CN105319669B - 一种双波段红外光学*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双波段红外光学***，包括沿光入射方向依次同轴设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、光阑、第四透镜、第五透镜和第六透镜；第一透镜和第五透镜为弯月负透镜，第二透镜、第三透镜和第四透镜为弯月正透镜，第六透镜为双凸正透镜；所述第三透镜的后表面和第四透镜的前表面为非球面，其余透镜表面均为球面；第一透镜、第二透镜的材料为锗，第三透镜、第四透镜、第六透镜的材料为硫系玻璃，第五透镜的材料为硒化锌。该***使用硫系玻璃实现双波段成像，同时解决在中长波宽波段红外光学***中轴向色差和球差的校正问题，提高了目标的识别效率，降低了虚警率；该***结构紧凑，透过率高；光机装调方便，适合推广应用。

Description

一种双波段红外光学***
技术领域
本发明属于光学***技术领域，具体涉及一种双波段红外光学***。
背景技术
红外成像基于目标与背景辐射度的不同，通过被动接收目标和背景的辐射，经光电转换、电信号处理等手段，将目标物体的温度分布图像转换成视频图像。大气对红外辐射的吸收，主要有三个重要的大气窗口，分布在0.75-2.5μm的近红外、3-5μm的中波红外和 8-14μm的长波红外三个波段范围内。传统的红外成像***一般工作的波段较窄，获取的信息量有限，而结合各个波段的成像特点、工作于多个波段的红外光学***能够获取充分有用的信息，能够有效地把目标物从大量的图像中识别出来，在目标识别探测中能够发挥举足轻重的地位。非制冷红外热像仪由于不需制冷并且价格低廉，在电力、消防、工业、医疗、安防等民用领域应用非常广泛。红外光学***在非制冷热像仪中起着非常重要的作用，各类镜头已得到了广泛应用，却缺乏非制冷双波段光学镜头，因此，对非制冷双波段红外光学***的研究就尤显重要。
双波段成像***通常可以用两种方式实现：一是用两个分别响应不同波段的探测器，共物镜分光路的方式；二是用一个能响应两个波段的探测器共光路***构成。现有技术中， CN104238099A公开了一种大变倍比红外双波段共口径共变焦光学***，包括沿光轴方向依次设置的公共前固定组、能够沿轴向移动的公共变倍组、公共补偿组、公共后固定组以及用于反射长波红外光、透射中波红外光的第一分光棱镜；第一分光棱镜的反射光路上设置有长波红外光后固定组，反射光由长波非制冷接收器件成像；第一分光棱镜的透射光路上设置有中波红外焦距补偿组和中波红外光后固定组，透射光由中波红外非制冷接收器件成像。该双波段光学***在连续变焦过程中，双波段对应焦距差值小于其焦深，双波段目标信息可以由同一***接收，不需要光路切换；但是其只能采用部分共光路***，增加了***的体积、重量和尺寸。如采用一个能响应两个波段的探测器共光路***，则现有技术无法克服光学***的像差色差的校正问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种双波段红外光学***，在中长波两个波段同时满足***的成像和校正像差色差的要求，实现共光路宽波段红外光学***的设计。
为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：
一种双波段红外光学***，包括沿光入射方向(从物方到像方)依次同轴设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、光阑、第四透镜、第五透镜和第六透镜；所述第一透镜和第五透镜为弯月负透镜，第二透镜、第三透镜和第四透镜为弯月正透镜，第六透镜为双凸正透镜；所述第三透镜的后表面和第四透镜的前表面为非球面，其余透镜表面均为球面；所述第一透镜、第二透镜的材料为锗，第三透镜、第四透镜、第六透镜的材料为硫系玻璃，第五透镜的材料为硒化锌。
本发明的双波段红外光学***所用材料中，锗具有高折射率、表面最小曲率和色差小的特性，适合用于2～16μm区域的近红外波段。硒化锌在600nm～16μm波段内具有很高透过率，且吸收率低。硫系玻璃是一种以硫、硒或碲等硫族元素为基质的非晶态光学材料，具有优良的透红外和消热差性能。
本发明的双波段红外光学***，中长波光学***采用共孔径透射式设计，采用三种不同色差***的红外材料(锗、硒化锌、硫系玻璃)来实现双波段的色差校正，将硫系玻璃引入中长波红外光学***的设计中，采用非球面，在两个波段同时满足***的成像和校正像差色差的要求，实现宽波段红外光学***的设计。
所述第一透镜与第二透镜间隔12.4mm，第二透镜与第三透镜间隔9.2mm，第三透镜与光阑间隔3.6mm，光阑与第四透镜间隔1.5mm，第四透镜与第五透镜间隔0.3mm、第五透镜与第六透镜间隔4.6mm。
所述的双波段红外光学***，沿光入射方向(从物方到像方)，第一透镜的前表面凸向物方、后表面凹向像方，第二透镜的前表面凹向物方、后表面凸向像方，第三透镜的前表面凸向物方、后表面凹向像方，第四透镜的前表面凹向物方、后表面凸向像方，第五透镜的前表面凸向物方、后表面凹向像方，第六透镜的前表面凸向物方、后表面凸向像方。
其中，所述光阑为圆孔光阑。
所述的双波段红外光学***，还包括沿光入射方向设置在第六透镜后方的探测器。
所述探测器为非制冷双色探测器。所述的非制冷双色探测器是指中波红外和长波红外双波段非制冷探测器；该探测器为非制冷中长波共焦面探测器，光学***同时对中波和长波成像在探测器焦平面上。
所述第六透镜与探测器的焦平面间隔10.8mm。
所述第六透镜与探测器之间还设有平行平板。
所述平行平板的材料为锗。
本发明的双波段红外光学***，外界景物辐射经第一透镜、第二透镜、第三透镜、光阑(圆孔)、第四透镜、第五透镜、第六透镜聚焦到探测器的焦平面上。
上述的红外光学***的工作波段为：中波波长3.7μm～4.8μm，长波波长8μm～12μm。
本发明的双波段红外光学***，包括沿光入射方向依次同轴设置的第一、第二、第三透镜、光阑、第四透镜、第五透镜和第六透镜，其中第三、第四、第六透镜的材料为硫系玻璃；该红外光学***具有如下优点：
1)使用硫系玻璃材料实现双波段成像，硫系玻璃具有较小的折射率和温度系数，有效校正光学***的色差；
2)采用三种不同色差***的红外材料(锗、硒化锌、硫系玻璃)来实现双波段的色差校正，使该***对中/长波两个红外波段成像，克服了单一波段红外***获取信息的局限性，同时解决在中长波宽波段红外光学***中轴向色差和球差的校正问题，提高了目标的识别效率，降低了虚警率；
3)结构简化：***采用六片透镜，引入两个非球面，其余均为球面，大大降低了工艺要求，结构紧凑，透过率高；
4)非球面设计使优化设计可选择的变量增多，像差设计易于获得优良像质；
5)光机装调方便：该***光路中的部件均为固定部件，装调简单，很大程度上降低了***的装调难度，适合推广应用。
附图说明
图1为实施例1的双波段红外光学***的光路图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。
具体实施方式中，所用硫系玻璃IG4为德国Vitron Gmbh公司生产的IG系列玻璃产品。
实施例1
本实施例的非制冷双波段红外光学***，如图1所示，包括沿光入射方向依次同轴设置的第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、光阑4、第四透镜5、第五透镜6、第六透镜7、平行平板9和探测器8；所述第一透镜1和第五透镜6为弯月负透镜，第二透镜2、第三透镜3和第四透镜5为弯月正透镜，第六透镜7为双凸正透镜；所述第三透镜3的后表面和第四透镜5的前表面为非球面，其余透镜表面均为球面。
所述第一透镜1、第二透镜2的材料为锗，第三透镜3、第四透镜5、第六透镜7的材料为硫系玻璃IG4，第五透镜6的材料为硒化锌。所述探测器为非制冷双色探测器。所述的非制冷双色探测器是指中波红外和长波红外双波段非制冷探测器；该探测器为非制冷中长波共焦面探测器，光学***同时对中波和长波成像在探测器焦平面上。
所述第一透镜与第二透镜间隔12.4mm，第二透镜与第三透镜间隔9.2mm，第三透镜与光阑间隔3.6mm，光阑与第四透镜间隔1.5mm，第四透镜与第五透镜间隔0.3mm、第五透镜与第六透镜间隔4.6mm，第六透镜与探测器的焦平面间隔10.8mm。
该红外光学***的具体参数如表1所示。
表1 实施例1的非制冷双波段红外光学***的具体参数表
注：上表中A、B、C、D为非球面系数。
非球面的一般形式为：
其中，c＝1/R为顶点曲率，K为二次曲线常数，A、B、C、D为高次非球面系数；第一项为一般的二次曲面方程，非球面的一般形式是在以二次曲线为基础加高次项；K＝0表示第一项的二次曲面方程为球面；表格中非球面的半径是顶点处的曲率半径。
外界景物辐射经第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、光阑4(圆孔)、第四透镜5、第五透镜6、第六透镜7聚焦到探测器8的焦平面上。
本实施例的非制冷双波段红外光学***的工作波段为：中波波长3.7μm～4.8μm，长波波长8μm～12μm。
在本发明的其他实施例中，也可省去起保护作用的平行平板，该红外光学***的成像效果同实施例1。

Claims (9)

1.一种双波段红外光学***，其特征在于：包括沿光入射方向依次同轴设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、光阑、第四透镜、第五透镜和第六透镜；所述第一透镜和第五透镜为弯月负透镜，第二透镜、第三透镜和第四透镜为弯月正透镜，第六透镜为双凸正透镜；所述第三透镜的后表面和第四透镜的前表面为非球面，其余透镜表面均为球面；所述第一透镜、第二透镜的材料为锗，第三透镜、第四透镜、第六透镜的材料为硫系玻璃，第五透镜的材料为硒化锌。
2.根据权利要求1所述的双波段红外光学***，其特征在于：所述第一透镜与第二透镜间隔12.4mm，第二透镜与第三透镜间隔9.2mm，第三透镜与光阑间隔3.6mm，光阑与第四透镜间隔1.5mm，第四透镜与第五透镜间隔0.3mm、第五透镜与第六透镜间隔4.6mm。
3.根据权利要求1所述的双波段红外光学***，其特征在于：沿光入射方向，第一透镜的前表面凸向物方、后表面凹向像方，第二透镜的前表面凹向物方、后表面凸向像方，第三透镜的前表面凸向物方、后表面凹向像方，第四透镜的前表面凹向物方、后表面凸向像方，第五透镜的前表面凸向物方、后表面凹向像方，第六透镜的前表面凸向物方、后表面凸向像方。
4.根据权利要求1所述的双波段红外光学***，其特征在于：还包括沿光入射方向设置在第六透镜后方的探测器。
5.根据权利要求4所述的双波段红外光学***，其特征在于：所述探测器为非制冷双色探测器。
6.根据权利要求5所述的双波段红外光学***，其特征在于：所述第六透镜与探测器的焦平面间隔10.8mm。
7.根据权利要求4所述的双波段红外光学***，其特征在于：所述第六透镜与探测器之间还设有平行平板。
8.根据权利要求7所述的双波段红外光学***，其特征在于：所述平行平板的材料为锗。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的双波段红外光学***，其特征在于：该红外光学***的工作波段为：中波波长3.7μm～4.8μm，长波波长8μm～12μm。
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