一种宽波段制冷红外折反射全景镜头的制作方法

本发明属于红外光学技术领域，具体涉及一种宽波段制冷红外折反射全景镜头。

背景技术：

由曲面反射镜和折射光学透镜组成的折反射全景成像系统是一种仅使用单个面阵探测器即可实现大视场成像系统。与此类似的有采用鱼眼镜头的鱼眼相机，然而鱼眼镜头的视场一般很难超过180°，而且鱼眼镜头对大视场光线的弯折主要发生在第一面透镜处，会带来严重的色散。相比之下，折反射全景成像系统的光线弯折主要发生在第一个曲面反射镜上，这样能有效减少色散的发生，使系统能以简单结构实现更大视场，在最近十几年已广泛应用于机器人导航、街景拍摄、视频监控、计算机视觉等领域。

相比可见光波段，红外波段的折反射全景成像系统的研究起步较晚，从2005年appliedscienceinnovations公司的viperview折反射全景红外成像仪才开始有报道。目前折反射全景红外成像系统主要应用于全景成像探测与跟踪、周边态势感知等。当前局部战争中的威胁源种类多样化，而且来自不同的方向和位置，如地面枪械/火箭弹、防空导弹、空中有人或无人飞行平台的导弹等。折反射全景红外成像系统不需要运动扫描机构、仅使用单个面阵焦平面探测器即可实现360°水平视场、大垂直视场的成像，在时间上实时地、在空间上无缝地探测、搜索和分析全景视场内的目标，对于信息化程度越来越高的现代战争尤为重要。信息化战争要求作战平台具备广域态势信息获取能力，而且每个作战平台作为信息节点，与其它作战平台一起形成综合评价威胁源信息和战场态势的信息网络。结构简单、成本低、小型化的优势使折反射全景红外成像系统适合于不同的作战平台，因此，无论从广域实时探测的角度，还是从信息化战争的角度，折反射全景红外成像系统均具有很大的应用价值。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种宽波段制冷红外折反射全景镜头，该镜头在保证大视场的前提下，可以满足在光阑后置情况下的像差消减。

本发明的技术方案为：

一种宽波段制冷红外折反射全景镜头，包含二次曲面反射镜和透镜组，所述二次曲面反射镜和透镜组共用同一光轴，且透镜组处于二次曲面反射镜的下方或上方；所述透镜组由第一折射镜、第二折射镜、第三折射镜、第四折射镜和第五折射镜构成，其中第一折射镜为等厚透镜，第二折射镜和第三折射镜为厚透镜，第四折射镜和第五折射镜为包含非球面的透镜；

在二次曲面反射镜、第一折射镜、第二折射镜、第三折射镜、第四折射镜和第五折射镜之间形成光线传输通路。

进一步地，本发明所述第一折射镜、第二折射镜和第三折射镜的材质为硒化锌(znse)或氟化镁(mgf2)。

进一步地，本发明所述第四折射镜的入射面为非球面、出射面为球面，所述第五折射镜的入射面为球面，出射面为非球面。

一种宽波段制冷红外折反射全景镜头的成像方法，为强辐射源方向测量模式，即工作波段为1μm～3μm时，采用透镜组整体朝探测器方向移动来优化对焦面。

有益效果：

第一，本发明设计了红外制冷型折反射全景镜头，制冷型系统的优势是能获得更好的成像质量，不过需要将整个系统的孔径光阑置于冷屏处，也就是孔径光阑位于整个系统的后方，但是这很大程度将增加折反射全景镜头的像差优化难度，本发明提供了一种合适的结构来实现这种光阑后置情况下的红外折反射全景镜头的像差消减。

第二，本发明的折反射全景镜头与已有的折反射系统(基本用于望远镜设计)的差异体现在：后者的投影特点与常规光学系统一样，满足透视投影模型，并且视场小，场景都被系统投影在探测器中央；而本发明的折反射全景镜头是一种环形投影成像，通过将系统竖直放置，将周围环形场景的景物投影在探测器的一个圆环带上，具有大视场的特点优势。

第三，本发明的折反射全景镜头与已有的全景系统的差异体现在：后者通常由多个常规相机环绕组成，或者由一个反射腔收集并会聚大视场下不同景物发出的光线，结构较为复杂；而本发明中的折反射全景镜头通过单个曲面反射镜和折射透镜组的组合实现周视大视场下的凝视成像，具有以简单结构实现更大视场的优势。

第四，本发明设计的红外全景镜头f数小，便于构建高灵敏度的红外全景成像系统。

附图说明

图1本发明的宽波段制冷红外折反射全景镜头；

图2本发明获得的全景图像；

图3强辐射源方向测量时透镜组微移方法；

图4中波红外成像的光路图；

图5中波红外成像时的mtf；

图6中波红外成像时的畸变及场曲；

图7中波红外成像时的弥散斑；

图8强辐射源方向测量模式的光路图；

图9强辐射源方向测量的mtf；

图10强辐射源方向测量的畸变及场曲；

图11强辐射源方向测量的弥散斑。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

目前宽波段(工作波段在1μm～5μm)制冷红外折反射全景镜头的设计存在三大难点，首先制冷红外探测器具有冷光阑结构，为了充分发挥冷光阑的效益，必须以该冷光阑为全景镜头的孔径光阑，这样孔径光阑就必需设置在整个镜头的后部，这与一般光学设计时追求的镜头前后元件相对称相悖，所以会增大像差优化的难度。其次大视场轴外光束在透镜组上的投射高和入射角较大，导致慧差、场曲、畸变、垂轴色差等像差都很大，为校正这些像差，需要设计结构复杂的光学系统。再者，设计需要满足1μm～5μm超宽工作波段范围的要求，一般的可见光材料在中波红外波段的透过率会快速下降，而锗单晶、硅单晶等常用的高折射红外材料则在短波红外波段的透过率快速下降，所以都不满足本设计1μm～5μm宽波段的需要。

如图1所示，本发明一种宽波段制冷红外折反射全景镜头，包含二次曲面反射镜和透镜组，所述二次曲面反射镜和透镜组共用同一光轴，且透镜组处于二次曲面反射镜的下方或上方；所述透镜组由第一折射镜、第二折射镜、第三折射镜、第四折射镜和第五折射镜构成，其中第一折射镜为等厚透镜，第二折射镜和第三折射镜为厚透镜，第四折射镜和第五折射镜为包含非球面的透镜；在二次曲面反射镜、第一折射镜、第二折射镜、第三折射镜、第四折射镜和第五折射镜之间形成光线传输通路。

本发明获得红外全景图像的过程为：360°水平视场、大垂直视场的宽波段红外辐射经二次曲面反射镜反射后，依次进入图1中的折射镜2至6，最终聚焦在制冷红外焦平面探测器上，在探测器内切圆上形成圆形的图像，如图2所示。

本发明采用二次曲面反射镜将360°水平视场、大垂直视场的红外辐射反射至第二折射镜中，其优点是在改变光束传播方向的同时不产生色差，包括轴向色差和放大率色差，但带来的问题是正畸变非常大。本发明第二折射镜采用为一个等厚透镜，部分补偿二次曲面反射镜引起的正畸变。同时，为发挥制冷红外焦平面探测器组件冷光阑的效益，将冷光阑作为红外全景镜头的孔径光阑，这样孔径光阑就固定在整个镜头的后部，因此，设计了一片厚透镜(第二折射镜)将镜头的主平面后移。本发明第三折射镜也是一片厚透镜，其作用是产生正场曲，补偿第二折射镜(即第1片厚透镜)产生的负场曲。第四折射镜和第五折射镜为分别包含一个非球面表面的透镜，用于补偿残余的弧矢场曲、子午场曲、畸变和慧差。

本发明提供的宽波段制冷红外折反射全景镜头的性能和功能为：工作波段1μm～5μm，水平视场360°，具备中波红外成像(3μm～5μm)和强辐射源方向测量(1μm～3μm)两种工作模式，中波红外成像时的垂直视场为-3°～+40°、像质评价以mtf为标准，在20lp/mm时mtf不小于60％。强辐射源方向测量时的垂直视场为-11.5°～+40°，最高水平角分辨力和最高垂直角分辨力均不大于7mrad/pixel。强辐射源方向测量精度由缩小可变光阑和透镜组整体向探测器方向微移来实现。可变光阑安装在透镜组与制冷红外焦平面探测器蓝宝石窗口之间，有全开和缩小两态，在中波红外成像模式下为全开态，不发挥作用。在强辐射源方向测量模式下为缩小态，该状态时通光口径尺寸为2mm，此时等价于提高系统f/#，有效减小不同视场入射光束的会聚弥散斑大小。为进一步减小弥散斑大小，在强辐射源方向测量模式下同时采用透镜组整体朝探测器方向移动来优化对焦面，如图3所示，而且这种移动可以保证光学系统的整体长度不变，对二次曲面反射镜和红外探测器组件也不产生影响，便于技术实现。

本发明的宽波段制冷红外折反射全景镜头可建立360°水平视场、大垂直视场的宽波段(1μm～5μm)凝视红外全景成像和强辐射源方向测量系统，具有视场大、色差小、响应波段宽、透过率高、体积紧凑、成本低等的优点。

本发明所述第一折射镜、第二折射镜和第三折射镜的材质,如图1所示，透镜材料选择加工工艺性好，在1μm～5μm透过率较高的硒化锌(znse)和氟化镁(mgf2)。

实施例1

针对像元规模512×512、像元中心距30μm、工作波段1μm～5μm、制冷温度77k的铂硅红外焦平面探测器，设计f#为1.4、等效焦距6mm、工作波段1μm～5μm的折反射红外全景镜头，并具备中波红外成像(3μm～5μm)和强辐射源方向测量(1μm～3μm)两种工作模式，具体性能参数为：

(1)等效焦距：6mm

(2)强辐射源方向测量波段范围：1μm～3μm

(3)中波红外成像波段范围：3μm～5μm

(4)水平视场：360°

(5)强辐射源方向测量时的垂直视场：-11.5°～+40°

(6)强辐射源方向测量的最高水平角分辨力：<6mrad/pixel

(7)强辐射源方向测量的最高垂直角分辨力：<7mrad/pixel

(8)中波红外成像时的垂直视场：-3°～+40°

(9)中波红外成像mtf:>60％@20lp/mm

(10)光学系统平均透过率：75％

所设计的光学元件表面参数如表1所示。

表1本发明宽波段制冷红外折反射全景镜头的光学元件表面参数

表1中所设计光学元件各表面的三级像差见表2。

表2实施例1中光学元件各表面的三级像差

中波红外成像模式时的光路图、mtf、畸变及场曲、弥散斑分别如图4、图5、图6和图7所示。

强辐射源方向测量模式时的光路图、mtf、畸变及场曲、弥散斑分别如图8、图9、图10和图11所示。

强辐射源方向测量模式进垂直角分辨力与水平角分辨力的计算方法为：

强辐射源方向测量模式下本实施例在不同垂直视场下的垂直角分辨力与水平角分辨力如表3所示。

表3不同垂直视场下的垂直角分辨力与水平角分辨力

本发明可以实现红外成像和强辐射源方向测量两种应用。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。