一种长波长线列扫描三视场红外光学系统

摘要

本发明涉及一种长波长线列扫描三视场红外光学系统，包括从物方到像方同光轴依次设置的望远物镜组、会聚成像组和探测器，望远物镜组包括前固定透镜、变倍组和后固定镜组，其中，变倍组由大视场变倍组和中视场变倍组构成，当大视场变倍组投入到光学系统、且中视场变倍组从光学系统中切出，该光学系统为大视场光学系统；当中视场变倍组投入到光学系统、且大视场变倍组从光学系统中切出，该光学系统为中视场光学系统；当大视场变倍组和中视场变倍组均从光学系统中切出，该光学系统为小视场光学系统。该光学系统通过投入和切出对应的变倍镜组能够实现大视场、中视场和小视场之间的切换扫描成像，实现三视场的随意切换。

说明书

技术领域

本发明涉及一种长波长线列扫描三视场红外光学系统。

背景技术

红外成像系统以其自身的优良特点，如被动工作方式、不受电子干扰、隐 蔽性好、图像直观、精度高、探测性能好等，在机载光电雷达、侦察/瞄准吊舱、 分布式红外系统广泛应用。在其它军用领域，比如在战车、舰船、单兵等上均 装配有新型的红外技术装备；产品包括民机红外视景增强系统、客机反恐怖袭 击红外威胁告警系统、森林防火红外探测系统等，在民用航空方面均具有广泛 的应用市场。随着红外光学技术的长足发展及其应用范围的不断扩展，对红外 光学系统多视场、宽视场成像需求日益增强，研究如何使红外光学系统高分辨 率多视场远距离成像及周视成像，对军用红外光学仪器的研究具有十分重要的 意义。但是现有技术中关于高分辨率多视场远距离成像的光学系统很少。

发明内容

本发明的目的是提供一种长波长线列扫描三视场红外光学系统。

为实现上述目的，本发明的方案包括一种长波长线列扫描三视场红外光学 系统，包括从物方到像方同光轴依次设置的望远物镜组、会聚成像组和探测器， 望远物镜组包括前固定透镜、变倍组和后固定镜组，其中，变倍组由大视场变 倍组和中视场变倍组变倍组构成，所述大视场变倍组由第二透镜和第五透镜构 成，所述中视场变倍组由第三透镜和第四透镜构成，从物方到像方依次设置所 述第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜；当大视场变倍组投入到所述光 学系统、且中视场变倍组从所述光学系统中切出，该光学系统为大视场光学系 统；当中视场变倍组投入到所述光学系统、且大视场变倍组从所述光学系统中 切出，该光学系统为中视场光学系统；当大视场变倍组和中视场变倍组均从所 述光学系统中切出，该光学系统为小视场光学系统；

该光学系统的设计指标为：波长为7.7μm～10.3μm；像元尺寸为：20μm ×24μm；F#为2；焦距＝500mm时，视场角为2.82°×2.11°；焦距＝300mm时， 视场角为4.69°×3.52°；焦距＝100mm时，视场角为14.04°×10.53°。

所述光学系统的总光焦度满足以下公式：

其中，为第i个透镜的光焦度，h_i为近轴光线在第i个透镜上的入射高 度，为系统的总光焦度；

所述光学系统的总色差系数满足以下公式：

其中：C_i为第i个透镜的色差系数，C_total为该光学系统的总色差系数。

所述前固定透镜为第一透镜，所述后固定镜组包括同光轴依次设置的第六 透镜、第七透镜、第八透镜和第九透镜，所述会聚成像组包括同光轴依次设置 的第十透镜、第十一透镜、第十二透镜和第十三透镜，所述第一透镜为正光焦 度透镜，第二透镜为负光焦度透镜，第三透镜为负光焦度透镜，第四透镜为正 光焦度透镜，第五透镜为正光焦度透镜，第六透镜为负光焦度透镜，第七透镜 为负光焦度透镜，第八透镜为负光焦度透镜，第九透镜为正光焦度透镜，第十 透镜为正光焦度透镜，第十一透镜为负光焦度透镜，第十二透镜为正光焦度透 镜，第十三透镜为正光焦度透镜。

所述第六透镜和第七透镜之间设置有第一反射镜，所述第六透镜射出的光 线经第一反射镜反射后射入到所述第七透镜中；所述后固定镜组和会聚成像组 之间设置有第二反射镜，所述后固定镜组射出的光线经第二反射镜反射后射入 到所述会聚成像组中。

所述第二透镜中的靠近像方的表面为非球面，第五透镜中的靠近像方的表 面为非球面，第七透镜中的两个表面均为非球面，第九透镜的两个表面均为非 球面，第十透镜中的靠近物方的表面为非球面，第十一透镜中的靠近像方的表 面为非球面，第十三透镜中的靠近物方的表面为非球面。

所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第七透镜、 第九透镜、第十透镜、第十一透镜、第十二透镜和第十三透镜的材料为锗，第 六透镜和第八透镜的材料为硒化锌。

所述光学系统设置在一个镜筒内，该镜筒的材料为铝合金。

该光学系统以探测器的冷光光阑为该光学系统的孔径光阑。

本发明提供的光学系统通过投入和切出对应的变倍镜能够实现大视场、中 视场和小视场之间的切换扫描成像，能够实现三视场的随意切换，而且还可应 用于周视成像。整个光学系统在超宽温度范围-40℃～+60℃，传递函数保持大 于0.4。该光学系统具有较高的分辨率，能够实现远距离成像，对军用红外光 学仪器的研究具有十分重要的意义。

附图说明

图1是长波长线列扫描三视场红外光学系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

本发明提供的长波长线列扫描三视场红外光学系统整体上分为三部分，从 物方到像方同光轴依次为望远物镜组、会聚成像组和探测器。其中，望远物镜 组包括前固定透镜、变倍组和后固定镜组，而且，变倍组由大视场变倍组和中 视场变倍组变倍组构成。如图1所示，大视场变倍组由透镜2和透镜5构成， 中视场变倍组由透镜3和透镜4构成，透镜2、透镜3、透镜4和透镜5的排 列顺序为：从物方到像方依次为透镜2、透镜3、透镜4和透镜5。

该光学系统通过投入和切出相应的变倍组来实现三个视场：大视场、中视 场和小视场之间的切换，具体为：当大视场变倍组投入到该光学系统、且中视 场变倍组从光学系统中切出，即物方产生的光线穿过透镜2和透镜5并传播到 后续的后固定镜组和会聚成像组，直至到达探测器，而透镜3和透镜4对于该 光学系统的成像没有做出贡献，相当于将透镜3和透镜4排除在该光学系统之 外，此时该光学系统为大视场光学系统；同理，当中视场变倍组投入到光学系 统、且大视场变倍组从光学系统中切出，该光学系统为中视场光学系统。另外， 当大视场变倍组和中视场变倍组均从光学系统中切出，即透镜2、透镜3、透 镜4和透镜5均排除该光学系统之外时，该光学系统为小视场光学系统。通过 上述两个变倍组投入和切出该光学系统，能够实现三视场的切换。

镜组的投入和切出的常规方法有两种：使用电机或者人工进行投入和切 出，在使用电机进行操作时，电机带动镜组进行运动实现投入和切出，比如： 通过电机将镜组旋转投入或者切出系统，由于电机带动镜组进行运动属于常规 技术，这里不做赘述；使用人工进行操作时，只需根据需要将镜组从系统中人 工投入和切出即可。

该光学系统的设计指标为：波长为7.7μm～10.3μm；像元尺寸为：20μm ×24μm；F#为2；焦距＝500mm时，视场角为2.82°×2.11°；焦距＝300mm时， 视场角为4.69°×3.52°；焦距＝100mm时，视场角为14.04°×10.53°。另外，为 了匹配该光学系统，探测器为1024×6TDI碲镉汞线列。

该光学系统中的各个透镜的光焦度分配需要满足总光焦度的要求，该光学 系统的总光焦度满足以下公式：

其中，为第i个透镜的光焦度，h_i为近轴光线在第i个透镜上的入射高 度，为系统的总光焦度。

该光学系统的总色差系数还需要满足以下公式：

其中：C_i为第i个透镜的色差系数，C_total为该光学系统的总色差系数。

通过求解上述方程能够得到系统的光焦度分配情况，再利用CODEV软件 进一步优化设计。按逐步逼近的原则，在控制色差、热像约束的条件下，释放 各个透镜的优化变量，同时引入非球面，反复分析与优化中间结构，直接获得 令人满意的、满足设计指标和性能要求的光学系统。

在满足上述各个条件下，本实施例给出了该光学系统的一个具体结构。如 图1所示，前固定透镜为透镜1，后固定镜组包括同光轴依次设置的透镜6、 透镜8、透镜9和透镜10，会聚成像组包括同光轴依次设置的透镜12、透镜 13、透镜14和透镜15。其中，透镜1为正光焦度透镜，透镜2为负光焦度透 镜，透镜3为负光焦度透镜，透镜4为正光焦度透镜，透镜5为正光焦度透镜， 透镜6为负光焦度透镜，透镜8为负光焦度透镜，透镜9为负光焦度透镜，透 镜10为正光焦度透镜，透镜12为正光焦度透镜，透镜13为负光焦度透镜， 透镜14为正光焦度透镜，透镜15为正光焦度透镜。

透镜2中的靠近像方的表面为非球面，透镜5中的靠近像方的表面为非球 面，透镜8中的两个表面均为非球面，透镜10的两个表面均为非球面，透镜 12中的靠近物方的表面为非球面，透镜13中的靠近像方的表面为非球面，透 镜15中的靠近物方的表面为非球面。

透镜1、透镜2、透镜3、透镜4、透镜5、透镜8、透镜10、透镜12、透 镜13、透镜14和透镜15的材料为锗，透镜6和透镜9的材料为硒化锌。而且， 该光学系统还可以设置在一个镜筒内，该镜筒的材料为铝合金，质量较轻，便 于安装和携带。

该光学系统以探测器的冷光光阑为该光学系统的孔径光阑，用冷光阑作为 光学系统的孔径光阑，冷光阑效率100％，可以实现不受系统外杂散光的干扰。

另外，为了缩短该光学系统的整体轴向长度，在透镜6和透镜8之间设置 有反射镜7，透镜6射出的光线经反射镜7反射后射入到透镜8中；后固定镜 组和会聚成像组之间设置有反射镜11，后固定镜组中的透镜10射出的光线经 反射镜11反射后射入到会聚成像组中的透镜12中。

表1为该光学系统在小视场下各个组成部分的参数，表2为透镜2和透镜 5的参数，表3为透镜3和透镜4的参数，其中，表1的内容加上表2的内容 组成该光学系统在中视场下各个组成部分的参数；表1的内容加上表3的内容 组成该光学系统在大视场下各个组成部分的参数。

表1

表2

表3

该光学系统利用非球面透镜，能够增加光学系统设计过程中的自由度，协 调校正系统的慧差、球差、像散，大幅提高像质。而且，该光学系统可以实现 三视场切换扫描成像，且可应用于周视成像。光学系统采用两种红外光学材料： 锗和硒化锌进行匹配，被动消热差光学系统的材料配合仅使用锗、硒化锌材料， 使光学系统三个视场在温度范围-40℃～+60℃保持高质量成像，传递函数保持 大于0.4。另外，该光学系统可应用于线列摆扫成像，也可以应用于周扫等扫 描工作模式。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发 明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的 教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱 离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍 落入本发明的保护范围内。