专利名称：大口径宽视场双波段折射式红外相机光学系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学元件、系统，具体是指能同时在2-3um、3-4.5um两波段成像的大口径、宽视场红外相机光学系统。它主要用在超长线阵扫描红外相机上，但也可用在超大面阵凝视红外相机上。
背景技术：
在空间科学、天文研究、地球信息及其环境信息等方面，高分辨率、高灵敏度的红外相机发挥着越来越重要的作用。而红外相机光学系统是高分辨率、高灵敏度红外相机的关键部件。随着目前红外焦平面技术的发展，红外焦平面尺寸越来越大，因此迫切需要大视场的红外相机镜头。同时，由于红外相机的成像性能及光能量的要求，红外相机镜头还需具备大口径。因此可见，大口径大视场宽波段是目前红外相机光学系统发展的方向。
反射式光学系统虽然不引入色差，容易做到宽波段，但是很难做到大视场。有些特殊结构的反射式光学系统，如“离轴消像散三反射镜系统”虽然能够做到大视场，但是由于使用了高次非球面镜，加工难度很大，且该系统无参考轴，装校极为复杂，一般很少使用。折射式光学系统虽然受色差影响，对宽波段成像比较困难，但是可以通过采用一定的手段校正系统的色差，实现宽波段成像。并且由于折射式光学系统视场容易做大，因此在很多场合中有着广泛的应用。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种大口径、宽视场折射式红外相机光学系统。
本发明的光学系统如图1所示，光学系统从物方至象方按顺序由第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、冷箱窗口6和冷光分色组7组成。
所说的冷光分色组7是由置于真空冷箱13中的三棱镜8和滤光片9、10组成。
所说的冷光分色组7也可以是由置于真空冷箱中的滤光片9、10组成。
所说的滤光片9、10分别透过2μm-3μm和3μm-4.5μm波段的光。
当用于扫描红外成像系统时，如图1和图2所示，来自不同视场的物方光束依次透过第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、冷箱窗口6进入真空冷箱13的冷光分色组7，再被冷光分色组7的三棱镜8按视场分光，分开的光束再经过各自不同波段的滤光片9、10滤光后聚焦在二条线阵探测器11、12上，实现了两条探测器双波段同时扫描成像。
当用于凝视红外成像系统时，如图3所示，只需将冷光分色组中的棱镜8去掉，滤光片9或10中的其一置于光路中。进入冷光分色组7的入射光，经过滤光片9或10滤光，在超大面阵红外焦平面上进行2μm-3μm或3μm-4.5μm波段的凝视成像。凝视红外成像光学系统与扫描红外光学系统的区别在于，冷光分色组中去掉了棱镜，虽然光学系统也能对两个波段成像，但是不能两个波段同时成像。
所说的第一透镜1的凸面为球面，凹面为球面，采用硅材料。
第二透镜2的凸面为球面，凹面为双曲面，采用硅材料。
第三透镜3的凸面为球面，凹面为球面，采用氟化钙材料。
第四透镜4的凸面为球面，凹面为扁圆面，采用锗材料。
第五透镜5的两个凸表面均为球面，采用硅材料。
三棱镜8采用微晶玻璃材料。
本光学系统的五片透镜采用正—负—正结构，光学系统的主要像差是色差和球差，此外还有慧差、场曲和像散等其他像差。
采用正—负—正结构是为了消除色差和校正场曲，是由于场曲与系统总光焦度成比例。一片透镜对于系统光焦度的贡献与它的光焦度和通过孔径光阑的边缘光线的高度的乘积成正比，将第四透镜4即负透镜置于光学系统的中间，使得其虽然光焦度大，但是边缘光线在透镜上的高度较低，对总光焦度贡献较低，可以改善场曲。此外由于单个透镜色差的大小与光焦度成正比，与材料色散程度成正比，使用正—负—正结构和不同材料透镜的组合，可以消色差。
本光学系统采用了硅、锗、氟化钙三种不同材料的透镜来控制色差，从左到右分别是第一硅透镜、第二硅透镜、第三氟化钙透镜、第四锗透镜、第五硅透镜。对于残余的色差、慧差、球差、像散，我们采用了两片二次非球面来消除。为了降低加工和检验难度，二次非球面位于尺寸较小的第二硅透镜和第四锗透镜的凹面上。第二硅透镜的凹面为双曲面，第四锗透镜的凹面为扁圆面。
硅、锗晶体的折射率对于温度敏感，但是根据其折射率随温度的变化公式分析计算，其温度在小范围内变化(±20°)是可以通过移动焦面来补偿的。在±20°的小范围内，移动焦面可以很好的补偿热焦移，而不会带来像质的劣化。一般的机械结构就可以方便的实现焦面移动。当然，如果室内条件下，控制环境温度在20℃左右即可无需调焦。
本光学系统的优点是在红外宽波段范围内实现大口径、大视场，其线视场达到172mm，能完全覆盖大尺寸红外焦平面探测器。同时，入瞳直径为150mm的大口径既保证了在2μm-4.5μm波段范围内光学系统衍射艾利斑尺寸小于像元尺寸，又增大了入射光能，使该光学系统具有良好的成像质量。同时，本系统的冷光分色组采用一个三棱镜进行视场分光，将两个特定视场的光线反射到两条探测器上，整个冷光分色组置于一个冷箱中，实现短波、中波两条探测器在一个冷箱中同时成像。
图1为本发明的扫描红外相机光学系统的结构示意图。
图中d1为第一透镜1后表面和第二透镜2前表面的间隔距离；d2为第二透镜2后表面和第三透镜3前表面的间隔距离；d3为第三透镜3后表面和第四透镜4前表面的间隔距离；d4为第四透镜4后表面和第五透镜5前表面的间隔距离；；d5为第五透镜5后表面和三棱镜顶角的间隔距离。
图2为图1的俯视图。
图3为凝视红外相机光学系统结构示意图。
具体实施例方式
根据图1的光学系统结构，我们设计了一大口径、宽视场、双波段红外相机光学系统，其具体技术指标如下双波段2μm-3μm，3μm-4.5μm入瞳直径150mm焦距410mmF/#2.73视场±12°像质接近衍射极限。
光学系统的具体设计参数如表1所示。
表1
权利要求
1.一种大口径宽视场双波段折射式红外相机光学系统，包括五片透镜、和冷光分色组，其特征在于a).光学系统从物方至象方按顺序由第一透镜(1)、第二透镜(2)、第三透镜(3)、第四透镜(4)、第五透镜(5)、冷箱窗口(6)和冷光分色组(7)组成；b).所说的冷光分色组(7)是由置于真空冷箱(13)中的三棱镜(8)和滤光片(9、10)组成；c).来自物方的光束依次透过第一透镜(1)、第二透镜(2)、第三透镜(3)、第四透镜(4)、第五透镜(5)，冷箱窗口(6)进入真空冷箱(13)的冷光分色组(7)，经冷光分色组(7)的三棱镜(8)分成两束光，再经过各自不同波段的滤光片(9、10)滤波分别在二条线阵探测器上成像；d).所说的第一透镜(1)的凸面为球面，凹面为球面，采用硅材料；第二透镜(2)的凸面为球面，凹面为双曲面，采用硅材料；第三透镜(3)的凸面为球面，凹面为球面，采用氟化钙材料；第四透镜(4)的凸面为球面，凹面为扁圆面，采用锗材料；第五透镜(5)的两个凸面均为球面，采用硅材料；三棱镜(8)采用微晶玻璃材料。
2.根据权利要求1的一种大口径宽视场双波段折射式红外相机光学系统，其特征在于所说的滤光片(9、10)的透射波段分别为2μm-3μm和3μm-4.5μm波段。
3.根据权利要求1的一种大口径宽视场双波段折射式红外相机光学系统，其特征在于所说的冷光分色组(7)也可以是由置于真空冷箱中的滤光片(9或10)组成；进入冷光分色组(7)的入射光，经过滤光片(9或10)滤光，在超大面阵红外焦平面上进行2μm-3μm或3μm-4.5μm的凝视成像。
全文摘要
本发明公开了一种大口径宽视场双波段折射式红外相机光学系统，该光学系统由五片透镜和冷光分色组组成。本光学系统的五片透镜采用正—负—正结构是为了消除色差和校正场曲。采用了硅、锗、氟化钙三种不同材料的透镜来控制色差，包括三片硅透镜、一片氟化钙透镜、一片锗透镜。对于残余的色差及球差、慧差及像散的消除主要采用两片二次非球面来实现。本光学系统的优点是在红外宽波段范围内实现大口径、大视场，其线视场达到172mm，能完全覆盖超长线阵红外焦平面探测器。同时，入瞳直径为150mm的大口径既保证了在2μm－4.5μm波段范围内光学系统衍射艾利斑尺寸小于像元尺寸，又增大了入射光能，使该光学系统具有良好的成像质量。
文档编号G02B3/00GK1725055SQ200510027820
公开日2006年1月25日 申请日期2005年7月18日 优先权日2005年7月18日
发明者李仲禹, 王敬, 孙胜利 申请人:中国科学院上海技术物理研究所