长波红外成像光学系统的制作方法

本发明涉及成像光学技术领域，尤其涉及一种长波红外成像光学系统。

背景技术：

大气、烟云等可吸收可见光和近红外线，但是对3～5um和8～14um的热红外线却近似透明的。因此，这两个波段被称为热红外线的“大气窗口”。利用这两个窗口，可以使人们在完全无光的夜晚，或是在烟云密布的战场，清晰地观察到前方的情况。正是由于这个特点，热红外成像技术在军事上提供了先进的夜视装备，并为飞机、舰艇和坦克装上了全天候前视系统。这些系统在海湾战争中发挥了非常重要的作用。另外，物体的热辐射能量的大小，直接和物体表面的温度相关。热辐射的这个特点使人们可以利用它来对物体进行无接触温度测量和热状态分析，从而为工业生产、节约能源、保护环境等等方面提供了一个重要的检测手段和诊断工具。

随着现代技术的迅猛发展，8-14μm长波非制冷探测器在性能、体积、重量上的优势逐步凸显出来，而且相对于3-5μm的中波红外波段，8-14μm长波红外波段具有更好的大气、烟雾穿透性，能够适应低温、潮湿、太阳干扰等环境下探测。随着应用需求的提高，针对长波红外成像光学系统在军民领域的实际应用，对小型化、轻量化、低杂散光、结构紧凑、高性能价格比等的要求也逐渐提高。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提出一种小型化、轻量化、低杂散光、结构紧凑、高性能价格比的长波红外成像光学系统，可以实现便携式、实时在线监测。

一种长波红外成像光学系统，其包括沿入射光线的传播方向依次顺序设置的保护罩、用于成像及像差校正的多个透镜、探测器窗口及探测器芯片，所述多个透镜中至少一个表面为旋转对称偶次非球面。

本发明一较佳实施方式中，所述多个透镜包括用于成像的第一透镜、用于像差校正的第二透镜及用于成像的第三透镜，所述保护罩、所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述探测器窗口及所述探测器芯片沿入射光线的传播方向依次顺序设置、且位于同一光轴。

本发明一较佳实施方式中，所述保护罩为硫化锌透镜，其形状为半球形。

本发明一较佳实施方式中，所述第一透镜为锗镜片。

本发明一较佳实施方式中，所述第一透镜朝向所述反射罩的前表面为球面、朝向所述第二透镜的后表面为旋转对称偶次非球面，由此，所述第一透镜具有正的光焦度，可以起到成像作用。

本发明一较佳实施方式中，所述第二透镜为锗镜片。

本发明一较佳实施方式中，所述第二透镜朝向所述第一透镜的前表面和朝向所述第三透镜的后表面均为旋转对称偶次非球面。由此，所述第二透镜为高级像差矫正镜，具有较小的负光焦度，主要起到像差校正作用，并负责平衡正透镜所产生的球差、彗差、色差等轴上像差。

本发明一较佳实施方式中，所述第三透镜为硒化锌透镜。

本发明一较佳实施方式中，所述第三透镜朝向所述第二透镜的前表面和朝向所述探测器窗口的后表面均为旋转对称偶次非球面。由此，所述第三透镜具有正的光焦度，可以起到成像作用。

本发明一较佳实施方式中，所述探测器窗口为单晶硅平板玻璃。

相较于现有技术，本发明提供的长波红外成像光学系统，多个透镜中至少一个表面为旋转对称偶次非球面，用一个非球面代替复杂系统中的若干透镜，可以有效的简化结构。

同时，一般的透镜系统达不到的成像质量，采用了非球面，其系统内各种像差得到校正和补偿，降低了系统内杂散光的影响，使成像质量实现了提高。

此外，多个透镜中至少一个表面为旋转对称偶次非球面，减少了长波红外成像光学系统的镜片数量，降低了系统的复杂性，减轻了系统的重量，实现了长波红外成像光学系统小型化、轻量化的目标。

附图说明

图1为本发明提供的长波红外成像光学系统的结构示意图；

图2为图1所示长波红外成像光学系统的成像质量评价函数-MTF曲线图；

图3为图1所示长波红外成像光学系统的成像质量评价函数-点列图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明提供一种长波红外成像光学系统，其包括沿入射光线的传播方向依次顺序设置的保护罩、用于成像及像差校正的多个透镜、探测器窗口及探测器芯片，所述多个透镜中至少一个表面为旋转对称偶次非球面。

请参阅图1，为本发明一较佳实施例提供的长波红外成像光学系统的结构示意图，本实施例中，所述长波红外成像光学系统包括保护罩1、用于成像的第一透镜2、用于像差校正的第二透镜3、用于成像的第三透镜4，探测器窗口5及探测器芯片6，所述保护罩1、所述第一透镜2、所述第二透镜3、所述第三透镜4、所述探测器窗口5及所述探测器芯片6沿入射光线的传播方向依次顺序设置、且位于同一光轴。

物面位于无穷远处，可以理解成目标光线呈平行光入射到保护罩1上，光线依次经过所述第一透镜2、所述第二透镜3和所述第三透镜4，分别发生光线折射，并穿过所述探测器窗口5，最终聚焦在所述探测器芯片6的感光面上成像。

本实施例中，所述保护罩1为硫化锌透镜，其形状为半球形。具体地，所述保护罩1的外口径为70mm，内口径为62mm，厚度为4mm。优选地，所述保护罩1采用硫化锌材料，具有良好的化学稳定性，可以起到保护镜的作用。可以理解的是，所述保护罩1的形状、尺寸并不局限于本实施例，实际设计时，可根据具体应用环境和实用要求等进行设计。

本实施例中，所述第一透镜2为锗镜片。所述第一透镜2朝向所述反射罩1的前表面为球面、朝向所述第二透镜3的后表面为旋转对称偶次非球面，由此，所述第一透镜2具有正的光焦度，可以起到成像作用。

本发明另一实施例中，所述第二透镜3为锗镜片。所述第二透镜3朝向所述第一透镜2的前表面和朝向所述第三透镜4的后表面均为旋转对称偶次非球面。由此，所述第二透镜3为高级像差矫正镜，具有较小的负光焦度，主要起到像差校正作用，并负责平衡正透镜所产生的球差、彗差、色差等轴上像差，进而可以有效地降低系统内杂散光的影响，使成像质量得到提高。

本发明另一实施例中，所述第三透镜4为硒化锌透镜。所述第三透镜4朝向所述第二透镜3的前表面和朝向所述探测器窗口5的后表面均为旋转对称偶次非球面。由此，所述第三透镜4具有正的光焦度，可以起到成像作用。

本实施例中，所述探测器窗口5为单晶硅平板玻璃，具体地，其厚度为0.7mm，可以理解的是，并不局限于此，所述探测器窗口5的厚度也可以根据具体应用环境和实用要求等进行设计。

可以理解的是，成像光学系统是信息传递系统，从物面到像面，输出图像质量完成取决于光学系统传递特性。几何光学是在空域研究光学系统成像规律，其实与空域相平行还可以在频域中分析光学系统成像质量，即用传递函数来研究系统空间频率传递特性，是一种能全面评价光学系统成像质量的好方法。一般来说，在MTF曲线中高频部分反映物体细节传递情况，中频部分反映光学物体层次传递情况，低频部分则反映物体轮廓传递情况。请参阅图2，为本发明提供的长波红外成像光学系统的成像质量评价函数-MTF曲线图，可知，所有视场的MTF曲线在截止频率30lp/mm时的数值均高于0.35，满足一般成像光学系统所要求的0.2以上。另外，图2中所有视场的子午、弧矢传函均比较接近，说明该本发明提供的长波红外成像光学系统的像差校正接近理想情况。

由一点发出的许多光线经光学系统后，因像差使其与像面的交点不再集中于同一点，而形成了一个散布在一定范围的弥散图形，称为点列图。点列图忽略了衍射效应。实验和实用结果表明，在大像差系统的点列图中，点的分布能近似地代表点像的能量分布。因此，用点列图中点的密集程度可以衡量系统成像质量的优劣。请参阅图3，为本发明提供的长波红外成像光学系统的成像质量评价函数-点列图，可知，在8um～14um长波红外、0°～12°半视场角范围内，长波红外成像光学系统在像面处的点斑均小于或接近于衍射极限(艾里斑半径13.07um)；与此同时，除第5、第6视场受较为明显的彗差影响，其余视场时的像差影响可以忽略。

请参阅如下表1，为本发明提供的长波红外成像光学系统的光学设计参数。

表1长波红外成像光学系统的光学设计参数

相较于现有技术，本发明提供的长波红外成像光学系统，多个透镜中至少一个表面为旋转对称偶次非球面，用一个非球面代替复杂系统中的若干透镜，可以有效的简化结构；同时，一般的透镜系统达不到的成像质量，采用了非球面，其系统内各种像差得到校正和补偿，降低了系统内杂散光的影响，使成像质量实现了提高。此外，多个透镜中至少一个表面为旋转对称偶次非球面，减少了长波红外成像光学系统的镜片数量，降低了系统的复杂性，减轻了系统的重量，实现了长波红外成像光学系统小型化、轻量化的目标。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。