一种红外中长波双波段光学系统的制作方法

1.本发明属于成像光学系统设计技术领域，具体涉及一种红外中长波双波段光学系统。


背景技术：

2.传统的红外光学系统绝大多数为单波段系统，单一的工作波段加上目标的伪装性、环境的多样性等因素势必导致系统在获取信息方面存在一定的局限性。红外多波段光学系统，具有优于单波段系统的探测/成像能力。目前红外多波段光学系统主要采用三种构型，即分孔径式组合结构、共孔径分光路式结构和共孔径共焦式结构。其中共孔径共焦式结构可克服分光元件给系统造成的影响，结构简单、加工装调相对容易，也能降低成本，同时保证了系统的透过率和稳定性。但是能透过宽光谱范围的红外材料数量有限，材料的选择余地小，因此共孔径共焦式红外多波段光学系统的设计难点就是如何同时校正不同波段内的色差以及其它单色像差。
3.大多数红外光学材料的热敏感性远高于可见光光学材料，随着环境温度的变化，红外光学材料的折射率、元件的几何尺寸更容易发生变化，继而系统的像面发生漂移引起的热离焦将使成像质量变差，因此红外光学系统的无热化设计至关重要。目前，几种无热化技术中光学被动式无热化技术结构最为简单，无需额外添加任何调焦机构，特别适合于现代红外光电系统小型化、轻量化的设计。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是提供一种红外中长波双波段光学系统，该光学系统的工作波段覆盖红外中波、长波光谱区域，能较好的校正宽波段范围内的色差，结构简单、易于装调。
5.为了解决上述技术问题，本发明的红外中长波双波段光学系统由沿光轴物方到像方依次设置的正光焦度弯月形透镜、负光焦度弯月形透镜、正光焦度平凸透镜、光阑和像面组成；所述正光焦度弯月形透镜、负光焦度弯月形透镜的前后表面均为球面；所述正光焦度平凸透镜的前表面为球面，后表面为谐衍射面。
6.进一步，所述正光焦度弯月形透镜的前后表面曲率半径分别为50.00～60.00mm、106.12～162.53mm；负光焦度弯月形透镜的前后表面曲率半径分别为120.14～185.27mm、67.51～89.64mm；正光焦度平凸透镜的前表面曲率半径为445.30～490.00mm。
7.进一步，所述正光焦度弯月形透镜的中心厚度为5.5～6.0mm；负光焦度弯月形透镜的中心厚度为5.5～6.0mm；正光焦度平凸透镜的中心厚度为1.8～1.9mm。
8.进一步，所述正光焦度弯月形透镜与负光焦度弯月形透镜的中心空气间隔为0.68～0.72mm；负光焦度弯月形透镜与正光焦度平凸透镜的中心空气间隔为38.0～38.6mm。
9.所述正光焦度平凸透镜与光阑的中心空气间隔为5.0～5.8mm；光阑与像面的中心空气间隔为19.0mm。
10.进一步，所述正光焦度平凸透镜后表面的谐衍射面满足如下关系式：
[0011][0012][0013]
其中，f1为红外中波波段的焦距；λ1为红外中波波段的中心波长；f2为红外长波波段的焦距；λ2为红外长波波段的中心波长；p为相位深度因子；m为整数。
[0014]
进一步，所述正光焦度平凸透镜后表面的谐衍射面,其相位深度因子p为2，红外中波波段对应的衍射级次hor为5，红外长波波段对应的衍射级次hor为2，归一化半径norm radius均为4.9mm，衍射面系数c1均为-1.554～-1.261、c2均为0.526～1.666、c3均为-0.269～-0.255。
[0015]
进一步，所述正光焦度弯月形透镜的材料为硅；负光焦度弯月形透镜的材料为锗；正光焦度平凸透镜的材料为硫系玻璃材料。
[0016]
本发明的有益效果在于：光学系统采用共孔径共焦式结构，可对不同波段的目标进行成像而无需做任何调整；采用光学被动无热化技术，适应的环境温度范围可达-80℃～100℃，在任何温度下成像时都不需要额外调焦；光学系统仅使用3片透镜，结构简单且易于装调，在平面基底上引入谐衍射面，相对普通衍射面更易于加工制作，有利于节约成本，而且谐衍射面可使多个波长的理论衍射效率同时近似100％；光学系统能较好的校正红外中波、长波两个波段范围内的色差，并且实现了二级光谱的校正，在不同工作环境下都具有优良的像质，像面具有很好的热稳定性。
附图说明
[0017]
图1是本发明的红外中长波双波段光学系统的结构示意图；
[0018]
图2是本发明的红外中长波双波段光学系统实施例1在20℃时中波波段成像的调制传递函数曲线图；
[0019]
图3是本发明的红外中长波双波段光学系统实施例1在20℃时长波波段成像的调制传递函数曲线图；
[0020]
图4是本发明的红外中长波双波段光学系统实施例1在20℃时中波波段成像的纵向像差曲线图；
[0021]
图5是本发明的红外中长波双波段光学系统实施例1在20℃时长波波段成像的纵向像差曲线图；
[0022]
图6是本发明的红外中长波双波段光学系统实施例1在20℃时中波波段成像的畸变曲线图；
[0023]
图7是本发明的红外中长波双波段光学系统实施例1在20℃时长波波段成像的畸变曲线图；
[0024]
图8是本发明的红外中长波双波段光学系统实施例1在-80℃时中波波段成像的调制传递函数曲线图；
[0025]
图9是本发明的红外中长波双波段光学系统实施例1在-80℃时长波波段成像的调制传递函数曲线图；
[0026]
图10是本发明的红外中长波双波段光学系统实施例1在100℃时中波波段成像的调制传递函数曲线图；
[0027]
图11是本发明的红外中长波双波段光学系统实施例1在100℃时长波波段成像的调制传递函数曲线图；
[0028]
图12是本发明的红外中长波双波段光学系统实施例1在-80℃时中波波段成像的纵向像差曲线图；
[0029]
图13是本发明的红外中长波双波段光学系统实施例1在-80℃时长波波段成像的纵向像差曲线图；
[0030]
图14是本发明的红外中长波双波段光学系统实施例1在100℃时中波波段成像的纵向像差曲线图；
[0031]
图15是本发明的红外中长波双波段光学系统实施例1在100℃时长波波段成像的纵向像差曲线图；
[0032]
图1中：l1.正光焦度弯月形透镜，l2.负光焦度弯月形透镜，l3.正光焦度平凸透镜，1.光阑；2.像面。
具体实施方式
[0033]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
[0034]
如图1所示，本发明的红外中长波双波段光学系统，由沿光轴物方到像方依次设置的正光焦度弯月形透镜l1、负光焦度弯月形透镜l2、正光焦度平凸透镜l3、光阑1和像面2组成；所述正光焦度弯月形透镜l1的凸面朝向物方，前后表面均为球面；负光焦度弯月形透镜l2的凸面朝向物方，前后表面均为球面；正光焦度平凸透镜l3的凸面朝向物方，平面朝向像方，前表面为球面，后表面为谐衍射面。
[0035]
当所述正光焦度弯月形透镜l1的材料为硅，负光焦度弯月形透镜l2的材料为锗，正光焦度平凸透镜l3的材料为irg206、irg207、irg205、irg201等硫系玻璃材料时，光学系统适应的环境温度范围可达-80℃～100℃，在任何温度下成像时都不需要额外调焦。
[0036]
所述正光焦度平凸透镜l3后表面采用的谐衍射面，不同波段内对应的设计波长与焦距的关系满足如下关系式：
[0037][0038]
其中，f1为红外中波波段的焦距；λ1为红外中波波段的中心波长；f2为红外长波波段的焦距；λ2为红外长波波段的中心波长；p为相位深度因子，优选p等于2；m为整数。
[0039]
不同波段的光波能会聚到共同的焦点处，谐衍射面需要满足如下的谐振条件：
[0040][0041]
本发明的红外中长波双波段光学系统，正光焦度平凸透镜l3的谐衍射面面型满足如下关系式：
[0042][0043]
其中，z(r)为非球面沿光轴方向在高度为r位置时，距非球面顶点的距离矢高；c为非球面表面曲率，这里c＝1r，r为非球面的曲率半径；k为圆锥系数；a、b、c、d为非球面系数；hor为衍射级次，红外中波波段对应的衍射级次hor为5，红外长波波段对应的衍射级次hor为2；c1、c2、c3为衍射面系数，λ0为设计中心波长，n为正光焦度平凸透镜l3的折射率，n0为空气折射率。
[0044]
实施例1：
[0045]
各透镜的具体参数如表1-1所示。
[0046]
表1-1
[0047][0048]
谐衍射面的光学参数如表1-2所示。
[0049]
表1-2
[0050][0051][0052]
在本实施例中，红外中长波双波段光学系统的工作波段为3.7～4.3μm，9～11μm，3.7～4.3μm波段内的中心波长为4μm、9～11μm波段内的中心波长为10μm，相位深度因子p为2，有效焦距为71mm，f数为2.36，对角线最大半视场角为2.5
°
，工作温度为-80℃～100℃。
[0053]
如图2所示为本实施例的光学系统20℃时中波波段成像的调制传递函数曲线，不同视场的调制传递函数曲线均接近衍射极限，调制传递函数值均优于0.71，满足光学系统对分辨率的要求。
[0054]
如图3所示为本实施例的光学系统20℃时长波波段成像的调制传递函数曲线，不同视场的调制传递函数曲线均接近衍射极限，调制传递函数值均优于0.33，满足光学系统对分辨率的要求。
[0055]
如图4所示为本实施例的光学系统20℃时中波波段成像的纵向像差曲线，整个光谱范围内不同孔径带的色差校正的较好，并且实现了二级光谱的校正。
[0056]
如图5所示为本实施例的光学系统20℃时长波波段成像的纵向像差曲线，整个光谱范围内不同孔径带的色差校正的较好，并且实现了二级光谱的校正。
[0057]
如图6所示为本实施例的光学系统20℃时中波波段成像的畸变曲线图，波长3.7μm、4μm、4.3μm时全视场的畸变均小于0.31％，保真程度较好，完全满足光学系统对畸变的要求。
[0058]
如图7所示为本实施例的光学系统20℃时长波波段成像的畸变曲线图，波长9μm、10μm、11μm时全视场的畸变均小于0.32％，保真程度较好，完全满足光学系统对畸变的要求。
[0059]
如图8所示为本实施例的光学系统-80℃时中波波段成像的调制传递函数曲线，不同视场的调制传递函数曲线均接近衍射极限，调制传递函数值均优于0.63，满足光学系统对分辨率的要求。
[0060]
如图9所示为本实施例的光学系统-80℃时长波波段成像的调制传递函数曲线，不同视场的调制传递函数曲线均接近衍射极限，调制传递函数值均优于0.32，满足光学系统对分辨率的要求。
[0061]
如图10所示为本实施例的光学系统100℃时中波波段成像的调制传递函数曲线，不同视场的调制传递函数曲线均接近衍射极限，调制传递函数值均优于0.70，满足光学系统对分辨率的要求。
[0062]
如图11所示为本实施例的光学系统100℃时长波波段成像的调制传递函数曲线，不同视场的调制传递函数曲线均接近衍射极限，调制传递函数值均优于0.32，满足光学系统对分辨率的要求。
[0063]
如图12所示为本实施例的光学系统-80℃时中波波段成像的纵向像差曲线，整个光谱范围内不同孔径带的色差校正的较好，并且实现了二级光谱的校正。
[0064]
如图13所示为本实施例的光学系统-80℃时长波波段成像的纵向像差曲线，整个光谱范围内不同孔径带的色差校正的较好，并且实现了二级光谱的校正。
[0065]
如图14所示为本实施例的光学系统100℃时中波波段成像的纵向像差曲线，整个光谱范围内不同孔径带的色差校正的较好，并且实现了二级光谱的校正。
[0066]
如图15所示为本实施例的光学系统100℃时长波波段成像的纵向像差曲线，整个光谱范围内不同孔径带的色差校正的较好，并且实现了二级光谱的校正。
[0067]
实施例2：
[0068]
各透镜的具体参数如表2-1所示。
[0069]
表2-1
[0070][0071]
谐衍射面的光学参数如表2-2所示。
[0072]
表2-2
[0073]
波段(μm)kabchornorm radius(mm)c1c2c33.7～4.3000054.9-1.5540.526-0.2699～11000024.9-1.5540.526-0.269
[0074]
在本实施例中，红外中长波双波段光学系统的工作波段为3.7～4.3μm，9～11μm，3.7～4.3μm波段内的中心波长为4μm、9～11μm波段内的中心波长为10μm，相位深度因子p为2，有效焦距为71mm，f数为2.36，对角线最大半视场角为2.5
°
，工作温度为-80℃～100℃。
[0075]
本实施例的光学系统在20℃时中波、长波波段成像，调制传递函数值均分别优于0.51、0.29，满足光学系统对分辨率的要求；整个光谱范围内不同孔径带的色差校正的较好，并且实现了二级光谱的校正；波长3.7μm、4μm、4.3μm时全视场的畸变均小于0.1％，波长9μm、10μm、11μm时全视场的畸变均小于0.1％，保真程度好，完全满足光学系统对畸变的要求。
[0076]
本实施例的光学系统在-80℃时中波、长波波段成像，调制传递函数值均分别优于0.35、0.28，满足光学系统对分辨率的要求；整个光谱范围内不同孔径带的色差校正的较好，并且实现了二级光谱的校正。
[0077]
本实施例的光学系统在100℃时中波、长波波段成像，调制传递函数值均分别优于0.40、0.31，满足光学系统对分辨率的要求；整个光谱范围内不同孔径带的色差校正的较好，并且实现了二级光谱的校正。
[0078]
实施例3：
[0079]
各透镜的具体参数如表3-1所示。
[0080]
表3-1
[0081][0082]
谐衍射面的光学参数如表3-2所示。
[0083]
表3-2
[0084]
波段(μm)kabchornorm radius(mm)c1c2c33.7～4.3000054.9-1.2611.666-0.2559～11000024.9-1.2611.666-0.255
[0085]
在本实施例中，红外中长波双波段光学系统的工作波段为3.7～4.3μm，9～11μm，3.7～4.3μm波段内的中心波长为4μm、9～11μm波段内的中心波长为10μm，相位深度因子p为2，有效焦距为71mm，f数为2.36，对角线最大半视场角为2.5
°
，工作温度为-80℃～100℃。
[0086]
本实施例的光学系统在20℃时中波、长波波段成像，调制传递函数值均分别优于0.55、0.26，满足光学系统对分辨率的要求；整个光谱范围内不同孔径带的色差校正的较好，并且实现了二级光谱的校正；波长3.7μm、4μm、4.3μm时全视场的畸变均小于0.51％，波
长9μm、10μm、11μm时全视场的畸变均小于0.51％，保真程度较好，完全满足光学系统对畸变的要求。
[0087]
本实施例的光学系统在-80℃时中波、长波波段成像，调制传递函数值均分别优于0.49、0.24，满足光学系统对分辨率的要求；整个光谱范围内不同孔径带的色差校正的较好，并且实现了二级光谱的校正。
[0088]
本实施例的光学系统在100℃时中波、长波波段成像，调制传递函数值均分别优于0.52、0.25，满足光学系统对分辨率的要求；整个光谱范围内不同孔径带的色差校正的较好，并且实现了二级光谱的校正。
[0089]
实施例4：
[0090]
各透镜的具体参数如表4-1所示。
[0091]
表4-1
[0092][0093][0094]
谐衍射面的光学参数如表4-2所示。
[0095]
表4-2
[0096]
波段(μm)kabchornorm radius(mm)c1c2c33.7～4.3000054.9-1.2721.601-0.2629～11000024.9-1.2721.601-0.262
[0097]
在本实施例中，红外中长波双波段光学系统的工作波段为3.7～4.3μm，9～11μm，3.7～4.3μm波段内的中心波长为4μm、9～11μm波段内的中心波长为10μm，相位深度因子p为2，有效焦距为71mm，f数为2.36，对角线最大半视场角为2.5
°
，工作温度为-80℃～100℃。
[0098]
本实施例的光学系统在20℃时中波、长波波段成像，不同视场的调制传递函数曲线均接近衍射极限，调制传递函数值均分别优于0.71、0.31，满足光学系统对分辨率的要求；整个光谱范围内不同孔径带的色差校正的较好，并且实现了二级光谱的校正；波长3.7μm、4μm、4.3μm时全视场的畸变均小于0.26％，波长9μm、10μm、11μm时全视场的畸变均小于0.27％，保真程度较好，完全满足光学系统对畸变的要求；
[0099]
本实施例的光学系统在-80℃时中波、长波波段成像，不同视场的调制传递函数曲线均接近衍射极限，调制传递函数值均分别优于0.70、0.29，满足光学系统对分辨率的要求；整个光谱范围内不同孔径带的色差校正的较好，并且实现了二级光谱的校正。
[0100]
本实施例的光学系统在100℃时中波、长波波段成像，不同视场的调制传递函数曲线均接近衍射极限，调制传递函数值均分别优于0.71、0.31，满足光学系统对分辨率的要求；整个光谱范围内不同孔径带的色差校正的较好，并且实现了二级光谱的校正。
[0101]
实施例5：
[0102]
各透镜的具体参数如表5-1所示。
[0103]
表5-1
[0104][0105][0106]
谐衍射面的光学参数如表5-2所示。
[0107]
表5-2
[0108]
波段(μm)kabchornorm radius(mm)c1c2c33.7～4.3000054.9-1.2631.666-0.2589～11000024.9-1.2631.666-0.258
[0109]
在本实施例中，红外中长波双波段光学系统的工作波段为3.7～4.3μm，9～11μm，3.7～4.3μm波段内的中心波长为4μm、9～11μm波段内的中心波长为10μm，相位深度因子p为2，有效焦距为71mm，f数为2.36，对角线最大半视场角为2.5
°
，工作温度为-80℃～100℃。
[0110]
本实施例的光学系统在20℃时中波、长波波段成像，不同视场的调制传递函数曲线均接近衍射极限，调制传递函数值均分别优于0.70、0.31，满足光学系统对分辨率的要求；整个光谱范围内不同孔径带的色差校正的较好，并且实现了二级光谱的校正；波长3.7μm、4μm、4.3μm时全视场的畸变均小于0.26％，波长9μm、10μm、11μm时全视场的畸变均小于0.28％，保真程度较好，完全满足光学系统对畸变的要求；
[0111]
本实施例的光学系统在-80℃时中波、长波波段成像，不同视场的调制传递函数曲线均接近衍射极限，调制传递函数值均分别优于0.68、0.30，满足光学系统对分辨率的要求；整个光谱范围内不同孔径带的色差校正的较好，并且实现了二级光谱的校正。
[0112]
本实施例的光学系统在100℃时中波、长波波段成像，不同视场的调制传递函数曲线均接近衍射极限，调制传递函数值均分别优于0.67、0.31，满足光学系统对分辨率的要求；整个光谱范围内不同孔径带的色差校正的较好，并且实现了二级光谱的校正。
[0113]
实施例6：
[0114]
各透镜的具体参数如表6-1所示。
[0115]
表6-1
[0116][0117]
谐衍射面的光学参数如表6-2所示。
[0118]
表6-2
[0119]
波段(μm)kabchornorm radius(mm)c1c2c33.7～4.3000054.9-1.2721.621-0.2589～11000024.9-1.2721.621-0.258
[0120]
在本实施例中，红外中长波双波段光学系统的工作波段为3.7～4.3μm，9～11μm，3.7～4.3μm波段内的中心波长为4μm、9～11μm波段内的中心波长为10μm，相位深度因子p为2，有效焦距为71mm，f数为2.36，对角线最大半视场角为2.5
°
，工作温度为-80℃～100℃。
[0121]
本实施例的光学系统在20℃时中波、长波波段成像，不同视场的调制传递函数曲线均接近衍射极限，调制传递函数值均分别优于0.71、0.31，满足光学系统对分辨率的要求；整个光谱范围内不同孔径带的色差校正的较好，并且实现了二级光谱的校正；波长3.7μm、4μm、4.3μm时全视场的畸变均小于0.27％，波长9μm、10μm、11μm时全视场的畸变均小于0.28％，保真程度较好，完全满足光学系统对畸变的要求；
[0122]
本实施例的光学系统在-80℃时中波、长波波段成像，不同视场的调制传递函数曲线均接近衍射极限，调制传递函数值均分别优于0.69、0.30，满足光学系统对分辨率的要求；整个光谱范围内不同孔径带的色差校正的较好，并且实现了二级光谱的校正。
[0123]
本实施例的光学系统在100℃时中波、长波波段成像，不同视场的调制传递函数曲线均接近衍射极限，调制传递函数值均分别优于0.70、0.31，满足光学系统对分辨率的要求；整个光谱范围内不同孔径带的色差校正的较好，并且实现了二级光谱的校正。
[0124]
本发明不限于上述实施例，当各透镜采用其他光学材料时，在常温下均能够获得良好的成像效果。