一种带衍射面的四反中波红外取景器光学系统技术方案

本发明专利技术涉及一种带衍射面的四反中波红外取景器光学系统，包括前表面(1)、后表面(2)和红外响应探测器(3)，所述前表面(1)包括由外到内依次相邻且共轴的环形平面(101)、第二次反射非球面(102)和第四次反射非球面(103)，所述后表面(2)包括由外到内依次相邻且共轴的第一次反射非球面(201)、第三次反射非球面(202)和衍射面(203)，入射光线经环形平面(101)入射后依次经过第一次反射非球面(201)、第二次反射非球面(102)、第三次反射非球面(202)和第四次反射非球面(103)反射，再经衍射面(204)出射并到达红外响应探测器(3)上。与现有技术相比，本发明专利技术具有结构紧凑、能有效消除色差等优点。

An optical system of four anti middle wave infrared viewfinder with diffractive surface

The invention relates to a four anti middle wave infrared viewfinder optical system with diffractive surface, which comprises a front surface (1), a back surface (2) and an infrared response detector (3). The front surface (1) comprises a ring plane (101), a second anti reflection aspheric surface (102) and a fourth reflection aspheric surface (103) which are sequentially adjacent and coaxial from the outside to the inside. The back surface (2) comprises a second anti reflection aspheric surface (103) which is sequentially adjacent and coaxial from the outside to the inside The primary reflecting aspherical surface (201), the third reflecting aspherical surface (202) and the diffraction surface (203). After the incident light passes through the ring plane (101), it successively passes through the first reflecting aspherical surface (201), the second reflecting aspherical surface (102), the third reflecting aspherical surface (202) and the fourth reflecting aspherical surface (103), and then it exits through the diffraction surface (204) and reaches the infrared response detector (3). Compared with the prior art, the invention has the advantages of compact structure, effective elimination of color difference, etc.

【技术实现步骤摘要】
一种带衍射面的四反中波红外取景器光学系统
本专利技术涉及光学系统和器件设计领域，尤其是涉及一种带衍射面的四反中波红外取景器光学系统。
技术介绍
在红外成像光学系统中，采用透射式光学元件来设计大相对孔径、高分辨率的相机镜头，通常需要多片式镜片组合成像校正像差，这种系统设计通相对冗长，镜片的装配工艺和检测手段繁琐，所用的透镜材料诸如锗、硫化锌或硒化锌等，其价格昂贵且制造困难，然而内反射式的设计结构可以实现低成本、高性能且系统构型轻巧的红外成像光学系统，已经在可见光波段的设计中使用，反射的设计构型会折叠光路，使系统结构紧凑。此外，高通量和高分辨率是红外取景器的关键参数，这些将提升系统在弱光或者夜间复杂环境的目标识别能力。Eric等人在《Ultrathinfour-reflectionimager》(APPLIEDOPTICS，48(2)：343-354，2009)中设计了一款F数1.15，焦距为18.6mm，厚度仅5.5mm的超薄四反光学镜头，材料为氟化硅，其工作波段为可见光波段。但该系统是在探测器采集图像后再对色差进行优化处理，并没有实质地校正系统色差。目前尚未有人提出应用在红外成像中且能有效消除色差的一体式同轴光学结构。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种带衍射面的四反中波红外取景器光学系统。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种带衍射面的四反中波红外取景器光学系统，包括前表面、后表面和红外响应探测器，所述前表面包括由外到内依次相邻且共轴的环形平面、第二次反射非球面和第四次反射非球面，所述后表面包括由外到内依次相邻且共轴的第一次反射非球面、第三次反射非球面和衍射面，入射光线经环形平面入射后依次经过第一次反射非球面、第二次反射非球面、第三次反射非球面和第四次反射非球面反射，再经衍射面出射并到达红外响应探测器上。进一步地，该光学系统的F数为0.8～1.1，入射光瞳直径为60mm～80mm，中心遮拦直径为30～50mm，折中视场和集光能力选择入射光瞳直径大小。进一步地，所述入射光瞳与环形平面重合。进一步地，所述第二次反射非球面和第四次反射非球面、第一次反射非球面、第三次反射非球面的相邻边缘均互不干涉。进一步地，所述前表面和后表面轴向距离为23mm～28mm，所述后表面与红外响应探测器的轴向距离为5mm～7mm，根据红外响应探测器的尺寸确定。进一步地，所述环形平面最外边缘的直径不超过77mm，所述环形平面到红外响应探测器的轴向距离不超过35mm，根据入射光瞳直径和后表面与红外响应探测器的轴向距离确定。进一步地，所述红外响应探测器的单个像素大小为15μm或30μm，总像素数为320×256，尺寸为4.8mm×3.8mm，红外响应波段范围为3.7μm-4.8μm，中心工作波长为4.4μm。进一步地，所述第一次反射非球面、第二次反射非球面、第三次反射非球面和第四次反射非球面为参数不同的环带高次非球面。进一步地，该系统水平方向和垂直方向的视场角均为5°，实现成像充满红外响应探测器。与现有技术相比，本专利技术具有以如下有益效果：(1)本专利技术中光学系统的前后两个光学面，前表面和后表面外环采用多段式高次非球面，后表面中心区域采用衍射面，入射光线经四次内反射后从衍射面出射，无需经过不同透射材料，故有效校正了系统单色像差，最后的衍射面有效地校正了系统色差，实现了色差的有效校正；(2)本专利技术的光学系统所采用多段式高次光学面和内反射实现红外成像，光学系统为一体式同轴光学结构，采用单个透镜即可实现，结构紧凑，不需要装配和检测，生产成本低，系统集成度高。附图说明图1为带衍射面的四反中波红外取景器光学系统结构示意图；图2为本专利技术实施例中光学系统的点列图；图3为本专利技术实施例中光学系统的MTF曲线图；图4为本专利技术实施例中去除衍射面后光学系统的MTF曲线图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。本实施例以本专利技术技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。本实施例提供一种带衍射面的四反中波红外取景器光学系统，如图1所示，包括前表面1、后表面2和红外响应探测器3，前表面1包括由外到内依次相邻且共轴的环形平面101、第二次反射非球面102和第四次反射非球面103，后表面2包括由外到内依次相邻且共轴的第一次反射非球面201、第三次反射非球面202和衍射面203，入射光线经环形平面101入射后依次经过第一次反射非球面201、第二次反射非球面102、第三次反射非球面202和第四次反射非球面103反射，再经衍射面204出射并到达红外响应探测器3上。F数越小，入瞳口径则越大，集光能力越强，有效入瞳越大，相应视场则越小，根据红外响应探测器3型号和参数计算，折中视场和集光能力选择该尺寸的入射光瞳的大小。本实施例中，带衍射面的四反中波红外取景器光学系统的F数为0.9，入射光瞳直径范围为74mm，中心遮拦直径为48mm，等效口径为56mm，中心工作波长为4.4μm，系统水平方向和垂直方向的视场角均为5°，实现成像充满红外响应探测器，入射光瞳与环形平面101重合。第二次反射非球面102和第四次反射非球面103、第一次反射非球面201、第三次反射非球面202的相邻边缘均互不干涉，第一次反射非球面201、第二次反射非球面102、第三次反射非球面202和第四次反射非球面103为参数不同的环带高次非球面。前表面1和后表面2轴向距离为25mm，后表面2与红外响应探测器3的轴向距离为5mm，红外响应探测器3的单个像素大小为15μm，总像素数为320×256，尺寸为4.8mm×3.8mm。带衍射面的四反中波红外取景器光学系统的各个光学面的参数和间距如表1所示。表1：光学系统参数由于透射材料折射率随波长变化，造成物点发出的不同波长的光线通过光学系统后不会聚在一点，而成为有色的弥散斑，本实施例采用内反射，故入射光线不经过不同的透射材料，故消除了单色色差；衍射面的色散特性与材料的无关性和负向性能够有效消除系统色差。图2所示为带衍射面的四反中波红外取景器光学系统的点列图，该点列图展示了像面上的弥散斑大小分布，色差的大小表现为弥散斑大小，根据点列图结果，均小于探测器像元尺寸，故系统色差得到校正；图3所示为带衍射面的四反中波红外取景器光学系统的MTF曲线图，MTF曲线图即全视场传递函数图，该系统的设计接近衍射极限；图4所示为不带衍射面的四反中波红外取景器光学系统的MTF曲线图，相较于不带衍射面的光学系统，带衍射面的四反中波红外取景器光学系统在33lp/mm的设计传函值由原来的0.25提升至0.43，全视场的设计传函接近衍射极限。本实施例提供的带衍射面的四反中波红外取景器光学系统，适用于大相对孔径和高分辨率，且无需装调，可直接采用单点金刚石车本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种带衍射面的四反中波红外取景器光学系统，包括前表面(1)、后表面(2)和红外响应探测器(3)，所述前表面(1)包括由外到内依次相邻且共轴的环形平面(101)、第二次反射非球面(102)和第四次反射非球面(103)，其特征在于，所述后表面(2)包括由外到内依次相邻且共轴的第一次反射非球面(201)、第三次反射非球面(202)和衍射面(203)，入射光线经环形平面(101)入射后依次经过第一次反射非球面(201)、第二次反射非球面(102)、第三次反射非球面(202)和第四次反射非球面(103)反射，再经衍射面(204)出射并到达红外响应探测器(3)上。/n

【技术特征摘要】
1.一种带衍射面的四反中波红外取景器光学系统，包括前表面(1)、后表面(2)和红外响应探测器(3)，所述前表面(1)包括由外到内依次相邻且共轴的环形平面(101)、第二次反射非球面(102)和第四次反射非球面(103)，其特征在于，所述后表面(2)包括由外到内依次相邻且共轴的第一次反射非球面(201)、第三次反射非球面(202)和衍射面(203)，入射光线经环形平面(101)入射后依次经过第一次反射非球面(201)、第二次反射非球面(102)、第三次反射非球面(202)和第四次反射非球面(103)反射，再经衍射面(204)出射并到达红外响应探测器(3)上。


2.根据权利要求1所述的一种带衍射面的四反中波红外取景器光学系统，其特征在于，该光学系统的F数为0.8～1.1，入射光瞳直径为60mm～80mm，中心遮拦直径为30～50mm。


3.根据权利要求2所述的一种带衍射面的四反中波红外取景器光学系统，其特征在于，所述入射光瞳与环形平面(101)重合。


4.根据权利要求1所述的一种带衍射面的四反中波红外取景器光学系统，其特征在于，所述第二次反射非球面(102)和第四次反射非球面(103)、第一次反射非球面(201)、第三次反射非球面(202)的相邻边缘均互...

【专利技术属性】
技术研发人员：王占山，沈正祥，余俊，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海;31