[發(fā)明專利]基于自由曲面的快焦比反射式長波紅外取景器光學(xué)系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810538683.4
• 申請日: 2018-05-30
• 公開（公告）號: CN108732734B
• 公開（公告）日: 2020-12-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 葉井飛;宋真真;楊明珠;裴世鑫;陳云云;賴敏;丁家奎;徐凱迪;唐靖;吳玉澤
• 申請（專利權(quán)）人: 南京信息工程大學(xué)
• 主分類號: G02B17/06
• 分類號: G02B17/06
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務(wù)所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

本發(fā)明公開了一種基于自由曲面的快焦比反射式長波紅外取景器光學(xué)系統(tǒng)，包括兩個自由曲面反射鏡和一個長波紅外響應(yīng)面陣探測器。光線經(jīng)過外置的入射光瞳，并依次經(jīng)過兩個自由曲面反射鏡后，到達長波紅外響應(yīng)面陣探測器。現(xiàn)有用于取景器光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的離軸兩反光學(xué)系統(tǒng)只能應(yīng)用于可見光波段，其F數(shù)較大，無法應(yīng)用于長波紅外波段，且無法滿足快焦比的高性能要求。本發(fā)明提出的一種基于光學(xué)自由曲面的快焦比反射式光學(xué)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)高通量和高分辨率的結(jié)構(gòu)緊湊和寬波段的長波紅外取景器光學(xué)系統(tǒng)。該基于光學(xué)自由曲面的快焦比反射式長波紅外取景器能夠在微光或夜間復(fù)雜環(huán)境下進行目標探測與監(jiān)控。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光學(xué)系統(tǒng)和器件設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于光學(xué)自由曲面的快焦比反射式長波紅外取景器光學(xué)系統(tǒng)，適用于微光或夜間復(fù)雜環(huán)境下的目標探測與監(jiān)控。

背景技術(shù)

在紅外成像光學(xué)系統(tǒng)中，尤其是涉及寬波段長波紅外光學(xué)系統(tǒng)，若采用透射式光學(xué)元件的設(shè)計方法，所用透鏡材料諸如鍺、硫化鋅或硒化鋅等，其價格昂貴且制造困難。然而，反射式的設(shè)計方法可以實現(xiàn)低成本、高性能且無需校正色差的寬波段紅外光學(xué)系統(tǒng)。其中，反射式長波紅外取景器在微光或夜間復(fù)雜環(huán)境下的目標探測與監(jiān)控具有重要作用。Aaron Bauer等人在《Design of a freeform electronic viewfinder coupled toaberration fields of freeform optics》(OPTICS EXPRESS，23(22)：28141-28153，2015)中基于澤尼克多項式自由曲面設(shè)計了光瞳直徑為12mm，F(xiàn)數(shù)為4.0的離軸兩反取景器，其工作波段為可見光波段。顯然，該設(shè)計無法直接用于長波紅外波段，其F數(shù)較大，導(dǎo)致紅外波段的系統(tǒng)分辨率較低。在長波紅外取景器的設(shè)計中，反射式的設(shè)計方法會折疊光路，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊。此外，高通量和高分辨率是長波紅外取景器的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，這會提升在微光或夜間復(fù)雜環(huán)境下目標圖像的對比度和細節(jié)探測能力。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有的紅外成像光學(xué)系統(tǒng)中,尤其是涉及寬波段長波紅外光學(xué)系統(tǒng)，需校正色差且成本高的問題。

技術(shù)方案：本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：一種基于自由曲面的快焦比反射式長波紅外取景器光學(xué)系統(tǒng)，包括兩個自由曲面反射鏡和一個長波紅外響應(yīng)面陣探測器，第一自由曲面反射鏡位于入射光瞳的入射光路上，第二自由曲面反射鏡位于第一自由曲面反射鏡的反射光路上，長波紅外響應(yīng)面陣探測器位于第二自由曲面反射鏡的反射光路上。-進一步地，所述長波紅外響應(yīng)面陣探測器的尺寸為12×8mm²，總像素數(shù)為480×320，單個像素的大小為25微米。

進一步地，所述長波紅外響應(yīng)面陣探測器的響應(yīng)波段為長波紅外寬波段，波長范圍從8微米到14微米，中心工作波長為10.6微米。

進一步地，基于自由曲面的快焦比反射式長波紅外取景器光學(xué)系統(tǒng)的F數(shù)為1.9，入射光瞳直徑為12mm，入射光瞳距離大于18mm。

進一步地，水平方向的視場角為20°，垂直方向的視場角為15°，對角全視場角為25°。

進一步地，第一自由曲面反射鏡和第二自由曲面反射鏡均采用XY多項式自由曲面反射面，但是其基面或母面面形不同。

進一步地，第一自由曲面反射鏡采用基面為拋物面的XY多項式自由曲面反射面，其頂點曲率半徑為116.805mm，第一自由曲面反射鏡的光焦度為負值。

進一步地，第二自由曲面反射鏡采用基面為雙曲面的XY多項式自由曲面反射面，其頂點曲率半徑為62.527mm，第二自由曲面反射鏡的光焦度為正值。

進一步地，第一自由曲面反射鏡的上邊緣與第二自由曲面反射鏡的上邊緣相互不干涉。

進一步地，第一自由曲面反射鏡的下邊緣與長波紅外響應(yīng)面陣探測器相互不干涉。