[实用新型]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

技术领域

本实用新型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 Lens Design 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。

2013年，刊载于Optical Engineering第56卷第6期，第061308-1～11页的美国文献《Optical design of common aperture，common focal plane，multispectral opticsformilitary applications》公开了若干种短波-长波红外共孔径共焦面集成的光学系统。文中公开的透射式光学系统，在焦距为50mm的情况下，F数为1.4或1.6，且都至少采用了三面非球面，有的设计还使用了金刚石(diamond)、碘化铯(CsI)、溴化铯(CsBr)等加工困难或理化性质不稳定的材料，使得整个光学系统缺乏工程可实现性；另外一种采用折反式结构的镜头设计，则在焦距为50mm下，F数达到了1.3。该镜头虽然仅采用了两片多光谱ZnS透镜，但镜头各光学反射面、透射面均在两片ZnS透镜上加工实现，且镜头中还含有曼金镜元件，这些将导致整个光学系统公差严格，加工难度较大，而较大的中心遮拦，也降低了整个系统的光能利用率，在很大程度上抵消了该镜头小F数的优势；另外，该文献中还公布了一种三反的光学设计，整个光学系统焦距为50mm，F数为1.9，虽然整个系统无中心遮拦、紧凑性好，但比之透射式系统仍具有较大体积，且三个反射面均为Zernike面，也加大三反系统加工与装调的难度。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对上述现有技术存在的不足之处，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，尤其是0.9～1.7μm短波红外与8～12μm长波红外双波段的大相对孔径光学系统。