用于测量U型折转热像仪光学传递函数的方法与流程

本发明属于光电成像领域，尤其涉及一种测量光轴折转180度红外热像仪的光学传递函数系统。
背景技术：
：随着科学技术的发展，武器系统中对红外热像仪的体积要求越来越高。红外热像仪设计时基本采用两块反射镜作u型折叠，通过折叠光路来满足系统体积上的要求。u型折转形式布局，光线从大物镜入射经过一系列透镜及两片反射镜汇聚至探测器像面，方向折转了180度。如附图1所示。对于制冷型红外焦平面成像系统，光学mtf值是所有光学性能指标中最全面的判据，目前有很多预测系统性能的模型，从这些模型可以看出，mtf与netd、mrtd三者之间相互影响，相互制约，三者中任意一值变化都会影响系统的识别距离。热像仪正常的装调过程，都是在整机装配完成后进行netd、mrtd的测试，如果整机指标超标，则需要重新拆掉重装，工作量非常大。然而，光学mtf值是衡量产品光机性能的重要指标，在产品装配过程中进行光学mtf的测试，可以有效保证产品的装调效率，测试热像仪的光学mtf也应该在整机状态下进行，这样的光学mtf才是产品的正常状态，真正反映产品的实际情况。目前用于测量光学mtf的测量仪一般只能测量光轴为直线的镜头，不能直接测量光轴转向180度的产品，且没有相关测量附件。热像仪整机由于受壳体外形尺寸要求，实际成像面距离探测头位置非常狭窄，直接测量不可实现，所以必须避开热像仪外壳尺寸限制将像面引出才能得到有效测量。因此，如何避开外壳尺寸限制将热像仪的成像面引出至mtf测量仪可测量位置，对于实际热像仪的mtf测量至关重要。现有一种采用光纤引出法将成像面从一个位置传递至另一个位置的方法，像的传入和传出均在光纤的两端，但是这种方法实践中发现并不适用于光学mtf的测量。技术实现要素：本发明的目的是提供一种满足光瞳对接的红外转接系统，避开热像仪外壳尺寸限制，可将像面引出，使其得到有效测量。用于测量u型折转热像仪光学传递函数的方法，其特征在于该方法是将u型折转热像仪通过另一个红外转接系统，与u型折转热像仪匹配后，将热像仪成像面引出至相应位置，并通过mtf测量仪测量其光学传递函数；所述的另一个红外转接系统，其沿光轴从物侧到像侧依次设置第一反射镜、具有正光焦度的场镜，即第一透镜、第二反射镜、具有正光焦度的第二透镜、系统光阑、具有正光焦度的第三透镜、具有正光焦度的第四透镜及成像面。所述的红外转接系统中场镜为凹面朝向物侧的正弯月透镜，第二透镜为双凸透镜；第三透镜第一面为凹面朝向物侧的正弯月透镜，第四透镜为双凸透镜，第三透镜的第二面为非球面基底的衍射面，第四透镜第一面为非球面。所述的四片透镜是锗或硅材料。所述的另一个红外转接系统，其特征在于该系统与u型折转热像仪匹配，系统中各光学元器件的设置需要满足以下条件：(1)镜头光阑设置在第二透镜和第三透镜之间，物像比设为1:1；(2)第一透镜的焦距和光学系统焦距满足下列的表达式：-3<f1/f<-2；其中，f1为第一透镜的焦距，f为整个光学系统的焦距；(3)第二透镜的焦距和光学系统焦距满足下列的表达式：-5<f2/f<-4；其中，f2为第二透镜的焦距，f为整个光学系统的焦距；(4)第三透镜的焦距和光学系统的焦距满足下列的表达式：-50<f3/f<-35；其中，f3为第三透镜的焦距，f为整个光学系统的焦距；(5)第四透镜的焦距和光学系统的焦距满足下列的表达式：-4<f4/f<-2.5；其中，f4为第四透镜的焦距，f为整个光学系统的焦距；(6)满足瞳对接关系，物像比1:1；(7)满足光学系统的像差足够小。采用本发明的方法，满足热像仪与mtf测量仪之间的光瞳对接关系，具有适合的数值孔径，与热像仪匹配后不切割热像仪的视场，转接系统的mtf值要达到设计的衍射极限，与热像仪匹配后不影响热像仪的mtf值，即满足光瞳对接的，具有合适的数值孔径且mtf值达到衍射极限的转接系统，与红外热像仪匹配后可以将成像面引出至适当位置，再通过mtf测量仪测量。通过红外转接系统可以解决无法测量具有u型折转结构的红外热像仪整机的问题。附图说明图1是采用u型折转的制冷型热像仪光学布局图；图2是本发明实施例结构示意图；其中，a为第一反射镜、b为场镜、c为第一透镜、d为第二反射镜、e为第二透镜、f为光阑、g为第三透镜、h为第四透镜、i为成像面、1为面序一、2为面序二、3为面序三、4为面序四、5为面序五、6为面序六、7为面序七、8为面序八、9为面序九、10为面序十。图3是本发明实施例的色差曲线图；其中，曲线图由3.7μm、3.9μm、4.2μm、4.5μm及4.8μm五个波长来表示，单位为mm；图4是本发明实施例的像散、畸变曲线图；其中，场曲畸变图由图3的五个波长来表示，场曲单位为mm，畸变曲线图标示不同视场角下的畸变大小值，用％表示；图5是本发明实施例的mtf曲线图；其中，mtf曲线图代表光学系统的综合成像，根据系统要求达到30线对每毫米。具体实施方式实施例1：用于测量u型折转热像仪光学传递函数的方法，该方法是将u型折转热像仪通过另一个红外转接系统，与u型折转热像仪匹配后，将热像仪成像面引出至相应位置，并通过mtf测量仪测量其光学传递函数。所述的另一个红外转接系统，其沿光轴从物侧到像侧依次设置第一反射镜a、具有正光焦度的场镜b，即第一透镜c、第二反射镜d、具有正光焦度的第二透镜e、系统光阑f、具有正光焦度的第三透镜g、具有正光焦度的第四透镜h及成像面i。被测热像仪的像面被场镜及第二透镜引出并形成平行光束，然后被第三透镜及第四透镜汇聚至最终成像面，实现了像面的转接。其中第一反射镜及第二反射镜改变光路方向，使最终的成像面可被mtf测试仪测量。其中，该红外转接系统中场镜为凹面朝向物侧的正弯月透镜，第二透镜为双凸透镜；第三透镜第一面为凹面朝向物侧的正弯月透镜，第四透镜为双凸透镜，第三透镜的第二面为非球面基底的衍射面，第四透镜第一面为非球面。第三透镜第二面及第四透镜第一面为非球面，可以对像差进行较好的校正，衍射面具有消色差的功能，采用衍射面能够有效补偿光学系统中的色差。四片透镜中除第二透镜采用硅材料外，其余均为锗材料。硅及锗均为常用红外材料，在加工方面工艺比较成熟，相对于硫系材料，硅及锗在光学稳定性、环境适应性及可加工工艺性上有着较大的优势。所述的另一个红外转接系统，需与u型折转热像仪匹配，以达到不影响被测热像仪传递函数的要求，所述的匹配，则需要系统中各光学元器件的设置需要满足以下条件：(1)镜头光阑设置在第二透镜和第三透镜之间，物像比设为1:1；(2)第一透镜的焦距和光学系统焦距满足下列的表达式：-3<f1/f<-2；其中，f1为第一透镜的焦距，f为整个光学系统的焦距；(3)第二透镜的焦距和光学系统焦距满足下列的表达式：-5<f2/f<-4；其中，f2为第二透镜的焦距，f为整个光学系统的焦距；(4)第三透镜的焦距和光学系统的焦距满足下列的表达式：-50<f3/f<-35；其中，f3为第三透镜的焦距，f为整个光学系统的焦距；(5)第四透镜的焦距和光学系统的焦距满足下列的表达式：-4<f4/f<-2.5；其中，f4为第四透镜的焦距，f为整个光学系统的焦距。满足上述的条件要求外，系统还要满足瞳对接关系，物像比1:1，以及满足光学系统的像差足够小，即像质要好这两个双重目的。不同形式的光学系统，对像差水平的要求各有不同，因此，光学系统的像差要根据相应光学系统的像差水平作为依据进行判据。满足上述双重目的，一般用常用的光学软件优化计算来实现，最常用的是zemax及codev软件。本实施例中使用的光学软件是美国radiantzemax公司的opticstudio软件，版本号15.5。这个软件是专门用于光学设计的，优化过程使用的是它的序列成像功能。优化时有系统有一个初始结构，这个初始结构参照张以谟主编的《应用光学》中阐述的光学计算过程。初始结构的获得是根据瞳对接关系，物像比1:1，系统长度设为254mm；设有四片透镜，假定其材料为锗、硅、锗、锗，分别算出四片透镜的焦距，然后再根据各透镜的焦距算出各透镜的半径值，假设透镜厚度假定为10mm计算得的。本实施例中的初始结构，经计算参数如下表所示：表一：上述的参数经软件优化计算后，得到的各透镜的参数如表二，非球面参数表及衍射面表所列的各数值如表三、表四。表二：其中，面型为非球面时，满足下列表达式：式中，z为非球面沿光轴方向在高度为y的位置时，距非球面顶点的距离矢高sag，r表示镜面的近轴曲率半径，k为圆锥系数conic，a、b、c为高次非球面系数。求出非球面参数，列于下表三中。表三：非球面kabc805.952272e-74.016495e-103.369766e-1290-6.795664e-72.281918e-10-2.794232e-13面型为衍射面则满足下列表达式：φ＝∑naiρ2i；式中ρ＝r/ri,ri是衍射面规划半径，ai是衍射面相位系数。求出衍射面参数如表四。表四：衍射面规划半径相位系数1相位系数2相位系数3816.1-78.617.06-13.09采用软件进行优化运算，其算法采用最小二乘法，这种算法就是不断往最小值逼近，非准确求值，因此优化过程中得到的参数都不是一模一样的。在本实施例中，光学系统的焦距f＝-12.156mm，数值孔径na＝0.2，物方像高12.3mm。场镜的第一面曲率半径r1＝-37.19mm，场镜的焦距f1＝26.59mm，第二透镜的焦距f2＝55.92mm，第三透镜的焦距f3＝508.17mm，第四透镜的焦距f4＝36.69mm。其中na光学系统的数值孔径(na)是一个无量纲的数，用以衡量该系统能够收集的光的角度范围。附图3、图4、图5为本实施例的光学特性曲线，从附图可以看出，该转像系统mtf已接近衍射极限，已将各种像差校正到足以满足实用要求。上述表格中的具体参数仅仅是本实施例的例式值，各透镜的参数不限于由上述各数值实施例所示出的值，可以采用其他的值，都可以达到类似的效果。虽然上面描述了本发明的原理以及具体实施方式，但是，在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行各种改进和变形，而这些改进或者变形落在本发明的保护范围内。本领域技术人员应该明白，上面的具体描述只是为了解释本发明的目的，并非用于限制本发明。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。当前第1页12