球面系數(shù)、c4為八階非球面系數(shù)、d4為十階非球面系數(shù)。

進(jìn)一步地，第二正月牙形透鏡4入射面方程中各個參數(shù)如表1所示。

表1

折/衍混合透鏡5包括負(fù)月牙形的透鏡本體，透鏡本體彎向物方，透鏡本體的出射面設(shè)置為非球面疊加衍射面，即透鏡本體的出射面為非球面，在非球面基底上利用金剛石車削加工出連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)形成衍射面，其方程為：

其中c5為曲率，r5為垂直光軸方向的徑向坐標(biāo)，k5為二次曲線常數(shù)，a5為四階非球面系數(shù)、b5為六階非球面系數(shù)、c5為八階非球面系數(shù)；hor為衍射級次，c1、c2、c3為衍射面系數(shù)，l0為設(shè)計(jì)中心波長。優(yōu)選地，各個參數(shù)如表2所示。

表2

衍射面的膨脹系數(shù)滿足：

透鏡本體的膨脹系數(shù)滿足：

其中為透鏡材料的膨脹系數(shù)，n和n0分別為透鏡材料和環(huán)境介質(zhì)的折射率，為材料的折射率溫度系數(shù)。

優(yōu)選地，各個透鏡的形狀、尺寸參數(shù)和材質(zhì)如表3所示，表中曲率半徑、厚度和間隔的單位均為mm，拋物面和非球面的曲率半徑指的是頂點(diǎn)處的曲率半徑。

表3

本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)指標(biāo)如下。

適配探測器像元尺寸：17μm；

工作波段：8μm～12μm；

f^#：1；

焦距：500mm；

中心遮攔：≤0.3；

光學(xué)總長與焦距比：≤0.64。

經(jīng)過仿真實(shí)驗(yàn)，如圖2至4所示，選用的像元尺寸為17μm，像素?cái)?shù)為640×512的非制冷探測器對應(yīng)空間頻率為30lp/mm時，本發(fā)明在-40℃、20℃、+60℃條件下的傳遞函數(shù)最低為0.5；如圖5所示，本發(fā)明畸變在大小視場均小于1％。如圖6所示，折/衍混合透鏡5的環(huán)帶數(shù)為3，邊緣環(huán)帶之間的尺寸為574μm，可以通過金剛石車削加工得到。

以上僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而己，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當(dāng)可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容作出些許改動或修飾為等同變化的等效實(shí)施例，但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。