[发明专利]一种短波、长波红外双波段共焦面大相对孔径光学系统

说明书

本发明提供一种采用材料较少、体积小巧、结构紧凑、并能有效消除双波段系统中波段间与波段内色差的大相对孔径光学系统。该光学系统包括从物侧到焦面依次排列固联的前固定镜组、光阑、中间固定镜组、后固定镜组和探测器；前固定镜组、光阑、中间固定镜组和后固定镜组的中心轴线同轴；所述前固定镜组具有正光焦度，包括在自物侧至焦面方向中心轴线上同轴依次排列的第一正透镜、第一负透镜和第二负透镜；中间固定镜组具有负的光焦度，包括自物侧至焦面方向中心轴线上同轴依次排列的第二正透镜和第三负透镜；光阑固定位在第三负透镜与第二正透镜之间；后固定镜组为第三正透镜。

技术领域

本发明涉及一种短波红外与长波红外两个波段的光学系统设计，具体涉及一种仅使用透射元件的共光路共焦面且包含短波红外0.9μm～1.7μm与长波红外8μm～12μm两个波段的光学系统设计。

背景技术

与可见光成像相同，近红外成像通常也是对目标或背景反射辐射的探测。但由于后者波长更长，受大气散射影响较小，工作距离可以更远，而且后者还具有更好的烟雾穿透能力，就使得近红外成像具有更好的环境适应性；长波红外成像主要是对物体自身辐射特征的探测，是探测特定背景中目标红外特征的理想波段，同时，长波红外波段也具有较好的大气、烟雾等的穿透能力。因而，结合有近红外与长波段红外双波段的成像光学系统，使用近红外探测背景，长波红外探测目标，获得目标与背景的更多信息，可以有效改善系统环境适应性、提高目标背景成像对比度、对抗红外隐身手段，实现目标探测识别辨认。近年来，集成有近红外、长波红外的双波段焦平面探测器的不断发展，也对相应光学系统设计提出了迫切需求。

现有技术中采用的近红外-长波红外共光路共焦面光学系统主要是透射式系统、反射式系统和折反式系统。在采用透射元件的设计中，由于涉及到0.9μm～1.7μm与8μm～12μm将近十倍宽的两个波段，可选用的光学材料较少，这就导致整个系统波段间的色差和波段内的色差难以同时消除；在采用反射元件的设计中，现有技术多采用三反式设计结构，虽然反射式设计不存在色差及天然消热差的特性，但三反式设计加工、装调都较为困难，且相对孔径一般较大；而折反式设计为上述两种设计的折衷，好处是色差较易校正，缺点是存在中心遮拦，且需要杂散光抑制措施。另外，反射系统的中心遮拦还会影响辐射能量利用率。因此设计出具有较小F数(F#即为光圈数是入瞳口径与焦距之比的倒数，即F＝f/D)的近红外-长波红外大相对孔径光学系统，难度较大；对于一些文献公开的短波红外-长波红外双波段大相对孔径光学系统，要么相对孔径较小，要么系统结构复杂。

2011年，刊载于SPIE Vol.8012第801224-1～18页的美国文献《Refractive LensDesign for Simultaneous SWIR and LWIR Imaging》公开了一种短波红外与长波红外共孔径共焦面集成的光学系统。该系统针对对角线长20mm、25μm像元的非制冷短波-长波红外双波段焦面探测器，焦距50mm，F数为1，共采用了5种红外材料，11片透镜，且至少含有两面非球面，这就导致整个光学系统装调工艺复杂，系统透过率偏低，加工成本偏高，另外该镜头总长达240mm，总长较长，不利于光学系统的小型化集成。