本發(fā)明涉及復(fù)消色差光學(xué)系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于1～2.5μm短紅外波段的復(fù)消色差光學(xué)系統(tǒng)及應(yīng)用。

背景技術(shù)：

夜戰(zhàn)已經(jīng)成為現(xiàn)代局部戰(zhàn)爭(zhēng)的一種主要形式。依靠大量的紅外夜視裝備，軍隊(duì)獲得了戰(zhàn)場(chǎng)的“單向透明”，從而掌握戰(zhàn)爭(zhēng)的主動(dòng)權(quán)。戰(zhàn)爭(zhēng)的需求拉動(dòng)了紅外成像技術(shù)的發(fā)展，紅外成像技術(shù)的發(fā)展又促進(jìn)了高技術(shù)局部戰(zhàn)爭(zhēng)向信息化局部戰(zhàn)爭(zhēng)的轉(zhuǎn)變，并成為信息化戰(zhàn)爭(zhēng)所依賴的一種主要傳感器技術(shù)。

長(zhǎng)波、中波和短波紅外輻射的性質(zhì)各不相同，軍事上利用對(duì)應(yīng)三個(gè)“大氣窗口”的紅外成像技術(shù)，可顯著提高對(duì)目標(biāo)的探測(cè)和識(shí)別能力。短波紅外系統(tǒng)是工作于1～2.5μm的紅外波段，而太陽和星星在這個(gè)波段有很強(qiáng)的發(fā)射。短波紅外成像主要是利用室溫景物反射及發(fā)射的短波紅外輻射特性來實(shí)現(xiàn)探測(cè)，可以彌補(bǔ)中長(zhǎng)波紅外夜視的不足，填補(bǔ)短波紅外大氣窗口的利用空白，這對(duì)于在紅外波段全面獲取目標(biāo)的信息具有重要意義。

紅外成像光學(xué)系統(tǒng)的消色差設(shè)計(jì)直接關(guān)系到成像質(zhì)量的好壞。短波紅外相對(duì)帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于中、長(zhǎng)波紅外以及可見光，其消色差困難程度也將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他波段范圍，因此光學(xué)系統(tǒng)要在短波紅外進(jìn)行成像，首先應(yīng)考慮光學(xué)系統(tǒng)色差對(duì)成像質(zhì)量的影響。全反射式光學(xué)系統(tǒng)不引入色差，但是光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，加工裝配均十分困難。折射式光學(xué)系統(tǒng)由折射透鏡引入色差，但可以采用球面面型，加工裝配較容易，因此需要采取一些技術(shù)手段來使系統(tǒng)的色差得以校正，從而實(shí)現(xiàn)短波紅外成像。

申請(qǐng)?zhí)枮镃N201610526847.2的中國(guó)專利申請(qǐng)公開了一種短波紅外寬波段復(fù)消色差像方遠(yuǎn)心望遠(yuǎn)物鏡。它為同軸透射式光學(xué)系統(tǒng)，工作波段為1.0～2.5μm，包括八塊球面透鏡，沿光線入射方向，依次為三塊正彎月透鏡、一塊負(fù)彎月透鏡、一塊雙凹負(fù)透鏡、一塊正彎月透鏡和兩塊雙凸正透鏡，光闌位于第四塊與第五塊透鏡之間，前七塊透鏡均彎向光闌，第八塊透鏡使像方主光線平行于光軸垂直入射到像面上。該光學(xué)系統(tǒng)采用了八塊透鏡和三種材料，加工成本較高，而且相對(duì)口徑最大僅為1/2.6，焦距僅為10mm，該望遠(yuǎn)物鏡適用于100米以內(nèi)的成像需求，但難以滿足遠(yuǎn)距離探測(cè)的成像需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明公開了一種用于1～2.5μm短紅外波段的復(fù)消色差光學(xué)系統(tǒng)及應(yīng)用。所述光學(xué)系統(tǒng)與熱電制冷型短波紅外探測(cè)器匹配，該系統(tǒng)僅用了兩種材料，五片全球面鏡片組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝調(diào)容易。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種用于1～2.5μm短紅外波段成像的復(fù)消色差光學(xué)系統(tǒng)，所述光學(xué)系統(tǒng)從物方至像方按順序由第一透鏡1、第二透鏡2、第三透鏡3、第四透鏡4、第五透鏡5、探測(cè)器窗口6和鏡面7組成；所述第一透鏡1前表面為光學(xué)系統(tǒng)的孔徑光闌，來自物方的光束依次通過第一透鏡1、第二透鏡2、第三透鏡3、第四透鏡4、第五透鏡5和探測(cè)器窗口6在像面7上成像；

五個(gè)透鏡的光焦度依次為：正、正、負(fù)、正、正，第一透鏡1彎向像方，第二透鏡2彎向像方，第三透鏡3為雙凹透鏡，第四透鏡4彎向物方，第五透鏡5彎向像方，五個(gè)透鏡前、后表面均為球面。

所述第一透鏡1、第二透鏡2和第三透鏡3均由氟化鋇BAF2材料制成，第四透鏡4和第五透鏡5均由火石玻璃SF6材料制成，探測(cè)器窗口6由藍(lán)寶石Al₂O₃材料制成。

所述第一透鏡1、第二透鏡2和第三透鏡3組成了具有負(fù)光焦度的前透鏡群組，第四透鏡4和第五透鏡5組成了具有正光焦度的后透鏡群組，前透鏡群組和后透鏡群組共同組成了遠(yuǎn)距攝影的結(jié)構(gòu)型式。

進(jìn)一步地，所述第一透鏡1前表面的曲率半徑為56.74～85.10mm，前表面的有效孔徑為81～99mm，前表面的厚度為16.83～20.7mm；所述第一透鏡(1)后表面的曲率半徑為601.28～901.92mm，后表面的有效孔徑為70.8～106.2mm，后表面的厚度為37.98～46.42mm。

進(jìn)一步地，所述第二透鏡2前表面的曲率半徑為48.72～73.08mm，前表面的有效孔徑為54.72～66.88mm，前表面的厚度為9.36～11.44mm；所述第二透鏡(2)后表面的曲率半徑為358.16～537.24mm，后表面的有效孔徑為52.2～63.8mm，后表面的厚度為3.87～4.73mm。

進(jìn)一步地，所述第三透鏡3前表面的曲率半徑為-165.26～-110.18mm，前表面的有效孔徑為51.66～63.14mm，前表面的厚度為4.5～5.5mm；所述第三透鏡(3)后表面的曲率半徑為110.18～165.26mm，后表面的有效孔徑為48.33～59.07mm，后表面的厚度為76.56～93.58mm。

進(jìn)一步地，所述第四透鏡4前表面的曲率半徑為-26.14～-17.42mm，前表面的有效孔徑為22.05～26.95mm，前表面的厚度為4.5～5.5mm；所述第四透鏡(4)后表面的曲率半徑為-26.44～-21.64mm，后表面的有效孔徑為23.67～28.93mm，后表面的厚度為0～2mm。

進(jìn)一步地，所述第五透鏡5前表面的曲率半徑為21.63～32.45mm，前表面的有效孔徑為21.6～26.4mm，前表面的厚度為4.5～5.5mm；所述第五透鏡5后表面的曲率半徑為29.52～44.28mm，后表面的有效孔徑為19.8～24.2mm，后表面的厚度為13.14～16.06mm。

本發(fā)明還提供所述用于1～2.5μm短紅外波段成像的復(fù)消色差光學(xué)系統(tǒng)在夜視偵查設(shè)備、軍用迷彩偽裝識(shí)別和激光光源探測(cè)中的應(yīng)用。

本發(fā)明提供一種五片折射式短波紅外光學(xué)系統(tǒng)，在色差理論的指導(dǎo)下，針對(duì)可用于短波紅外的光學(xué)材料色散系數(shù)(阿貝數(shù))等進(jìn)行分析比較，從中選擇了一組能最大限度滿足消色差的材料組合，即BAF2和SF6兩種材料組合，通過合理分配光焦度，本發(fā)明采用色散小的BAF2材料做正透鏡，色散大的SF6材料做負(fù)透鏡，使系統(tǒng)色差得到很好校正，適用于10公里以上的遠(yuǎn)距離成像。所述系統(tǒng)在探測(cè)器中心頻率16.7lp/mm處的光線系統(tǒng)邊緣視場(chǎng)傳遞函數(shù)值達(dá)到70％以上，且各視場(chǎng)點(diǎn)列圖的均方根半徑均小于8μm，即各視場(chǎng)點(diǎn)列圖彌散斑均位于探測(cè)器30μm大小的單個(gè)像元內(nèi)，由此認(rèn)為本光學(xué)系統(tǒng)達(dá)到了短波紅外復(fù)消色差(校正了二級(jí)光譜的設(shè)計(jì)稱為復(fù)消色差設(shè)計(jì))的結(jié)果，而且像質(zhì)接近衍射極限，成像質(zhì)量良好。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：本發(fā)明提供的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，加工、裝調(diào)較容易實(shí)現(xiàn)，光學(xué)系統(tǒng)僅采用兩種材料BAF2和SF6，全部為球面面型，即達(dá)到了復(fù)消色差設(shè)計(jì)的效果，適用于短紅外遠(yuǎn)距離成像。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種實(shí)施例光線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖1中，1代表第一透鏡，2代表第二透鏡，3代表第三透鏡，4代表第四透鏡，5-第五透鏡，6-探測(cè)器窗口，7-鏡面(焦面)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步詳細(xì)說明。

圖1為本發(fā)明所設(shè)計(jì)的短波紅外五片式光學(xué)系統(tǒng)最佳實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。所述系統(tǒng)設(shè)計(jì)波段為1μm～2.5μm，通光口徑：ф90mm，視場(chǎng)：3°×2.4°，系統(tǒng)焦距為180mm的紅外系統(tǒng)。

光學(xué)系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1

S1-1代表第一透鏡前表面，S1-2代表第一透鏡后表面，S2-1代表第二透鏡前表面，S2-2代表第二透鏡后表面，S3-1代表第三透鏡前表面，S3-2代表第三透鏡后表面，S4-1代表第四透鏡前表面，S4-2代表第四透鏡后表面，S5-1代表第五透鏡前表面，S5-2代表第五透鏡后表面，S6-1代表探測(cè)器窗口前表面，S6-2代表探測(cè)器窗口后表面。

所述五個(gè)透鏡的光焦度依次為：正、正、負(fù)、正、正，第一透鏡1彎向像方，第二透鏡2彎向像方，第三透鏡3為雙凹透鏡，第四透鏡4彎向物方，第五透鏡5彎向像方，五個(gè)透鏡前后表面均為球面。第一透鏡1、第二透鏡2以及第三透鏡3是氟化鋇BAF2材料制成的球面透鏡，第四透鏡4和第五透鏡5是火石玻璃SF6材料制成的球面透鏡，探測(cè)器窗口6是藍(lán)寶石Al₂O₃材料制成的平板。

實(shí)施例1提供的光學(xué)系統(tǒng)各視場(chǎng)的均方根點(diǎn)列圖(RMS Spot Radius)和最大點(diǎn)列圖(Max Spot Radius)如表2所示。

表2

由表2可以看出，各視場(chǎng)的點(diǎn)列圖均小于像元尺寸30μm，從而獲得了接近衍射限的成像質(zhì)量。

實(shí)施例1制得的光學(xué)系統(tǒng)，全視場(chǎng)彌散斑RMS值介于2.129μm～10.762μm之間，像差已經(jīng)校正得很好，完全匹配像元尺寸30μm的探測(cè)器，成像質(zhì)量良好。

實(shí)施例2

在實(shí)施例1的基礎(chǔ)上，將材料組合BAF2-BAF2-BAF2-SF6-SF6改變?yōu)锽AF2-BAF2-SF6-ZNS-ZNS，從而形成實(shí)施例2，將其與實(shí)施例1的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，如表3所示。

表3

通過實(shí)施例1與實(shí)施例2的比較，可以發(fā)現(xiàn)，將最佳實(shí)施例1的材料組合進(jìn)行改變形成的實(shí)施例2，消色差效果降低，且需要采用三種材料，系統(tǒng)復(fù)雜度提高，而且其中的ZNS材料價(jià)格高昂，加工成本將大幅提高。

在實(shí)施例1五片透鏡BAF2-BAF2-BAF2-SF6-SF6材料順序的基礎(chǔ)上，如果任意改變材料種類或材料的順序，消色差均降低，甚至沒有消色差效果。