[發明專利]用于紅外中波探測器的小型光學系統

有效

• 申請號: 201210102056.9
• 申請日: 2012-04-09
• 公開（公告）號: CN102621669A
• 公開（公告）日: 2012-08-01
• 發明（設計）人: 李榮剛;張興德;劉琳;王弘韜;殷金堅
• 申請（專利權）人: 中國電子科技集團公司第十一研究所
• 主分類號: G02B13/14
• 分類號: G02B13/14;G02B13/18;G02B13/00;G02B1/00;G02B7/02;G01J5/00
• 代理公司: 工業和信息化部電子專利中心 11010
• 代理人: 羅丹

技術領域

本發明涉及光學元件技術領域，尤其涉及一種用于紅外中波探測器的小型光學系統。

背景技術

近年來，紅外成像技術及應用在各國受到廣泛的重視，并得到蓬勃的發展。紅外焦平面探測器技術的日益成熟，為滿足各領域的需求提供了良好的基礎，進一步促進了紅外光學系統的發展。

相對于可見光相機而言，紅外相機探測對象是低對比度的弱目標。目標探測能力是衡量紅外相機性能的關鍵指標。紅外相機中包括光學系統和紅外探測器，提高紅外相機探測能力可以采取三種措施，一是采用高靈敏度的制冷型紅外探測器；二是增加紅外光學系統的有效口徑；三是提高紅外光學系統的透過率。

與非制冷紅外探測器相比，制冷紅外型探測器組件體積較大，包括制冷杜瓦組件，杜瓦組件中含有冷光闌。冷光闌只允許視場中的有用光線到達探測器，以減小熱輻射背景的影響，為此光學系統要求具有100％的冷光闌效率。現有的用于制冷型紅外探測器的光學系統，冷光闌均作為孔徑光闌并且位于光學系統的后端。用于非制冷探測器的紅外光學系統的孔徑光闌的位置可以根據像差校正與體積的需要任意放置，而用于制冷型紅外探測器的光學系統的孔徑光闌的位置固定，不利于光學系統像差的優化平衡，也不利于光學系統體積的縮小。

隨著光學系統有效口徑的增大，使紅外探測器接收來自目標或背景的紅外輻射越來越多，紅外相機的探測能力也越強。口徑的增大勢必增加孔徑量像差的校正難度。另外，與可見光相比，紅外光的波長較長，光學艾利斑直徑較大，從而導致紅外相機的分辨率遠遠低于可見光相機，增加光學系統的焦距是提高紅外相機分辨率的有效途徑，進而提高紅外相機對目標的識別能力。然而，焦距變長會導致紅外光學系統的色差難以控制。

與可見光材料相比，紅外材料的吸收較大，例如，鍺單晶在3.8μm的吸收系數為1.35×10^-2/cm；紅外增透薄膜的透過率至少比可見光增透薄膜的透過率低兩個百分點，這大大限制了單個紅外光學零件透過率；因此，在保證良好成像質量的前提下，追求光學零件數量的最小化，以提高紅外光學系統的透過率，是紅外相機設計過程中所關注的重點之一。然而，光學零件數量的減少勢必影響光學系統像差的校正能力。

在許多場合，只具有單一視場的紅外光學系統已遠遠不能滿足要求，雙視場紅外光學系統應運而生。在兩個視場的條件下，保持焦面固定與成像清晰是雙視場紅外光學系統的基本要求，利用大視場搜索目標，小視場仔細觀察目標，在軍用與民用領域具有良好的應用前景。

為了使紅外相機便于使用，紅外相機變得原來越小，小型化趨勢明顯。具有高分辨率、高靈敏度的紅外相機要求紅外相機使用體積較大的制冷型探測器，光學系統需要具有大口徑、長焦距、成像質量好的特點，這與紅外相機的小型化趨勢相違背。

發明內容

本發明要解決的技術問題是，提供一種用于紅外中波探測器的小型光學系統，實現紅外相機小型化的同時保證光學系統仍然具有大口徑、長焦距、雙視場、成像質量好的特點。

本發明采用的技術方案是，所述用于紅外中波探測器的小型光學系統，包括：沿同一光軸從物點到像點依次排列的第一透鏡到第四透鏡，第一、三、四透鏡為具有正光焦度且凸面彎向物方的彎月型透鏡，第二透鏡為具有負光焦度的雙凹透鏡、且基于物像交換原則位于使物點和像點共軛的兩個位置之一，所述兩個位置分別對應光學系統的大視場工作狀態和小視場工作狀態；

物點在第一透鏡和第三透鏡之間的中間成像面處第一次成像，第一次成的像通過第四透鏡再次成像到紅外中波探測器的光敏面上；

設所述光學系統在小視場工作狀態下的焦距為fn，第一透鏡的直徑為D1，第一透鏡的焦距為f1，第四透鏡的放大率為m4，則0.2≤f1/fn≤0.3，0.7≤f1/D1≤1.2，-3≤m4≤-1.5。

進一步的，所述光學系統中每個透鏡的材料為鍺、硅、硒化鋅或者鍺硫系玻璃，所述第一透鏡到第四透鏡這四個透鏡中至少包括上述四種材料中的兩種材料的透鏡。

進一步的，第一透鏡的兩個表面均為球面，第二透鏡的兩個表面至少一個符合非球面方程，第三透鏡和第四透鏡中每個透鏡的兩個表面至少一個符合衍射面方程。

進一步的，所述非球面方程中至少包含兩項非球面系數；

所述衍射面方程的衍射面系數中至少有一項不為0、且所述衍射面方程相位數的絕對值大于等于4。

進一步的，所述非球面方程為奇次非球面方程或者偶次非球面方程，所述衍射面方程為以奇次非球面方程或者偶次非球面方程為基底的衍射面方程。