專(zhuān)利名稱(chēng)：一種中紅外成像光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種成像光學(xué)系統(tǒng)，具體涉及一種中紅外成像光學(xué)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
廣義上講，波長(zhǎng)從0.9微米到1000微米電磁輻射都可稱(chēng)之為紅外輻射。大氣對(duì)于 不同波段的紅外輻射透過(guò)率是不同的，一般說(shuō)來(lái)對(duì)于紅外輻射有兩個(gè)波段透過(guò)率較高，一 個(gè)是3微米到5微米，稱(chēng)之為中紅外波段；另一個(gè)是8微米到12微米，稱(chēng)之為熱紅外波段。同可見(jiàn)光輻射一樣，紅外輻射也是一種電磁波，只不過(guò)波長(zhǎng)更長(zhǎng)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(jiàn)光一樣通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)成像。紅外成像同可見(jiàn)光成像也有許多明顯不同之處首先從目標(biāo)特性來(lái)說(shuō)，紅外輻射 由目標(biāo)自身輻射而出，是一種被動(dòng)成像系統(tǒng)；可見(jiàn)光則是由目標(biāo)反射其他光源(如太陽(yáng))的 輻射，屬于主動(dòng)成像系統(tǒng)；其次，紅外成像系統(tǒng)的探測(cè)器經(jīng)常需要制冷，一般采取的方式是 探測(cè)器內(nèi)置冷光闌。探測(cè)器制冷可以大大降低暗電流，提高探測(cè)器靈敏度。探測(cè)器內(nèi)的冷 光闌的作用是攔掉視場(chǎng)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(cè)器的輻射全部來(lái)自目標(biāo)。在紅外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)100%冷光闌效率大大提到圖像對(duì)比度和信噪比，從 而提高圖像質(zhì)量。但是，如果光學(xué)系統(tǒng)出瞳和冷光闌位置相差太遠(yuǎn)，就很難實(shí)現(xiàn)100%冷光 闌效率，或者實(shí)現(xiàn)了 100%冷光闌效率，但是導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)實(shí)際口徑遠(yuǎn)大于光學(xué)系統(tǒng)的理論 口徑。要實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)出瞳和冷光闌位置匹配，經(jīng)常通過(guò)二次成像，并在一次焦點(diǎn)附近設(shè)置 場(chǎng)鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)。在紅外光學(xué)系統(tǒng)中，由于紅外光學(xué)材料的折射率對(duì)溫度變化非常敏感，導(dǎo)致了 紅外光學(xué)系統(tǒng)對(duì)溫度非常敏感。常用的紅外材料如鍺的折射率對(duì)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(duì)于可見(jiàn) 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(jiàn)光大一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)。所以設(shè)計(jì)紅外光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，必須考慮溫度對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的影 響。一般采用所謂無(wú)熱化的紅外光學(xué)系統(tǒng)就是采取某種補(bǔ)償方法來(lái)抵消溫度對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的 影響(一般對(duì)系統(tǒng)焦距和后截距的影響)。經(jīng)常采用的方法有鏡筒機(jī)械補(bǔ)償和采用衍射光 學(xué)元件(具有負(fù)的dn/dT)。鏡筒機(jī)械補(bǔ)償就是通過(guò)對(duì)不同光學(xué)間隔采用不同膨脹系數(shù)的材 料的方法來(lái)補(bǔ)償溫度對(duì)光學(xué)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(duì)光學(xué)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(bǔ)償量補(bǔ)償溫度引起的變化。對(duì)于口徑較大的光學(xué)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其景深一般都比較小，這就意味著對(duì)于不同的物 距，要調(diào)整焦面位置，來(lái)保證圖像清晰。一般光學(xué)系統(tǒng)都是通過(guò)調(diào)整后截距(像面到最后一 面距離)來(lái)調(diào)節(jié)像面位置。但是由于制冷型的紅外探測(cè)器比較笨重(探測(cè)器位于杜瓦瓶 內(nèi))，后截距調(diào)整起來(lái)非常困難，經(jīng)常通過(guò)調(diào)整光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部某一組鏡片來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)焦面位置 的調(diào)整。[0008]
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種中紅外成像光學(xué)系統(tǒng)，其整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)小巧緊 湊、且像質(zhì)良好，在161p/mm時(shí)傳遞函數(shù)大于0. 6，視場(chǎng)畸變小于5% ；解決了背景技術(shù)中制 冷探測(cè)器的光學(xué)系統(tǒng)后截距調(diào)整困難的技術(shù)問(wèn)題，并且可以通過(guò)控制后組位置來(lái)補(bǔ)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(shí)用新型的技術(shù)解決方案是一種中紅外成像光學(xué)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(cè)器，目標(biāo)經(jīng)前組鏡頭成一次實(shí)像于后組鏡頭前，一次實(shí)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(gè)單位，則像面增加約16個(gè)單位；所述探測(cè)器為冷光闌探測(cè)器。上述前組鏡頭包括依次同向設(shè)置的四個(gè)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(fù)光焦度彎月鏡。上述后組鏡頭包括依次設(shè)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(cè)器包括依次設(shè)置的探測(cè)器窗口、冷光闌、濾光片以及焦平面。上述冷光闌探測(cè)器能實(shí)現(xiàn)100%冷光闌效率，成像效果佳。本實(shí)用新型整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)工作于中紅外波段，焦距200mm，F(xiàn)數(shù)為2. 5，全視場(chǎng) 3. 5。，第一面到像面總長(zhǎng)100mm，系統(tǒng)第一面口徑最大，為86mm ；整個(gè)系統(tǒng)非常小巧緊湊，系 統(tǒng)總長(zhǎng)比焦距僅為1 :2，系統(tǒng)光學(xué)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(diǎn)；并且整個(gè)系統(tǒng)像質(zhì)良好，在161p/mm時(shí)傳遞函數(shù)大于0. 6，視場(chǎng)畸變小 于5%。
圖1是整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)圖；圖2是光學(xué)系統(tǒng)的像差曲線(xiàn)圖；圖3是光學(xué)系統(tǒng)的球差、像散和畸變曲線(xiàn)圖；圖4是光學(xué)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)圖。
具體實(shí)施方式
附圖標(biāo)號(hào)說(shuō)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(cè)器，31-探測(cè)器窗口， 32-冷光闌，33-濾光片，34-焦平面。參見(jiàn)圖1，一種中紅外成像光學(xué)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(cè)器，目標(biāo)經(jīng)前組鏡頭成一次實(shí)像于后組鏡頭前，一次實(shí)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(gè)單位，則像面增加約16個(gè)單位；所述探測(cè)器為冷光闌探測(cè)器，冷光闌探測(cè)器包括依次設(shè) 置的探測(cè)器窗口、冷光闌、濾光片以及焦平面，冷光闌探測(cè)器能實(shí)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(shè)置的四個(gè)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(fù)光焦度彎月鏡。其中后組鏡頭包括依次設(shè)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(shí)，目標(biāo)經(jīng)前組鏡頭成一次實(shí)像于后組鏡頭前，一次實(shí)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(gè)單位，則像面增加約16個(gè)單位，也就是說(shuō)后組鏡頭每向前移動(dòng)一個(gè)單位，像面向后 移動(dòng)約16個(gè)單位。由于后組鏡頭位置對(duì)于像面位置非常敏感，這對(duì)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(bǔ)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(biāo)定黑體。
權(quán)利要求一種中紅外成像光學(xué)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(cè)器，目標(biāo)經(jīng)前組鏡頭成一次實(shí)像于后組鏡頭前，一次實(shí)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(gè)單位，則像面增加約16個(gè)單位；所述探測(cè)器為冷光闌探測(cè)器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述中紅外成像光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述前組鏡頭包括依次同 向設(shè)置的四個(gè)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(fù)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(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述后組鏡頭包括依次設(shè) 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(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述冷光闌探測(cè) 器包括依次設(shè)置的探測(cè)器窗口、冷光闌、濾光片以及焦平面。
專(zhuān)利摘要一種中紅外成像光學(xué)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(cè)器，目標(biāo)經(jīng)前組鏡頭成一次實(shí)像于后組鏡頭前，一次實(shí)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(gè)單位，則像面增加約16個(gè)單位；探測(cè)器為冷光闌探測(cè)器。本實(shí)用新型小巧緊湊、且像質(zhì)良好；本實(shí)用新型通過(guò)控制后組位置來(lái)補(bǔ)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(hào)G01J5/08GK201666972SQ20092003321
公開(kāi)日2010年12月8日 申請(qǐng)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(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所