[发明专利]基于自由曲面的快焦比反射式长波红外取景器光学系统

说明书

本发明公开了一种基于自由曲面的快焦比反射式长波红外取景器光学系统，包括两个自由曲面反射镜和一个长波红外响应面阵探测器。光线经过外置的入射光瞳，并依次经过两个自由曲面反射镜后，到达长波红外响应面阵探测器。现有用于取景器光学系统设计的离轴两反光学系统只能应用于可见光波段，其F数较大，无法应用于长波红外波段，且无法满足快焦比的高性能要求。本发明提出的一种基于光学自由曲面的快焦比反射式光学系统，能够实现高通量和高分辨率的结构紧凑和宽波段的长波红外取景器光学系统。该基于光学自由曲面的快焦比反射式长波红外取景器能够在微光或夜间复杂环境下进行目标探测与监控。

技术领域

本发明涉及光学系统和器件设计技术领域，具体涉及一种基于光学自由曲面的快焦比反射式长波红外取景器光学系统，适用于微光或夜间复杂环境下的目标探测与监控。

背景技术

在红外成像光学系统中，尤其是涉及宽波段长波红外光学系统，若采用透射式光学元件的设计方法，所用透镜材料诸如锗、硫化锌或硒化锌等，其价格昂贵且制造困难。然而，反射式的设计方法可以实现低成本、高性能且无需校正色差的宽波段红外光学系统。其中，反射式长波红外取景器在微光或夜间复杂环境下的目标探测与监控具有重要作用。Aaron Bauer等人在《Design of a freeform electronic viewfinder coupled toaberration fields of freeform optics》(OPTICS EXPRESS，23(22)：28141-28153，2015)中基于泽尼克多项式自由曲面设计了光瞳直径为12mm，F数为4.0的离轴两反取景器，其工作波段为可见光波段。显然，该设计无法直接用于长波红外波段，其F数较大，导致红外波段的系统分辨率较低。在长波红外取景器的设计中，反射式的设计方法会折叠光路，使得系统结构紧凑。此外，高通量和高分辨率是长波红外取景器的关键技术参数，这会提升在微光或夜间复杂环境下目标图像的对比度和细节探测能力。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于解决现有的红外成像光学系统中,尤其是涉及宽波段长波红外光学系统，需校正色差且成本高的问题。

技术方案：本发明采用以下技术方案：一种基于自由曲面的快焦比反射式长波红外取景器光学系统，包括两个自由曲面反射镜和一个长波红外响应面阵探测器，第一自由曲面反射镜位于入射光瞳的入射光路上，第二自由曲面反射镜位于第一自由曲面反射镜的反射光路上，长波红外响应面阵探测器位于第二自由曲面反射镜的反射光路上。-进一步地，所述长波红外响应面阵探测器的尺寸为12×8mm²，总像素数为480×320，单个像素的大小为25微米。

进一步地，所述长波红外响应面阵探测器的响应波段为长波红外宽波段，波长范围从8微米到14微米，中心工作波长为10.6微米。

进一步地，基于自由曲面的快焦比反射式长波红外取景器光学系统的F数为1.9，入射光瞳直径为12mm，入射光瞳距离大于18mm。

进一步地，水平方向的视场角为20°，垂直方向的视场角为15°，对角全视场角为25°。

进一步地，第一自由曲面反射镜和第二自由曲面反射镜均采用XY多项式自由曲面反射面，但是其基面或母面面形不同。

进一步地，第一自由曲面反射镜采用基面为抛物面的XY多项式自由曲面反射面，其顶点曲率半径为116.805mm，第一自由曲面反射镜的光焦度为负值。

进一步地，第二自由曲面反射镜采用基面为双曲面的XY多项式自由曲面反射面，其顶点曲率半径为62.527mm，第二自由曲面反射镜的光焦度为正值。

进一步地，第一自由曲面反射镜的上边缘与第二自由曲面反射镜的上边缘相互不干涉。

进一步地，第一自由曲面反射镜的下边缘与长波红外响应面阵探测器相互不干涉。