专利名称：双波段共光路共焦面成像系统的制作方法
技术领域：
本发明属于光学技术领域，涉及一种红外中波和长波双波段共光路共焦面成像系统。
背景技术：
随着新一代多波段红外探测器技术的发展，多波段成像的使用变得越来越广泛，为了成功应用新一代探测器，必须设计出能够同时具备多波段成像能力的光学系统。在红外成像领域，应用最为广泛的光谱波段为中波红外(3μπι-5μπι)和长波红外(8μπι-12μπι)。这两个波段相比较拥有不同的优势和局限。最好的方式是采用双波段红外探测器合并以上两个波段，使它们优势互补。全反射式光学系统结构形式一般为多波段光学系统设计的首选，但是，双波段红外探测器一般为制冷式探测器，因此在探测器中存在冷阑，冷阑的存在使得全反射式光学系统必须进行二次成像以实现冷阑匹配，这就无法使用应用最为广泛的两反系统设计。同时，当需要紧凑的外形尺寸和大视场的情况时，全反射式光学系统的设计难度陡增。采用折射式光学系统结构形式，可以选择的材料严重受限，主要为锗、硒化锌、硫化锌、氟化钡、砷化镓和部分硫系玻璃。色差校正是双波段光学系统设计面临的主要难题。光学系统的焦距越大，系统第一片透镜尺寸一般也会越大，这更加限制了双波段折射式光学系统的应用范围。专利号为01132130.X的中国专利公开了一项名称为“红外双波段折衍混合光学成像系统”的折射式光学系统技术方案，该系统利用双中心波长闪耀的二元衍射元件实现
3.5 μ m-3.9 μ m和10.5 μ m-12.5 μ m双波段同时成像，由于衍射元件的应用，中波和长波的谱段较窄，系统的透过率较低。专利号为201120201781.2的中国专利公开了一项名称为“一种双波段红外成像光学系统”的折射式成像光学系统技术方案，该光学系统采用四片透射元件，一次成像的方式实现中波红外(3 μ m-5 μ m)和长波红外(8 μ m-12 μ m)波段在同一焦平面成像。该系统光学总长大于焦距，同时由于一次成像方式的采用使得该系统杂散光抑制困难。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术存在的系统透过率较低及系统杂散光抑制困难的问题，提供一种系统透过率较高及抑制系统杂散光较好的双波段共光路共焦面成像系统。为了实现上述目的，本发明的双波段共光路共焦面成像系统包括主镜、次镜、中继镜组和焦平面探测器；所述主镜、次镜、中继镜组和焦平面探测器在同一光轴上，所述主镜的反射面和所述次镜的反射面相对排布，所述主镜开有中心孔，所述中继镜组和焦平面探测器位于所述主镜的中心孔内，所述中继镜组位于第一像面与焦平面探测器之间，主镜和次镜为卡塞格林结构形式；光束经主镜反射后入射到次镜上，由次镜反射聚焦成像在第一像面上；中继镜组将第一像面上的目标转像，聚焦到第二像面上；所述第二像面与焦平面探测器的焦平面阵列重合。所述光学系统光谱透过范围为3 μ m- ο μ m。所述的焦平面探测器为制冷型探测器，包含窗口、冷阑和焦平面阵列，所述冷阑位于窗口和焦平面阵列之间，所述窗口基于红外透过材料，所述焦平面阵列为中波红外/长波红外双波段焦平面阵列或宽波段焦平面阵列。所述主镜为凹非球面反射镜，所述次镜为凸非球面反射镜；所述主镜和所述次镜的材料为铝、碳化硅、铍、铍铝或微晶玻璃。所述主镜的反射面为标准二次曲面或高次非球面；所述次镜的反射面为标准二次曲面或高次非球面；所述中继镜组包括同一光轴顺序放置的第一折射透镜、第二折射透镜、第三折射透镜和第四折射透镜。所述第一折射透镜基于Ge晶体材料，其前表面为球面，后表面为非球面。所述第二折射透镜基于ZNS晶体材料，其前后表面均为球面。所述第三折射透镜基于BaF2晶体材料，其前后表面均为球面。所述第四折射透镜基于ZnSe晶体材料，其前表面为非球面，后表面为球面。本发明的有益效果为:本发明的双波段共光路共焦面成像系统采用折反射式结构形式，主镜和次镜可以分担大部分光焦度，中继镜组的焦距小且口径不大，色差校正容易；同时，利用反射镜折叠光路，缩小了镜头的体积，减轻了质量，使系统光学长度可以做到焦距的0.6倍以下；同时，由于二次成像方式的采用使系统杂散光抑制容易。
图1为本发明的双波段共光路共焦面成像系统结构示意图；图2是本发明的中继镜组结构示意图；图3是本发明设计示例在中波波段3 μ m 5 μ m的MTF曲线；图4是本发明设计示例在长波波段8 μ m 10 μ m的MTF曲线；其中:1、主镜，2、次镜，3、中继镜组，31、第一折射透镜，311、第一折射透镜前表面，312、第一折射透镜后表面，32、第二折射透镜，321、第二折射透镜前表面，322、第二折射透镜后表面，33、第三折射透镜，331、第三折射透镜前表面，332、第三折射透镜后表面，34、第四折射透镜，341、第四折射透镜前表面，342、第四折射透镜后表面，4、第一像面，5、焦平面探测器窗口，6、焦平面探测器冷阑，7、焦平面阵列，8、焦平面探测器。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步详细描述。参见附图1、2，本发明的双波段共光路共焦面成像系统从物方到像方按顺序由一个主镜1、一个次镜2、一个中继镜组3和一个焦平面探测器8组成。焦平面探测器8为中波红外/长波红外双波段焦平面阵列7或宽波段焦平面阵列7，用于对电磁波谱中3 μ m 5μηι和8μηι ΙΟμπι热福射成像,系统可对中波红外和长波红外同时成像。本发明的光学系统按xyz右手空间坐标系有序排列，z轴方向定为光轴方向，y轴在图1所示平面内，X轴垂直于yz平面，yz坐标平面为光学系统的子午面。系统所有光学元件布置在同一光轴上，主镜I的反射面与次镜2的反射面相对排布，所述主镜I开有中心孔，所述中继镜组3和焦平面探测器8位于所述主镜I的中心孔内，所述中继镜组3位于第一像面4与焦平面探测器8之间，主镜I和次镜2为卡塞格林结构形式。所述的焦平面探测器8为制冷型探测器，包含焦平面探测器窗口 5、焦平面探测器冷阑6和焦平面阵列7，所述焦平面探测器窗口 5基于红外透过材料，所述焦平面阵列7为双波段焦平面阵列7或宽波段焦平面阵列7，所述焦平面探测器冷阑6位于焦平面探测器窗口 5和焦平面阵列7之间，决定焦平面阵列7接收目标辐射的立体角，焦平面探测器冷阑6作为光学系统的出瞳，物方与其共轭的入瞳尽量与主镜I重合，从而有效减少主镜I孔径。所述中继镜组3包括同一光轴顺序放置的第一折射透镜31、第二折射透镜32、第三折射透镜33和第四折射透镜34。第一折射透镜31、第二折射透镜32、第三折射透镜33和第四折射透镜34布置在第一像面4与第二像面之间。主镜I和次镜2构成前组卡塞格林式光学系统，第一折射透镜31、第二折射透镜32、第三折射透镜33和第四折射透镜34构成中继镜组3 ;中继镜组3和焦平面探测器8放置在主镜I的中心孔内；所有光学元件的中心都在yz平面上。来自物方的光束经主镜I反射后入射到次镜2上，由次镜2反射聚焦，使得目标成像在第一像面4上；再由中继镜组3将第一像面4上的目标转像，通过焦平面探测器窗口5和焦平面探测器冷阑6，重新聚焦到第二像面上；所述第二像面与成像接收器的焦平面阵列7重合。所述主镜I为凹非球面反射镜，所述次镜2为凸非球面反射镜；所述主镜I和所述次镜2的材料为铝、碳化硅、铍、铍铝或微晶玻璃。所述主镜I的反射面和所述次镜2的反射面是抛物面、椭球面及双曲面等标准二次曲面或高次非球面；所述主镜I的凹反射面和所述次镜2的反射面的面形可以相同也可以不同。所述中继镜组3的第一折射透镜31基于Ge晶体材料，第一折射透镜前表面311为球面，第一折射透镜后表面312为非球面，所述非球面为标准二次曲面或高次非球面；所述第二折射透镜32基于ZNS晶体材料，第二折射透镜前表面321和第二折射透镜后表面322均为球面；所述第三折射透镜33基于BaF2晶体材料，第二折射透镜前表面331和第二折射透镜后表面332均为球面；所述第四折射透镜34基于ZnSe晶体材料，第四折射透镜前表面341为非球面，第四折射透镜后表面342为球面。参见附图3和附图4，本发明的双波段共光路共焦面成像系统，长波波段像质接近衍射极限，中波波段像质在探测器截止频率处全视场MTF达到0.35以上，系统技术指标如下:通光口径:Φ 75mm；
相对孔径:1: 2；
焦距:150mm;
视场:3.06°χ2.44°;
工作波长:中波3μηι-5μπι，长波8μιη-10μηι;
探测器像元数:320x256;
像元尺寸:25μιη；
系统总长:83mm；
畸变:<6%。表权利要求
1.双波段共光路共焦面成像系统，包括主镜(I)、次镜(2)、中继镜组(3)和焦平面探测器(8);其特征在于， 所述主镜(I)、次镜(2)、中继镜组(3)和焦平面探测器(8)在同一光轴上，所述主镜(I)的反射面和所述次镜(2)的反射面相对排布，所述主镜(I)开有中心孔，所述中继镜组(3)和焦平面探测器(8)位于所述主镜(I)的中心孔内，所述中继镜组(3)位于第一像面(4)与焦平面探测器(8)之间，主镜(I)和次镜(2)为卡塞格林结构形式；光束经主镜(I)反射后入射到次镜(2)上，由次镜(2)反射聚焦成像在第一像面(4)上；中继镜组(3)将第一像面(4)上的目标转像，聚焦到第二像面上；所述第二像面与焦平面探测器(8)的焦平面阵列(7)重口 ο
2.根据权利要求1所述的双波段共光路共焦面成像系统，其特征在于，所述光学系统光谱透过范围为3 μ m- ο μ m,系统可对中波红外和长波红外同时成像。
3.根据权利要求1所述的双波段共光路共焦面成像系统，其特征在于，所述的焦平面探测器(8)为制冷型探测器，包含焦平面探测器窗口(5)、焦平面探测器冷阑(6)和焦平面阵列(7)，所述焦平面探测器冷阑(6)位于焦平面探测器窗口(5)和焦平面阵列(7)之间，所述焦平面探测器窗口(5)基于红外透过材料，所述焦平面阵列(7)为中波红外/长波红外双波段焦平面阵列(7)或宽波段焦平面阵列(7)。
4.根据权利要求1所述的双波段共光路共焦面成像系统，其特征在于，所述主镜(I)为凹非球面反射镜，所述次镜(2)为凸非球面反射镜；所述主镜(I)和所述次镜(2)的材料为铝、碳化硅、铍、铍铝或微晶玻璃。
5.根据权利要求1所述的双波段共光路共焦面成像系统，其特征在于，所述主镜(I)的反射面为标准二次曲面或高次非球面；所述次镜(2)的反射面为标准二次曲面或高次非球面。
6.根据权利要求1所述的双波段共光路共焦面成像系统，其特征在于，所述中继镜组(3)包括沿同一光轴顺序放置的第一折射透镜(31)、第二折射透镜(32)、第三折射透镜(33)和第四折射透镜(34)。
7.根据权利要求6所述的双波段共光路共焦面成像系统，其特征在于，所述第一折射透镜(31)基于Ge晶体材料，第一折射透镜前表面(311)为球面，第一折射透镜后表面(312)为非球面。
8.根据权利要求6所述的双波段共光路共焦面成像系统，其特征在于，所述第二折射透镜(32)基于ZNS晶体材料，其第二折射透镜前表面(321)和第二折射透镜后表面(322)均为球面。
9.根据权利要求6所述的双波段共光路共焦面成像系统，其特征在于，所述第三折射透镜(33)基于BaF2晶体材料，其第三折射透镜前表面(331)和第三折射透镜后表面(332)均为球面。
10.根据权利要求6所述的双波段共光路共焦面成像系统，其特征在于，所述第四折射透镜(34)基于ZnSe晶体材料，其第四折射透镜前表面(341)为非球面，第四折射透镜后表面(342)为球面。
全文摘要
本发明的双波段共光路共焦面成像系统属于光学技术领域，目的在于解决现有技术存在的镜头质量和体积大、长度长以及杂散光难以抑制等问题。包括主镜、次镜、中继镜组和焦平面探测器；所述主镜、次镜、中继镜组和焦平面探测器在同一光轴上，所述主镜的反射面和所述次镜的反射面相对排布，所述主镜开有中心孔，所述中继镜组和焦平面探测器位于所述主镜的中心孔内，所述中继镜组位于第一像面与焦平面探测器之间，主镜和次镜为卡斯格林结构形式。本发明利用反射镜折叠光路，缩小了镜头的体积减轻了质量，使长度可以做到焦距的0.6倍以下；由于二次成像方式的采用使系统杂散光抑制容易。
文档编号G02B27/00GK103207452SQ201310094728
公开日2013年7月17日 申请日期2013年3月22日 优先权日2013年3月22日
发明者付强, 张新, 史广维, 王灵杰, 张建萍 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所