《雙模折反射式共探測器成像系統》是中國科學院長春光學精密機械與物理研究所於2013年7月2日申請的專利，該專利的公布號為CN103345051A，授權公布日為2013年10月9日，發明人是付強、張新、史廣維、王靈傑、張建萍。該發明屬於光學技術領域。
《雙模折反射式共探測器成像系統》該系統包括：主鏡、次鏡、中繼鏡組和焦平面探測器；所有部件皆為同光軸放置；其中，主鏡和次鏡為卡塞格林結構；主鏡有中心孔，次鏡放置在主鏡的前方，中繼鏡組和焦平面探測器放置在次鏡後方；次鏡為曼金鏡，其前表面反射中波紅外，透射長波紅外；後表面反射長波紅外；次鏡兩個反射面的設定使得中波紅外和長波紅外的光程相等，以使得中波紅外和長波紅外在不調焦的情況下成像在同一焦平面上。該系統可以實現雙波段工作，長焦距、大相對孔徑成像，結構緊湊，畸變小，傳遞函式達到或接近衍射極限，冷闌匹配達到100%。
2019年10月，《雙模折反射式共探測器成像系統》獲得第三屆吉林省專利獎優秀獎。
（概述圖為《雙模折反射式共探測器成像系統》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：雙模折反射式共探測器成像系統
- 申請人：中國科學院長春光學精密機械與物理研究所
- 申請日：2013年7月2日
- 申請號：2013102757168
- 公布號：CN103345051A
- 公布日：2013年10月9日
- 發明人：付強、張新、史廣維、王靈傑、張建萍
- 地址：吉林省長春市東南湖大路3888號
- Int.Cl.：G02B17/08(2006.01)I
- 代理機構：長春菁華專利商標代理事務所
- 代理人：張偉
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,有益效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
隨著新一代多波段紅外探測器技術的發展，多波段成像的使用變得越來越廣泛，為了成功套用新一代探測器，必須設計出能夠同時具備多波段成像能力的光學系統。
在紅外成像領域，套用最為廣泛的光譜波段為中波紅外（3微米～5微米）和長波紅外（8微米～12微米）。這兩個波段相比較擁有不同的優勢和局限。最好的方式是採用雙波段紅外探測器合併以上兩個波段，使它們優勢互補。
雙波段光學系統設計的主要問題是材料的色散特性在不同波段變化明顯，色差校正是雙波段光學系統設計面臨的主要難題。
全反射式光學系統結構形式一般為多波段光學系統設計的首選，其天生具備色差校正的優勢，且系統透過率高。雙波段紅外探測器一般為製冷式探測器，因此在探測器中存在冷闌，冷闌的存在使得全反射式光學系統必須進行二次成像以實現冷闌匹配，這就無法使用套用最為廣泛的兩反系統設計（兩反格里高利系統可以實現二次成像，但軸外系統的成像性能較差，無法套用）。但是，當需要緊湊的外形尺寸和大視場的情況時，全反射式光學系統的設計難度陡增。
發明內容
專利目的
為了解決2013年7月之前的技術中存在的問題，《雙模折反射式共探測器成像系統》提供了一種雙模折反射式共探測器成像系統，該系統可實現長焦距、大相對孔徑成像，結構緊湊，像質達到或接近衍射極限，冷闌匹配可達到100%。
技術方案
《雙模折反射式共探測器成像系統》其特徵在於，該系統包括：主鏡、次鏡、中繼鏡組和焦平面探測器；所有部件皆為同光軸放置；其中，主鏡和次鏡為卡塞格林結構；主鏡有中心孔，次鏡放置在主鏡的前方，中繼鏡組和焦平面探測器放置在次鏡後方；來自物方的光束經主鏡反射後入射到次鏡上，由次鏡反射聚焦，使得目標成像在第一像面上；再由中繼鏡組將第一像面上的目標轉像，通過焦平面探測器聚焦；次鏡前表面反射中波紅外，透射長波紅外；後表面反射長波紅外；長波紅外再次通過前表面回到光路中。
有益效果
《雙模折反射式共探測器成像系統》的有益效果是：折反射光學系統由於主次鏡可以分擔大部分光焦度，中繼鏡組的焦距一般很小且口徑不大，色差校正相對容易；同時，利用反射鏡摺疊光路，縮小了鏡頭的體積和減輕了質量，長度一般可以做到焦距的0.8倍以下。採用折反射式光學系統設計在雙波段紅外光學系統下可以實現長焦距、大相對孔徑成像，結構緊湊，畸變小，傳遞函式達到或接近衍射極限，冷闌匹配達到100%。
附圖說明
圖1《雙模折反射式共探測器成像系統》中的中波紅外光路示意圖。
圖2該發明雙模折反射式共探測器成像系統中的長波紅外光路示意圖。
圖3次鏡前後表面反射光線示意圖。
圖4是該發明在中波波段的MTF曲線。
圖5是該發明在長波波段的MTF曲線。
圖6是該發明在中波波段的畸變曲線及數據。
圖7是該發明在長波波段的畸變曲線及數據。
圖中：1、主鏡，2、次鏡，21、次鏡前表面，22、次鏡後表面，3、第一像面，4、中繼鏡組，41、第一折射透鏡，42、第二折射透鏡，43、第三折射透鏡，44、第四折射透鏡，5、焦平面探測器，51、紅外焦平面探測器視窗，52、焦平面探測器冷闌，53、探測器焦平面陣列，6、中波紅外和7、長波紅外。
權利要求
1.《雙模折反射式共探測器成像系統》其特徵在於，該系統包括：主鏡、次鏡、中繼鏡組和焦平面探測器；所有部件皆為同光軸放置；其中，主鏡和次鏡為卡塞格林結構；主鏡有中心孔，次鏡放置在主鏡的前方，中繼鏡組和焦平面探測器放置在次鏡後方；來自物方的光束經主鏡反射後入射到次鏡上，由次鏡反射聚焦，使得目標成像在第一像面上；再由中繼鏡組將第一像面上的目標轉像，通過焦平面探測器聚焦；次鏡前表面反射中波紅外，透射長波紅外；後表面反射長波紅外；長波紅外再次通過前表面回到光路中。
2.如權利要求1所述的雙模折反射式共探測器成像系統，其特徵在於，所述成像系統光譜透過範圍為3.7微米～4.8微米和8微米～10微米。
3.根據權利要求1所述的雙模折反射式共探測器成像系統，其特徵在於所述主鏡的反射面為凹非球面，次鏡的兩個表面均為凸非球面。
4.根據權利要求1所述的雙模折反射式共探測器成像系統，其特徵在於所述次鏡為曼金鏡，次鏡的厚度範圍為0.5毫米～1.5毫米。
5.根據權利要求1所述的雙模折反射式共探測器成像系統，其特徵在於所述次鏡的材料為鍺。
6.根據權利要求1所述的雙模折反射式共探測器成像系統，其特徵在於所述次鏡的前後表面皆鍍膜。
7.根據權利要求1所述的雙模折反射式共探測器成像系統，其特徵在於所述中繼鏡組由沿同一光軸順序放置的第一折射透鏡、第二折射透鏡、第三折射透鏡和第四折射透鏡組成。
8.根據權利要求7所述的雙模折反射式共探測器成像系統，其特徵在於所述第一折射透鏡基於Ge晶體材料，其前表面為球面，後表面為非球面；第二折射透鏡基於ZNS晶體材料，其前表面和後表面均為球面；第三折射透鏡基於BaF2晶體材料，其前表面和後表面均為球面；第四折射透鏡基於ZnSe晶體材料，其前表面為非球面，後表面為球面。
9.根據權利要求1所述的雙模折反射式共探測器成像系統，其特徵在於所述焦平面探測器包含視窗、冷闌和焦平面陣列，三部分從前之後依次放置； 視窗基於紅外透過材料，焦平面陣列為雙波段焦平面陣列或寬波段焦平面陣列。
10.根據權利要求9所述的雙模折反射式共探測器成像系統，其特徵在於所述視窗的材料為鍺。
實施方式
圖1和圖2給出了《雙模折反射式共探測器成像系統》的光路示意圖，圖1給出了成像系統對3.7微米～4.8微米中波紅外的光路示意，圖2中給出了成像系統對8微米～10微米長波紅外的光路示意。從物方到像方按順序由一個主鏡1、一個次鏡2、一個中繼鏡組4和一個焦平面探測器5組成。
成像系統採用兩鏡卡塞格林系統，採用兩個高次非球面。次鏡2為凸曼金鏡，其材料為鍺。所有光學元件布置在同一光軸上，主鏡1有中心孔，次鏡2放置在主鏡1的前方，中繼鏡組4和焦平面探測器5放置在次鏡2後方；來自物方的光束經主鏡1反射後入射到次鏡2上，由次鏡2反射聚焦，使得目標成像在第一像面3上；再由中繼鏡組4將第一像面3上的目標轉像，通過焦平面探測器5聚焦。主鏡1的反射面與次鏡2的反射面相對排布，第一折射透鏡41、第二折射透鏡42、第三折射透鏡43和第四折射透鏡44布置在第一像面3與探測器焦平面陣列53之間，探測器冷闌52處於焦平面探測器視窗51和探測器焦平面陣列53之間。
圖3給出了次鏡2前後表面反射光線的示意圖。次鏡2含有兩個分離的反射面，次鏡2的材料為鍺，在其前表面21鍍特殊膜層，反射中波紅外波段3.7微米～4.8微米，透過長波紅外8微米～10微米。次鏡2的後表面22鍍反射膜，以使長波紅外反射回光路中。通過次鏡2的結構，中波紅外6由前表面21反射；同時，長波輻射透過前表面21，經後表面22反射，再次透過前表面21回到光路中。
次鏡2的前表面21與後表面22擁有不同的曲率，但相差較小。前表面21與後表面22的不同曲率，使得成像系統對中波紅外6和長波紅外7擁有不同的折射特性，使得中波紅外6和長波紅外7能夠在同一焦平面上成像。
通過次鏡2鍺雙模反射鏡改變兩個波段的光程，使這兩個波段成像在同一焦平面上。次鏡2的前表面21和後表面22均為高次非球面。主鏡1和次鏡2均可採用單點金剛石車削完成加工。
由於次鏡2很薄，厚度的範圍為0.5毫米～1.5毫米，有必要給次鏡2安放支撐結構，以使其能夠承受振動和衝擊。支撐結構放置在次鏡2後表面22反射膜的背部，與後表面22擁有一樣的曲率和面型。對這種結構有兩個要求，即優良的熱匹配能力和足夠的機械強度。許多材料與鍺有相近的熱膨脹係數。鍺的熱膨脹係數為6.0×10/K。K9玻璃的熱膨脹係數為7.1×10/K，是很好匹配對象，且K9具有足夠的機械強度。玻璃材料與鍺元件膠合以增加次鏡2的結構強度。
中繼鏡組4由四片折射透鏡組成。第一折射透鏡41基於Ge晶體材料。第二折射透鏡42基於ZNS晶體材料。第三折射透鏡43基於BaF2晶體材料。第四折射透鏡44基於ZnSe晶體材料，上述四種材料在中波紅外和長波紅外都具有很好的透過率，第一折射透鏡41的後表面和第四折射透鏡44的前表面為非球面，其餘均為球面。
焦平面探測器5為製冷型探測器，包含視窗51、冷闌52和焦平面陣列53，視窗51基於紅外透過材料，例如鍺；焦平面陣列53為雙波段焦平面陣列或寬波段焦平面陣列；冷闌52放置在視窗51和焦平面陣列53之間，決定焦平面陣列53接收目標輻射的立體角，冷闌52作為光學系統的出瞳，物方與其共軛的入瞳儘量與主鏡重合，從而有效減少主鏡孔徑。所選焦平面探測器5的像元數為320×256，像元尺寸為24微米。
圖4和圖5分別給出了作為設計示例的成像系統在中波紅外3.7微米～4.8微米和長波紅外8微米～10微米的MTF曲線。從曲線中可以看出，成像系統在探測器特徵頻率21lp/毫米下，MTF曲線達到或接近衍射極限。
圖6和圖7分別給出了作為設計示例的成像系統在中波紅外6和長波紅外7的畸變曲線及數據，系統在兩個波段的全視場畸變小於2.83%。
榮譽表彰
2019年10月，《雙模折反射式共探測器成像系統》獲得第三屆吉林省專利獎優秀獎。
