CN109324392B - 一种中短波宽波段红外光学***及遥感光学设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的中短波宽波段红外光学***及遥感光学设备，采用直筒型一次成像***构型，光学***由四片球面镜组成，所有元件布置在同一光轴上，具有工作波段宽、结构紧凑、适装性好、成像质量好、传递函数达到或接近衍射极限等特点。
Description
技术领域
本发明涉及光学领域，特别涉及一种中短波宽波段红外光学***及遥感光学设备。
背景技术
红外光学***具有环境适应性好、隐蔽性高、抗干扰能力强等优点，广泛应用于军事、医疗、安防、电力、遥感以及工业等各个领域中，随着红外光学***的应用越来越多，对红外成像***的设计也提出了更高的要求。
由于大气窗口分布在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***一般工作波段较窄，获取的信息量有限。因此，结合各个波段的成像特点，工作于宽波段的红外光学***能够获取充分有用的信息，可避免单一波段红外***获取信息存在的局限性，在目标探测及识别中发挥重要的作用，但是目前的红外光学***普遍存在***工作波段较窄的问题，迫切需要提供一种新的光学***来解决这个问题。
发明内容
本发明提供了一种中短波宽波段红外光学***及遥感光学设备，具有工作波段宽、结构紧凑，适装性好、成像质量好的特点。
第一方面，本发明提供一种中短波宽波段红外光学***，包括由物方到像方沿光轴依次排列设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、以及第四透镜，所述第一透镜为正光焦度透镜，所述第二透镜为负光焦度透镜，所述第三透镜为负光焦度透镜，所述第四透镜为正光焦度透镜。
作为一种可选的方案，还包括红外探测器，所述红外探测器包括焦平面探测器窗口、焦平面探测器光阑以及成像探测器焦平面阵列。
作为一种可选的方案，所述第一透镜为硫化锌材料，所述第二透镜为IG4材料，所述第三透镜为氟化镁硅材料，所述第四透镜为硫化锌材料。
作为一种可选的方案，所述光学***的光学参数为：
作为一种可选的方案，所述第一透镜为硒化锌材料，所述第二透镜为IG4材料，所述第三透镜为氟化钙硅材料，所述第四透镜为硫化锌材料。
作为一种可选的方案，所述光学***的光学参数为：
作为一种可选的方案，所述第一透镜为硒化锌材料，所述第二透镜为IG4材料，所述第三透镜为氟化钙硅材料，所述第四透镜为硒化锌材料。
作为一种可选的方案，所述光学***的光学参数为：
作为一种可选的方案，所述焦平面探测器为中短波红外焦平面阵列。
第二方面，本发明提供一种遥感光学设备，所述遥感光学设备具有如上述的中短波宽波段红外光学***。
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
本发明提供的中短波宽波段红外光学***及遥感光学设备，采用直筒型一次成像***构型，光学***由四片球面镜组成，所有元件布置在同一光轴上，具有工作波段宽、结构紧凑、适装性好、成像质量好、传递函数达到或接近衍射极限等特点。
附图说明
图1是本发明提供的中短波宽波段红外光学***一种实施例的结构图；
图2是本发明提供的中短波宽波段红外光学***一种实施例的MTF曲线图；
图3是本发明提供的中短波宽波段红外光学***另一种实施例的结构图；
图4是本发明提供的中短波宽波段红外光学***另一种实施例的MTF曲线图；
图5是本发明提供的中短波宽波段红外光学***再一种实施例的结构图；
图6是本发明提供的中短波宽波段红外光学***再一种实施例的MTF曲线图。
附图标记：1为第一透镜，2为第二透镜，3为第三透镜；4为第四透镜，5为红外探测器，51为焦平面探测器窗口，52为焦平面探测器光阑，53为成像探测器焦平面阵列。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
结合图1所示，本发明提供一种中短波宽波段红外光学***，包括由物方到像方沿光轴依次排列设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、以及第四透镜，四个透镜的参数为：第一透镜1为正光焦度透镜；第二透镜2为负光焦度透镜；第三透镜3为负光焦度透镜；第四透镜4为正光焦度透镜，采用直筒型一次成像***构型，光学***仅由四片球面镜组成，所有元件布置在同一光轴上。
红外探测器5包括焦平面探测器窗口51、焦平面探测器光阑52、成像探测器焦平面阵列53，焦平面探测器窗口51基于红外透过材料，例如硅、锗；焦平面阵列为中短波焦平面阵列，焦平面探测器光阑52放置在窗口和焦平面阵列之间，为光学***的出瞳，决定焦平面阵列53接收目标辐射的立体角，抑制到达焦平面阵列的杂散光，焦平面探测器5为中短波红外焦平面阵列，用于对电磁波谱中1.5μm～5μm热辐射成像。
所述四个透镜的玻璃材料搭配方式有三种：
第一种搭配为：第一透镜1为硫化锌材料，第二透镜2为IG4
(IRG24-SCHOTT)材料，第三透镜3为氟化镁硅材料，第四透镜4为硫化锌材料；
第二种搭配为：第一透镜1为硒化锌材料，第二透镜2为IG4
(IRG24-SCHOTT)材料，第三透镜3为氟化钙硅材料，第四透镜4为硫化锌材料；
第三种搭配为：第一透镜1为硒化锌材料，第二透镜2为IG4
(IRG24-SCHOTT)材料，第三透镜3为氟化钙硅材料，第四透镜4为硒化锌材料。
本发明提供的一种中短波宽波段红外光学***，采用直筒型一次成像***构型，光学***仅由四片球面镜组成，所有元件布置在同一光轴上。目标热辐射到达光学***后，自物方到像方沿光轴依次排列为第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4。四个透镜的参数为：第一透镜1为正光焦度透镜；第二透镜2为负光焦度透镜；第三透镜3为负光焦度透镜；第四透镜4为正光焦度透镜。5为红外探测器，51为焦平面探测器窗口；52为焦平面探测器光阑；53为成像探测器焦平面阵列。所述的焦平面探测器为中短波宽波段探测器，包含窗口、光阑和焦平面阵列，焦平面探测器窗口51基于红外透过材料，例如硅、锗；焦平面阵列为中短波焦平面阵列；焦平面探测器光阑52放置在窗口和焦平面阵列之间，为光学***的出瞳，决定焦平面阵列53接收目标辐射的立体角，抑制到达焦平面阵列的杂散光。
本发明提供的中短波宽波段红外光学***，采用直筒型一次成像***构型，光学***由四片球面镜组成，所有元件布置在同一光轴上，具有工作波段宽、结构紧凑、适装性好、成像质量好、传递函数达到或接近衍射极限等特点。
结合图1和2所示，本发明提供的中短波宽波段红外光学***的第一种实施例：
目标热辐射到达光学***后，自物方到像方沿光轴依次排列为第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4。四个透镜的参数为：第一透镜1为正光焦度透镜，其前表面为凸球面透镜，后表面为凹球面透镜；第二透镜2为负光焦度透镜，其前表面为凹球面透镜，后表面为凹球面透镜；第三透镜3为负光焦度透镜，其前表面为凸球面透镜，后表面为凹球面透镜；第四透镜4为正光焦度透镜，其前表面为凸球面透镜，后表面为凹球面透镜。所述四个透镜的玻璃材料搭配为：第一透镜1为硫化锌材料，第二透镜2为IG4
(IRG24-SCHOTT)材料，第三透镜3为氟化镁硅材料，第四透镜4为硫化锌材料；
根据图1的光学结构，设计了一套直筒式中短波红外光学***，工作波段像质在探测器空间频率33lp/mm处边缘视场MTF＞0.45，***技术指标如下：
表1为本实施例的所述光学***的具体光学参数。
表1。
结合图3和图4所示，本发明提供的中短波宽波段红外光学***的第二种实施例：
目标热辐射到达光学***后，自物方到像方沿光轴依次排列为第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4。四个透镜的参数为：第一透镜1为正光焦度透镜，其前表面为凸球面透镜，后表面为凹球面透镜；第二透镜2为负光焦度透镜，其前表面为凹球面透镜，后表面为凹球面透镜；第三透镜3为负光焦度透镜，其前表面为凸球面透镜，后表面为凹球面透镜；第四透镜4为正光焦度透镜，其前表面为凸球面透镜，后表面为凹球面透镜。所述四个透镜的玻璃材料搭配为：第一透镜1为硒化锌材料，第二透镜2为IG4
(IRG24-SCHOTT)材料，第三透镜3为氟化钙硅材料，第四透镜4为硫化锌材料；
根据图3和4的光学结构，设计了一套直筒式中短波红外光学***，工作波段像质在探测器空间频率33lp/mm处边缘视场MTF＞0.5，***技术指标如下：
表2为本实施例的所述光学***的具体光学参数。
表2。
结合图5和图6所示，本发明提供的中短波宽波段红外光学***的第三种实施例：
目标热辐射到达光学***后，自物方到像方沿光轴依次排列为第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4。四个透镜的参数为：第一透镜1为正光焦度透镜，其前表面为凸球面透镜，后表面为凸球面透镜；第二透镜2为负光焦度透镜，其前表面为凹球面透镜，后表面为凹球面透镜；第三透镜3为负光焦度透镜，其前表面为凸球面透镜，后表面为凹球面透镜；第四透镜4为正光焦度透镜，其前表面为凸球面透镜，后表面为凹球面透镜。所述四个透镜的玻璃材料搭配为：第一透镜1为硒化锌材料，第二透镜2为IG4(IRG24-SCHOTT)材料，第三透镜3为氟化钙硅材料，第四透镜4为硒化锌材料。
根据图5和图6所示，设计了一套直筒式中短波红外光学***，工作波段像质在探测器空间频率33lp/mm处边缘视场MTF＞0.45，***技术指标如下：
表3为本实施例的所述光学***的具体光学参数。
表3。
本发明不限于上述实施方式，第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3和第四透镜4还可以采用其他种类的透镜，对此不做限定。
本发明提供的中短波宽波段红外光学***具有以下优点：
(1)工作波段宽
本发明提出的红外光学***的工作波段为1.5μm～5μm，避免了单一波段红外***获取信息存在的局限性，可提高信息获取量和目标识别率。
(2)结构紧凑，适装性好本发明采用四片球面镜，直筒型构型，结构紧凑；同时，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。
(3)成像质量好
本发明利用红外光学材料的合理匹配，设置优化程序来校正光学***的初级像差以及高级像差，使成像质量接近衍射极限，性能稳定。
相应地，本发明提供一种遥感光学设备，所述遥感光学设备具有如上述的中短波宽波段红外光学***，采用直筒型一次成像***构型；镜片均采用球面面型，设置优化程序来校正光学***的初级像差以及高级像差，达到像质最优化的目的。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的***，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的***，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个***，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、磁盘或光盘等。
以上对本发明所提供的一种中短波宽波段红外光学***及遥感光学设备进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种中短波宽波段红外光学***，其特征在于，工作波段为1.5μm～5μm，包括由物方到像方沿光轴依次排列设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、以及第四透镜，所述第一透镜为正光焦度透镜，所述第二透镜为负光焦度透镜，所述第三透镜为负光焦度透镜，所述第四透镜为正光焦度透镜；其中，所述第一透镜、所述第三透镜、所述第四透镜均为球面镜；中短波宽波段红外光学***还包括红外探测器，所述红外探测器包括焦平面探测器窗口、焦平面探测器光阑以及成像探测器焦平面阵列；
所述光学***包括如下三种光学参数：
第一种：所述第一透镜的材料为硫化锌，其前表面的曲率半径为43.94mm，其后表面的曲率半径为567.216mm，其前表面的通光口径为45.66mm，其后表面的通光口径为42.84mm；所述第二透镜的材料为IG4，其前表面的曲率半径为-364.363mm，其后表面的曲率半径为98.755mm，其前表面的通光口径为36.22mm，其后表面的通光口径为33.78mm；所述第三透镜的材料为氟化镁，其前表面的曲率半径为93.654mm，其后表面的曲率半径为31.244mm，其前表面的通光口径为28.98mm，其后表面的通光口径为26.00mm；所述第四透镜的材料为硫化锌，其前表面的曲率半径为47.220mm，其后表面的曲率半径为192.752mm，其前表面的通光口径为15.86mm，其后表面的通光口径为14.60mm；
第二种：所述第一透镜的材料为硒化锌，其前表面的曲率半径为42.261mm，其后表面的曲率半径为2095.709mm，其前表面的通光口径为44.56mm，其后表面的通光口径为42.77mm；所述第二透镜的材料为IG4，其前表面的曲率半径为-626.397mm，其后表面的曲率半径为60.471mm，其前表面的通光口径为40.11mm，其后表面的通光口径为36.18mm；所述第三透镜的材料为氟化钙，其前表面的曲率半径为79.945mm，其后表面的曲率半径为27.559mm，其前表面的通光口径为24.27mm，其后表面的通光口径为21.84mm；所述第四透镜的材料为硫化锌，其前表面的曲率半径为37.988mm，其后表面的曲率半径为118.208mm，其前表面的通光口径为18.38mm，其后表面的通光口径为17.34mm；
第三种：所述第一透镜的材料为硒化锌，其前表面的曲率半径为43.088mm，其后表面的曲率半径为-4098.48mm，其前表面的通光口径为44.36mm，其后表面的通光口径为42.98mm；所述第二透镜的材料为IG4，其前表面的曲率半径为-397.63mm，其后表面的曲率半径为61.417mm，其前表面的通光口径为40.25mm，其后表面的通光口径为36.38mm；所述第三透镜的材料为氟化钙，其前表面的曲率半径为77.617mm，其后表面的曲率半径为31.243mm，其前表面的通光口径为25.76mm，其后表面的通光口径为23.29mm；所述第四透镜的材料为硒化锌，其前表面的曲率半径为52.093mm，其后表面的曲率半径为234.132mm，其前表面的通光口径为20.49mm，其后表面的通光口径为19.40mm。
2.根据权利要求1所述的中短波宽波段红外光学***，其特征在于，所述光学***的光学参数为：
3.根据权利要求1所述的中短波宽波段红外光学***，其特征在于，所述第一透镜为硒化锌材料，所述第二透镜为IG4材料，所述第三透镜为氟化钙硅材料，所述第四透镜为硫化锌材料。
4.根据权利要求3所述的中短波宽波段红外光学***，其特征在于，所述光学***的光学参数为：
5.根据权利要求1所述的中短波宽波段红外光学***，其特征在于，所述第一透镜为硒化锌材料，所述第二透镜为IG4材料，所述第三透镜为氟化钙材料，所述第四透镜为硒化锌材料。
6.根据权利要求5所述的中短波宽波段红外光学***，其特征在于，所述光学***的光学参数为：
7.根据权利要求1所述的中短波宽波段红外光学***，其特征在于，所述焦平面探测器为中短波红外焦平面阵列。
8.一种遥感光学设备，其特征在于，所述遥感光学设备具有如权利要求1至7中任一项所述的中短波宽波段红外光学***。
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