专利名称：一种新型红外焦平面阵列成像光学系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种非制冷红外焦平面阵列成像系统的读出光路系统，尤其是利用一种结合棱镜和非球面的异型棱镜结构，整合光学系统中光学零件的功能，优化读出光路结构，使系统性能得到进一步提升，而体积、重量都大大减小。
背景技术：
基于MOEMS技术的光读出式微悬臂梁焦平面阵列(Focal Plane Array, FPA)热成像系统，是实现红外光——热机械变形——照射可见光的反射光强变化——还原图像的过程。理论上来讲，光读出红外焦平面阵列成像系统的NETD可以远远优于电读出红外焦平面阵列成像系统，但是就目前国内外技术资料来看，光读出红外焦平面阵列成像系统远远未达到预期的成像效果。研究光读出FPA红外成像系统光路的成像原理可以看出，影响系统灵敏度、稳定性、可靠性、体积与重量的因素很多，其原因有两个方面一方面是系统整体设计水平，另一方面是工艺、器件性能的制约。深入研究红外焦平面阵列成像系统读出光路特性，进一步优化读出光路、提高读出光路得性能，是红外焦平面阵列成像系统的重要研究方向。自1996年，Oak Ridge National Lab的Thomas Thundat等人用实验验证了双材料微悬臂梁用于红外探测器的可行性以来，世界各国的研究机构陆续发表了关于光读出红外焦平面阵列成像系统的研究成果，许多实验室可以获得较清晰的人体的热图像。一般的红外焦平面阵列成像系统光学读出系统如图I所示，其主要由光源I、照明镜头组2、分光棱镜3、红外焦平面阵列器件4、傅立叶变换镜头组5、滤波器6、成像镜头7组成。这样的系统光学零件数量较多，必然会使系统体积、重量都比较大，并且系统加工、装配的难度也相对较大。针对上述问题，本文提出一种新型红外焦平面阵列成像光学系统，该系统将照明镜头组、分光棱镜、傅立叶镜头组整合为一个异型棱镜，减少了系统中光学零件的数目，从而使系统的体积、重量、加工装调难度大大降低，同时，利用非球面技术，也使系统的性能得到了进一步提升。

发明内容
本发明的目的是针对非制冷红外焦平面阵列成像系统光学系统结构复杂，零件数量多、体积大、重量大，不利于工程应用推广的问题，提供一种优化整合以后的非制冷红外焦平面阵列成像系统光学读出系统。该系统通过利用一种结合棱镜和非球面的异型棱镜结构，整合光学系统中光学零件的功能，优化读出光路结构，使系统性能得到进一步提升，而体积、重量都大大减小。本发明的目的是由以下技术方案来实现①本发明的新型红外焦平面阵列成像系统读出光路，包含光源、异型棱镜、滤波器、成像镜头。②该系统的成像过程是从光源I发出的发散光，进入到异型棱镜2，被异型棱镜2 的表面a会聚后,被异型棱镜2的胶合面e分成两束,一束经过异型棱镜2的表面b准直射出，平行照亮非制红外焦平面阵列3，另一束经异型棱镜2的表面c射出光学读出系统；平行照亮非制冷红外焦平面阵列3的光束被带有红外图像信息的非制冷红外焦平面阵列3反射后，再次经过异型棱镜2的表面b并被会聚，会聚光穿过异型棱镜2的胶合面e后，经异型棱镜2的表面d会聚出射，聚焦于滤波器4 ;经过滤波以后的光被透镜5聚焦成像于像面 6。③该系统的特点是照明和傅立叶变换由一个异型棱镜2独立完成，大大减少了光学元件的数量，从而使系统体积、重量都大大降低；并且自照明至滤波的光路，结构完全对称，自焦平面阵列3至像面的光路，也属于对称结构，结合非球面的运用，对系统像差进行进一步修正，可以使系统性能得到进一步提升。有益效果采用本发明可以实现对红外焦平面阵列成像系统光学读出系统的优化整合，采用的棱镜和非球面相结合的异型棱镜结构，整合了光学系统中光学零件的功能，优化了读出光路结构。较之早前的非制冷红外焦平面成像系统读出光路，在同等条件下，其成像性能可以有进一步提高，并且体积、重量大大降低。


图I是一般的非制冷红外焦平面成像光学系统示意图；其中，附图标记说明如下图中I.光源；2.准直镜组；3.分光棱镜；4.红外焦平面阵列；5.傅立叶镜头组；6.滤波器；7.成像镜头组；8.像面。图2是本发明的新型红外焦平面阵列成像系统读出光路示意图；其中，附图标记说明如下图中I.光源；2.异型棱镜；3.红外焦平面阵列；4.滤波器；5.成像镜头；6.像面。
具体实施例方式下面将详细描述本发明的具体实施例。I.系统组成本发明的新型红外焦平面阵列成像系统读出光路光学系统由光源、异型棱镜、红外焦平面阵列、滤波器、成像镜头组成，具体如图2所示。2.成像过程本发明的新型红外焦平面阵列成像系统读出光路光学系统，其成像过程如图2所示从光源I发出的发散光，经异型棱镜2的表面a会聚后，被异型棱镜2的胶合面e 分成两束，一束经过异型棱镜2的表面b准直射出，平行照亮非制红外焦平面阵列3，另一束经异型棱镜2的表面c射出光学读出系统；平行照亮非制冷红外焦平面阵列3的光束，被带有红外图像信息的非制冷红外焦平面阵列3反射后，再次经过异型棱镜2的表面b并被会聚，会聚光穿过异型棱镜2的胶合面e后，经异型棱镜2的表面d会聚出射，聚焦于滤波器
4;经过滤波以后的光被透镜5聚焦成像于像面6。3.系统特点一般的非制冷红外焦平面成像光学系统，如图I所示，照明光路2、分光棱镜3、傅立叶镜头组相互独立，零件数目繁多，占用了较大空间，重量也比较大。本设计提出一种新型非制冷红外焦平面成像光学系统，该系统中，照明、分光和傅立叶变换由一个异型棱镜2 独立完成，大大减少了光学元件的数量，从而使系统体积、重量都大大降低。本系统中，自照明光源I至滤波器4的光路，结构完全对称，自焦平面阵列3至像面6的光路，也属于对称结构，这样的结构，使得各部分的轴向像差得到抵消，并且结合非球面的运用，对系统剩余像差进行进一步修正，可以使系统性能得到进一步提升。
权利要求
1.一种新型红外焦平面阵列成像光学系统，包括红外镜头、光源、工作面为凸面的双胶合直角棱镜、红外焦平面阵列、滤波器、成像镜头，其特征在于从光源发出的发散光，经过工作面为凸面的双胶合直角棱镜，平行照亮红外焦平面阵列器件，光束被带有红外图像信息的焦平面阵列器件反射后，再次经过工作面为凸面的双胶合直角棱镜，聚焦在的滤波器上， 滤波以后的光束被成像在光电接收器表面。
2.根据权利要求I所述的新型红外焦平面阵列成像光学系统，其特征在于工作面为凸面的双胶合直角棱镜集聚光、分光、傅立叶变换为一体，光束两次经过该工作面为凸面的双胶合直角棱镜，多次发生折射、反射。
3.根据权利要求2所述的工作面为凸面的双胶合直角棱镜，其特征在于该工作面为凸面的双胶合直角棱镜的入射面、出射面都是非球面设计，并且对红外焦平面阵列形成对称结构形式，该形式有利于系统的像差修正。
全文摘要
本发明提供一种新型红外焦平面阵列成像光学系统，包含光源1、异型棱镜2、红外焦平面阵列3、滤波器4、成像镜头5，其成像特点是从1发出的发散光，进入到2，经2的表面a会聚后，被2的胶合面e分成两束，一束经过2的表面b准直射出，平行照亮3，另一束经2的表面c射出光学读出系统；平行照亮3的光束被带有红外图像信息的3反射后，再次经过2的表面b并被会聚，会聚光穿过2的表面e后，经2的表面d会聚出射，聚焦于4；经过4滤波以后的光被5聚焦成像于像面6。
文档编号G01J5/08GK102589709SQ20121000668
公开日2012年7月18日 申请日期2012年1月10日 优先权日2012年1月10日
发明者于晓梅, 刘小华, 惠梅, 武红, 董立泉, 褚旭红, 赵跃进, 龚诚 申请人:北京理工大学