专利名称：用于红外中波探测器的小型光学系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学元件技术领域，尤其涉及ー种用于红外中波探測器的小型光学系统。
背景技术：
近年来，红外成像技术及应用在各国受到广泛的重视，并得到蓬勃的发展。红外焦平面探測器技术的日益成熟，为满足各领域的需求提供了良好的基础，进一歩促进了红外光学系统的发展。相对于可见光相机而言，红外相机探测对象是低对比度的弱目标。目标探测能力是衡量红外相机性能的关键指标。红外相机中包括光学系统和红外探測器，提高红外相机探測能力可以采取三种措施，一是采用高灵敏度的制冷型红外探測器；ニ是增加红外光学系统的有效口径；三是提高红外光学系统的透过率。与非制冷红外探測器相比，制冷红外型探测器组件体积较大，包括制冷杜瓦组件，杜瓦组件中含有冷光阑。冷光阑只允许视场中的有用光线到达探測器，以减小热辐射背景的影响，为此光学系统要求具有100%的冷光阑效率。现有的用于制冷型红外探測器的光学系统，冷光阑均作为孔径光阑并且位于光学系统的后端。用于非制冷探測器的红外光学系统的孔径光阑的位置可以根据像差校正与体积的需要任意放置，而用于制冷型红外探測器的光学系统的孔径光阑的位置固定，不利于光学系统像差的优化平衡，也不利于光学系统体积的缩小。随着光学系统有效口径的増大，使红外探測器接收来自目标或背景的红外辐射越来越多，红外相机的探測能力也越強。口径的増大势必增加孔径量像差的校正难度。另外，与可见光相比，红外光的波长较长，光学艾利斑直径较大，从而导致红外相机的分辨率远远低于可见光相机，増加光学系统的焦距是提高红外相机分辨率的有效途径，进而提高红外相机对目标的识别能力。然而，焦距变长会导致红外光学系统的色差难以控制。与可见光材料相比，红外材料的吸收较大，例如，锗单晶在3. 8μπι的吸收系数为
I.35X10_2/cm;红外增透薄膜的透过率至少比可见光增透薄膜的透过率低两个百分点，这大大限制了单个红外光学零件透过率；因此，在保证良好成像质量的前提下，追求光学零件数量的最小化，以提高红外光学系统的透过率，是红外相机设计过程中所关注的重点之一。然而，光学零件数量的减少势必影响光学系统像差的校正能力。在许多场合，只具有单ー视场的红外光学系统已远远不能满足要求，双视场红外光学系统应运而生。在两个视场的条件下，保持焦面固定与成像清晰是双视场红外光学系统的基本要求，利用大视场捜索目标，小视场仔细观察目标，在军用与民用领域具有良好的应用前景。为了使红外相机便于使用，红外相机变得原来越小，小型化趋势明显。具有高分辨率、高灵敏度的红外相机要求红外相机使用体积较大的制冷型探測器，光学系统需要具有大口径、长焦距、成像质量好的特点，这与红外相机的小型化趋势相违背。
发明内容
本发明要解决的 技术问题是，提供ー种用于红外中波探測器的小型光学系统，实现红外相机小型化的同时保证光学系统仍然具有大口径、长焦距、双视场、成像质量好的特点。本发明采用的技术方案是，所述用于红外中波探測器的小型光学系统，包括沿同一光轴从物点到像点依次排列的第一透镜到第四透镜，第一、三、四透镜为具有正光焦度且凸面弯向物方的弯月型透镜，第二透镜为具有负光焦度的双凹透镜、且基于物像交换原则位于使物点和像点共轭的两个位置之一，所述两个位置分别对应光学系统的大视场工作状态和小视场工作状态；物点在第一透镜和第三透镜之间的中间成像面处第一次成像，第一次成的像通过第四透镜再次成像到红外中波探測器的光敏面上；设所述光学系统在小视场工作状态下的焦距为fn，第一透镜的直径为D1，第一透镜的焦距为Π，第四透镜的放大率为m4，则O. 2彡fl/fn彡O. 3,0. 7 ^ fl/Dl く I. 2，-3 彡 m4 彡-I. 5。进ー步的，所述光学系统中每个透镜的材料为锗、硅、硒化锌或者锗硫系玻璃，所述第一透镜到第四透镜这四个透镜中至少包括上述四种材料中的两种材料的透镜。进ー步的，第一透镜的两个表面均为球面，第二透镜的两个表面至少ー个符合非球面方程，第三透镜和第四透镜中每个透镜的两个表面至少ー个符合衍射面方程。进ー步的，所述非球面方程中至少包含两项非球面系数；所述衍射面方程的衍射面系数中至少有ー项不为O、且所述衍射面方程相位数的绝对值大于等于4。进ー步的，所述非球面方程为奇次非球面方程或者偶次非球面方程，所述衍射面方程为以奇次非球面方程或者偶次非球面方程为基底的衍射面方程。进ー步的，在所述中间成像面处还设有ー个通光孔直径为d/|m4| (d/|m4|+l)毫米的光阑，d为覆盖红外中波探測器光敏面面积的最小外接圆直径。进ー步的，所述红外中波探測器的冷光阑成像于第一透镜上、且所述光学系统在小视场工作状态下的有效通光口径D与第一透镜的直径Dl的比值等于1，其中，D = fn/F#,F#为红外中波探測器的F数。进ー步的，所述冷光阑的效率为100%。采用上述技术方案，本发明至少具有下列优点I.本发明仅采用四片光焦度为正-负-正-正的透镜组成用于红外中波探測器的光学系统，通过不同制作材料的透镜组合实现小体积、双视场、长焦距的特点。使用的光学透镜数少，光学系统的透过率高达87%以上，有利于提高红外相机的温度灵敏度，增强其探测能力。通过对透镜及光学系统的參数进行设定O. 2彡fl/fn ^ O. 3,0. 7 ^ fl/Dl彡I. 2,-3彡m4彡-L 5，可以实现I く fn/fw彡7，fw是大视场工作状态下的焦距，且光学系统的焦距L < (fn+f42)/|m4| + (|m4|+2)f4，有利于小视场状态孔径量像差及大视场状态视场量像差的平衡、光学系统的可生产性、以及长焦距光学系统的小体积。
2.本发明所述光学系统的孔径效率D/D1为1，实现光学系统径向尺寸的最小，有利于红外相机的小型化，同时减少了透镜材料和加工成本。3.本发明所述光学系统进一歩包括的光阑，有效地消除了视场外无用的红外辐射，有利于提高探測器灵敏面上成像的对比度，改善图像的视觉效果。4.通过ー个传动机构的驱动，调整第二透镜所处的共轭位置，可以起到视场变换、调焦、温度补偿等功能，避免了 以往发明采用两个或三个传动机构实现的缺点，简化传动结构，有利于高灵敏度、高分辨率红外相机的小型化。
图I为本发明第一实施例中用于红外中波探測器的小型光学系统的结构示意图；图2为本发明第一实施例中用于红外中波探測器的小型光学系统的优选结构示意图；图3为本发明第二实施例中用于红外中波探測器的小型光学系统在小视场工作状态下的结构示意图；图4为本发明第二实施例中用于红外中波探測器的小型光学系统在大视场工作状态下的结构示意图；图5为本发明第二实施例中第三透镜的衍射面在红外相机工作波长4 μ m处的衍射面相位情况示意图；图6为本发明第二实施例中第四透镜的衍射面在红外相机工作波长4 μ m处的衍射面相位情况示意图；图7为第二实施例中用于红外中波探測器的小型光学系统在小视场工作状态下的光学传递函数曲线图；图8为第二实施例中用于红外中波探測器的小型光学系统在大视场工作状态下的光学传递函数曲线图。
具体实施例方式为更进ー步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明进行详细说明如后。第一实施例，如图I所示，ー种用于红外中波探測器的小型光学系统，包括沿同一光轴00’从物点到像点依次排列的第一透镜I、第二透镜2、第三透镜3和第四透镜4，第一透镜I、第三透镜3和第四透镜4为具有正光焦度且凸面弯向物点的弯月型透镜，第二透镜2为具有负光焦度的双凹透镜、且基干物像交換原则位于使物点和像点共轭的两个位置之一，所述两个位置分别对应光学系统的大视场工作状态和小视场工作状态，图I中只绘出光学系统的大视场工作状态。物点在第一透镜I和第三透镜之3间的中间成像面9处第一次成像，第一次成的像通过第四透镜4再次成像到红外中波探測器的光敏面5上。红外中波探測器位于该光学系统第四透镜4的外側，图I中只绘出了红外中波探測器的探测器窗ロ 7、冷光阑8和光敏面5。设该光学系统在小视场工作状态下的焦距为fn，第一透镜I的直径为D1，第一透镜I的焦距为Π，第四透镜4的放大率为m4，则O. 2≤fl/fn≤0.3,0.7≤fl/Dl く1. 2，-3 ≤m4 ≤-1. 5。具体的，该光学系统中每个透镜的材料可以为锗、硅、硒化锌或者锗硫系玻璃，第一透镜I到第四透镜4这四个透镜中至少包括上述四种材料中的两种材料的透镜。该光学系统中的四个透镜之所以不选同一材料制作的原因，是为了校正光学系统成像的色差的需要。第一透镜I的两个表面均为球面，即符合球面方程，球面方程的公式如下
权利要求
1.ー种用于红外中波探測器的小型光学系统，其特征在于，包括沿同一光轴从物点到像点依次排列的第一透镜到第四透镜，第一、三、四透镜为具有正光焦度且凸面弯向物方的弯月型透镜，第二透镜为具有负光焦度的双凹透镜、且基干物像交換原则位于使物点和像点共轭的两个位置之一，所述两个位置分别对应光学系统的大视场工作状态和小视场エ作状态； 物点在第一透镜和第三透镜之间的中间成像面处第一次成像，第一次成的像通过第四透镜再次成像到红外中波探測器的光敏面上； 设所述光学系统在小视场工作状态下的焦距为fn，第一透镜的直径为D1，第一透镜的焦距为Π，第四透镜的放大率为m4，则O. 2彡fl/fn ^ 0.3,0.7 ^ fl/Dl く I. 2，-3 彡 m4 彡-I. 5。
2.根据权利要求I所述的用于红外中波探測器的小型光学系统，其特征在于，所述光学系统中每个透镜的材料为锗、硅、硒化锌或者锗硫系玻璃，所述第一透镜到第四透镜这四个透镜中至少包括上述四种材料中的两种材料的透镜。
3.根据权利要求I所述的用于红外中波探測器的小型光学系统，其特征在于，第一透镜的两个表面均为球面，第二透镜的两个表面至少ー个符合非球面方程，第三透镜和第四透镜中每个透镜的两个表面至少ー个符合衍射面方程。
4.根据权利要求3所述的用于红外中波探測器的小型光学系统，其特征在于，所述非球面方程中至少包含两项非球面系数； 所述衍射面方程的衍射面系数中至少有ー项不为O、且所述衍射面方程相位数的绝对值大于等于4。
5.根据权利要求3所述的用于红外中波探測器的小型光学系统，其特征在于，所述非球面方程为奇次非球面方程或者偶次非球面方程，所述衍射面方程为以奇次非球面方程或者偶次非球面方程为基底的衍射面方程。
6.根据权利要求I所述的用于红外中波探測器的小型光学系统，其特征在于，在所述中间成像面处还设有ー个通光孔直径为d/|m4| (d/|m4|+l)毫米的光阑，d为覆盖红外中波探測器光敏面面积的最小外接圆直径。
7.根据权利要求I中任一项所述的用于红外中波探測器的小型光学系统，其特征在于，所述红外中波探測器的冷光阑成像于第一透镜上、且所述光学系统在小视场工作状态下的有效通光口径D与第一透镜的直径Dl的比值等于1，其中，D = fn/F#，F#为红外中波探測器的F数。
8.根据权利要求I所述的用于红外中波探測器的小型光学系统，其特征在于，所述冷光阑的效率为100%。
全文摘要
本发明公开了一种用于红外中波探测器的小型光学系统，包括沿同一光轴从物点到像点依次排列四片光焦度为正-负-正-正的透镜，第二透镜位于使物点和像点共轭的两个位置之一；物点在第一透镜和第三透镜之间的中间成像面处第一次成像，第一次成的像通过第四透镜再次成像到红外中波探测器的光敏面上；设所述光学系统在小视场工作状态下的焦距为fn，第一透镜的直径为D1，第一透镜的焦距为f1，第四透镜的放大率为m4，则0.2≤f1/fn≤0.3，0.7≤f1/D1≤1.2，-3≤m4≤-1.5。本发明能够在实现红外相机小型化的同时保证光学系统仍然具有大口径、长焦距、双视场、成像质量好的特点。
文档编号G01J5/00GK102621669SQ20121010205
公开日2012年8月1日 申请日期2012年4月9日 优先权日2012年4月9日
发明者刘琳, 张兴德, 李荣刚, 殷金坚, 王弘韬 申请人:中国电子科技集团公司第十一研究所