CN120215087A 一种轻量化中波红外全景成像系统

地址310058浙江省杭州市西湖区余杭塘司33200专利代理师贾玉霞一种轻量化中波红外全景成像系统本发明公开一种轻量化中波红外全景成像系统，包括从物方到像方依次排列的第二反射镜用于收集超大视场范围的中红外光线并压缩21.一种轻量化中波红外全景成像系统，其特征在于，包括从物方到像方依次排列的第所述第一反射镜和第二反射镜用于收集超大视场范围的中红外光线并压缩所述中红所述超透镜的前后表面均为能引入相位突变的超表面，用于矫正光学系统的高级像所述非球面透镜的前后表面均为偶次非球面，用于矫正光学10.根据权利要求1所述的轻量化中波红3一种轻量化中波红外全景成像系统技术领域[0001]本发明涉及中波红外全景成像领域，具体涉及一种轻量化中波红外全景成像系统。背景技术[0002]中波红外光学成像技术是一种能够记录目标物体热辐射分布信息并具有强穿透性和昼夜运转能力的热成像技术，因此可广泛应用于夜间侦察、气体检测、热测温、物质成分检测等重要领域。[0003]普通的红外光学系统的视场角较小，会导致探测视野范围受限，无法探测更多的目标信息。随着人工智能、信息处理技术的不断发展，对红外光学系统提出了更大视场角的需求。而对于较大视场角的红外光学系统，通常会采用多片不同材料的红外透镜的组合来矫正大视场光学系统带来的像差。由于红外透镜材料贵且透过率低，这就使得光学系统变得厚重且加工成本高昂。公开号为CN222280941U的专利公布了一种半视场角为60°的大视场角红外摄像镜头，整个光学系统由8片透镜组成，使得结构较为复杂笨重。[0004]红外全景成像系统相比于全透射式红外光学系统具有更大的视场角和更少的光学元件数量，但是其特殊的头部单元仍未彻底解决结构厚重的痛点。公开号为CN211348844U的专利公布了一种红外全景潜望镜装置，其头部单元能够收集超大视场的红外光线并有效压缩光线入射角，但是架构复杂、对加工和装调提出了较高的要求。发明内容[0005]针对现有技术的不足，本发明提供一种轻量化中波红外全景成像系统，集反射光学元件、透射光学元件和平面光学元件于一体，采用两片反射镜、一片超透镜和一片非球面透镜实现轻架构设计，解决了普通中波红外超广角光学系统厚重的痛点，能够在-30℃~+70℃温度范围内实现低畸变、近衍射极限成像。[0006]本发明的目的通过如下的技术方案来实现：[0007]一种轻量化中波红外全景成像系统，包括从物方到像方依次排列的第二反射镜、[0008]所述第一反射镜的中央开孔，所述第一反射镜和第二反射镜的凹面靠近像方；[0009]所述第一反射镜和第二反射镜用于收集超大视场范围的中红外光线并压缩所述中红外光线入射所述超透镜的角度；[0010]所述超透镜的前后表面均为能引入相位突变的超表面，用于矫正光学系统的高级[0011]所述非球面透镜的前后表面均为偶次非球面，用于矫正光学系统的初级像差并将所述中红外光线传递至所述红外探测器；[0012]所述红外探测器用于感知3-5μm的中红外光线并将其转化为红外图像。[0013]为了收集超大视场的中红外光线并提高对其的调控能力、同时保证反射镜的可加4[0014]为了使得被第二反射镜R2反射的中红外光线能够穿过第一反射镜R1的中央并且提下实现了轻量化，解决了大视场透射式红外光学系统元件数[0026]2.本发明使用两个反射镜，极大地避免了色差对轻量化中波红外全景成像系统[0027]3.相对于大视场透射式红外光学系统所需元件数量多、普通红外全景成像系统附图说明[0029]图2为本发明实施例中轻量化中波红外全景成像系统中超透镜前表面的相位突变[0030]图3为本发明实施例中轻量化中波红外全景成像系统中超透镜后表面的相位突变5分布图。[0031]图4为本发明实施例中轻量化中波红外全景成像系统超透镜前后表面微纳单元在周期为1400nm、高度为6000nm[0032]图5为本发明实施例中轻量化中波红外全景成像系统在常温工作状态下的光线追迹图。[0033]图6为本发明实施例中轻量化中波红外全景成像系统在常温工作状态下的点列[0034]图7为本发明实施例中轻量化中波红外全景成像系统在常温工作状态下的MTF曲[0035]图8为本发明实施例中轻量化中波红外全景成像系统在常温工作状态下的场曲畸[0036]图9为本发明实施例中轻量化中波红外全景成像系统在低温工作状态下的点列[0037]图10为本发明实施例中轻量化中波红外全景成像系统在低温工作状态下的MTF曲[0038]图11为本发明实施例中轻量化中波红外全景成像系统在低温工作状态下的场曲畸变图。[0039]图12为本发明实施例中轻量化中波红外全景成像系统在高温工作状态下的点列[0040]图13为本发明实施例中轻量化中波红外全景成像系统在高温工作状态下的MTF曲[0041]图14为本发明实施例中轻量化中波红外全景成像系统在高温工作状态下的场曲畸变图。[0042]图15为本发明对比例中传统中波红外全景环带镜头的光线追迹图。具体实施方式[0043]下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以[0044]如图1所示，本发明提出的轻量化中波红外全景成像系统，包括从物方到像方依次[0045]其中，第一反射镜的R1中央开孔，第一反射镜R1和第二反射镜R2的凹面靠近像方。第一反射镜R1和第二反射镜R2用于收集超大视场范围的中红外光线并压缩光线入射超透镜M的角度；超透镜M的前后表面均为能引入相位突变的超表面，用于矫正光学系统的高级像差；非球面透镜A的前后表面均为偶次非球面，用于矫正光学系统的初级像差并将中红外光线传递至红外探测器D;红外探测器D用于感知3-5μm的中红外光线并将其转化为红外图[0046]本实施例中，为了获得大靶面并与轻量化中波红外全景成像系统适配，红外传感器D的分辨率选用640×512,像元尺寸为15um。[0047]本实施例中，为了感知大视场范围的中红外光线并尽可能的减小红外探测器D的6工作状态分为常温工作状态(工作环境温度为+20℃)、低温工作状态(工作环境温度为-307元件曲率半径厚度(mm)净口径(mm)反射镜R1反射镜R2无限硅无限硫系玻璃无限--[0064]表2常温工作状态下本实施例中反射镜的偶次非球面参数元件k反射镜R1反射镜R2[0066]表3常温工作状态下本实施例中超透镜衍射参数R[0068]表4常温工作状态下本实施例中非球面透镜的偶次非球面参数k00[0070]在表3的参数下，超透镜M的前表面和后表面引入的相位突变分布分别如图2、图3所示。其前后表面的相位突变分布变化较为平缓，能够允许较大的制造公差，有利于超透镜的加工制备。[0071]本实施例中，如图4所示，超透镜M的前后表面通过在硅衬底上排列周期为1400nm、高度为6000nm、直径范围为800nm~1020nm的硅圆柱微纳单元，以保证能够覆盖0~2π的相位突变范围，使得超透镜M前后表面能够有效引入如图2、图3所示的相位分布。[0072]在表1、表2、表3、表4的参数下，系统在常温工作状态下的光线追迹图如图5所示。系统光线聚焦情况良好，镜片结构分布合理，整体架构简洁轻量。[0073]在常温工作状态下，系统的点列图、MTF曲线图、场曲畸变图分别如图6、图7、图8所示；在低温工作状态下，系统的点列图、MTF曲线图、场曲畸变图分别如图9、图10、图11所示；8[0074]在常温工作状态、低温工作状态、高温工作状态下，系统在五种视场下的最大RMS半径分别为5.803μm、5.931μm、5.767μm。点列图光斑大小与艾里斑大小近似并小于红外探测器D的像元尺寸，能够允许一定范围的加工公差并适配探测器的最高性能。[0075]在常温工作状态、低温工作状态、高温工作状态下，系统在空间频率为331p/mm时的MTF值均高于0.4,与衍射极限接近，展现了其在轻架构设计下的高成像性能。[0076]在常温工作状态、低温工作状态、高温工作状态下，系统的最大F-theta畸变分别为5.1072%、5.1069%、5.1075%。在不同的温度工作状态和接收超大视场的中红外光线的情况下，系统的最大F-theta畸变仅接近5%,证明了本发明实施例优越的性能。[0077]本发明实施例在不同温度工作状360°×(30°~100°),系统总长接近60mm、具有较高的温度稳定性。以下表5给出施例在三种工作状态下的具体关键性能参数。[0078]表5三种工作状态下本实施例中的关键性能参数工作状态常温工作状态高温工作状态工作F数系统总长(mm)[0079]对比例[0080]一种传统中波红外全景环带镜头，其视场范围、焦距、成像高度以及在-30℃~+70℃温度范围内的成像质量均与本发明实施例接近，其系统结构和光线追迹结果如图15所示，由物方到像方依次排列的全景头部单元PHU、非球面透镜L1和二元衍射透镜L2组成。[0081]与本发明实施例不同的是，对比例中采取了折反射混合形式的全景头部单元PHU来进行大视场范围的中红外光线的收集和光线入射角的压缩。虽然这种架构的光学系统相比于传统的无热化折射式光学系统能够显著减少透镜数量并减小畸变，但其全景头部单元价格较为昂贵，制造如此厚重的全景头部单元PHU会使得材料成本急剧增高。除此以外，这种类型的头部单元通常需要采用两片透镜胶合而成的方式制造并要准确在后表面镀环形反射膜，增加了鬼像干扰风险并对加工精度提出了严苛的要求。[0082]根据本发明实施例和对比例的结果，作出轻量化中波红外全景成像系统与传统中波红外全景环带镜头的对比，如表6所示。[0083]表6轻量化中波红外全景成像系统与传统中波红外全景环带镜头的性能对比光学系统轻量化中波红外全景成像系统传统中波红外全景环带镜头低高高低低高系统结构头重脚轻9[0085]本实施例的轻量化中波红外全景成像系统相较于其它大视场中波红外光学系统，℃~+70℃温度范围内实现近衍射极限成像。为指示或暗示相对重要性。[0087]本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。1/10页1/10页1100X-毫米10单元直径/nm4图45图5说明书附图4/10页面：像面点列图单位是μm,艾里半径：15.553μm.图例对应于波长缩放标尺：40.000参考:主光线□…30.00(度)-弧矢日-70.00(度)-子午□…衍射极限-弧矢日-30.00(度)-子午日一50.00(度)-子午…50.00(度)-弧矢…70.00(度)-弧矢日-89.00(度)-子午0毫米0百分比日-3.0000日-4.0000日-5.0000场曲最大视场是100.000度.弧矢场曲=0.0647毫米图例对应于波长最大视场是100.000度.CN120215087A说明书附图6/10页物面：30.00(度)物面：5点列图单位是μm.艾里半径：15.553μm.图例对应于波长:主光线0□…30.00(度)-弧矢日一50.00(度)-子午…50.00(度)-弧矢回-70.00(度)-子午…70.00(度)-弧矢口-89.00(度)-子午□…89.00(度)-弧矢□-100.00(度)-子午…100.00(度)-弧矢0百分比日-3.0000-子午的…3.0000-弧矢的日-4.0000-子4.0000-弧失的日-5.0000-场曲午的失的□-3.0000日-4.0000日-5.0000最大视场是100.000度.弧矢场曲=0.0648毫米子午场曲=0.0086毫米图例对应于波长最大视场是100.000度.0像面：-1.075mm点列图单位是μm.艾里半径：15.553μm.图例对应于波长