專利名稱：一種新型紅外焦平面陣列成像光學系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種非制冷紅外焦平面陣列成像系統的讀出光路系統，尤其是利用一種結合棱鏡和非球面的異型棱鏡結構，整合光學系統中光學零件的功能，優化讀出光路結構，使系統性能得到進一步提升，而體積、重量都大大減小。
背景技術：
基于MOEMS技術的光讀出式微懸臂梁焦平面陣列(Focal Plane Array, FPA)熱成像系統，是實現紅外光——熱機械變形——照射可見光的反射光強變化——還原圖像的過程。理論上來講，光讀出紅外焦平面陣列成像系統的NETD可以遠遠優于電讀出紅外焦平面陣列成像系統，但是就目前國內外技術資料來看，光讀出紅外焦平面陣列成像系統遠遠未達到預期的成像效果。研究光讀出FPA紅外成像系統光路的成像原理可以看出，影響系統靈敏度、穩定性、可靠性、體積與重量的因素很多，其原因有兩個方面一方面是系統整體設計水平，另一方面是工藝、器件性能的制約。深入研究紅外焦平面陣列成像系統讀出光路特性，進一步優化讀出光路、提高讀出光路得性能，是紅外焦平面陣列成像系統的重要研究方向。自1996年，Oak Ridge National Lab的Thomas Thundat等人用實驗驗證了雙材料微懸臂梁用于紅外探測器的可行性以來，世界各國的研究機構陸續發表了關于光讀出紅外焦平面陣列成像系統的研究成果，許多實驗室可以獲得較清晰的人體的熱圖像。一般的紅外焦平面陣列成像系統光學讀出系統如圖I所示，其主要由光源I、照明鏡頭組2、分光棱鏡3、紅外焦平面陣列器件4、傅立葉變換鏡頭組5、濾波器6、成像鏡頭7組成。這樣的系統光學零件數量較多，必然會使系統體積、重量都比較大，并且系統加工、裝配的難度也相對較大。針對上述問題，本文提出一種新型紅外焦平面陣列成像光學系統，該系統將照明鏡頭組、分光棱鏡、傅立葉鏡頭組整合為一個異型棱鏡，減少了系統中光學零件的數目，從而使系統的體積、重量、加工裝調難度大大降低，同時，利用非球面技術，也使系統的性能得到了進一步提升。

發明內容
本發明的目的是針對非制冷紅外焦平面陣列成像系統光學系統結構復雜，零件數量多、體積大、重量大，不利于工程應用推廣的問題，提供一種優化整合以后的非制冷紅外焦平面陣列成像系統光學讀出系統。該系統通過利用一種結合棱鏡和非球面的異型棱鏡結構，整合光學系統中光學零件的功能，優化讀出光路結構，使系統性能得到進一步提升，而體積、重量都大大減小。本發明的目的是由以下技術方案來實現①本發明的新型紅外焦平面陣列成像系統讀出光路，包含光源、異型棱鏡、濾波器、成像鏡頭。②該系統的成像過程是從光源I發出的發散光，進入到異型棱鏡2，被異型棱鏡2 的表面a會聚后,被異型棱鏡2的膠合面e分成兩束,一束經過異型棱鏡2的表面b準直射出，平行照亮非制紅外焦平面陣列3，另一束經異型棱鏡2的表面c射出光學讀出系統；平行照亮非制冷紅外焦平面陣列3的光束被帶有紅外圖像信息的非制冷紅外焦平面陣列3反射后，再次經過異型棱鏡2的表面b并被會聚，會聚光穿過異型棱鏡2的膠合面e后，經異型棱鏡2的表面d會聚出射，聚焦于濾波器4 ;經過濾波以后的光被透鏡5聚焦成像于像面 6。③該系統的特點是照明和傅立葉變換由一個異型棱鏡2獨立完成，大大減少了光學元件的數量，從而使系統體積、重量都大大降低；并且自照明至濾波的光路，結構完全對稱，自焦平面陣列3至像面的光路，也屬于對稱結構，結合非球面的運用，對系統像差進行進一步修正，可以使系統性能得到進一步提升。有益效果采用本發明可以實現對紅外焦平面陣列成像系統光學讀出系統的優化整合，采用的棱鏡和非球面相結合的異型棱鏡結構，整合了光學系統中光學零件的功能，優化了讀出光路結構。較之早前的非制冷紅外焦平面成像系統讀出光路，在同等條件下，其成像性能可以有進一步提高，并且體積、重量大大降低。


圖I是一般的非制冷紅外焦平面成像光學系統示意圖；其中，附圖標記說明如下圖中I.光源；2.準直鏡組；3.分光棱鏡；4.紅外焦平面陣列；5.傅立葉鏡頭組；6.濾波器；7.成像鏡頭組；8.像面。圖2是本發明的新型紅外焦平面陣列成像系統讀出光路示意圖；其中，附圖標記說明如下圖中I.光源；2.異型棱鏡；3.紅外焦平面陣列；4.濾波器；5.成像鏡頭；6.像面。
具體實施例方式下面將詳細描述本發明的具體實施例。I.系統組成本發明的新型紅外焦平面陣列成像系統讀出光路光學系統由光源、異型棱鏡、紅外焦平面陣列、濾波器、成像鏡頭組成，具體如圖2所示。2.成像過程本發明的新型紅外焦平面陣列成像系統讀出光路光學系統，其成像過程如圖2所示從光源I發出的發散光，經異型棱鏡2的表面a會聚后，被異型棱鏡2的膠合面e 分成兩束，一束經過異型棱鏡2的表面b準直射出，平行照亮非制紅外焦平面陣列3，另一束經異型棱鏡2的表面c射出光學讀出系統；平行照亮非制冷紅外焦平面陣列3的光束，被帶有紅外圖像信息的非制冷紅外焦平面陣列3反射后，再次經過異型棱鏡2的表面b并被會聚，會聚光穿過異型棱鏡2的膠合面e后，經異型棱鏡2的表面d會聚出射，聚焦于濾波器
4;經過濾波以后的光被透鏡5聚焦成像于像面6。3.系統特點一般的非制冷紅外焦平面成像光學系統，如圖I所示，照明光路2、分光棱鏡3、傅立葉鏡頭組相互獨立，零件數目繁多，占用了較大空間，重量也比較大。本設計提出一種新型非制冷紅外焦平面成像光學系統，該系統中，照明、分光和傅立葉變換由一個異型棱鏡2 獨立完成，大大減少了光學元件的數量，從而使系統體積、重量都大大降低。本系統中，自照明光源I至濾波器4的光路，結構完全對稱，自焦平面陣列3至像面6的光路，也屬于對稱結構，這樣的結構，使得各部分的軸向像差得到抵消，并且結合非球面的運用，對系統剩余像差進行進一步修正，可以使系統性能得到進一步提升。
權利要求
1.一種新型紅外焦平面陣列成像光學系統，包括紅外鏡頭、光源、工作面為凸面的雙膠合直角棱鏡、紅外焦平面陣列、濾波器、成像鏡頭，其特征在于從光源發出的發散光，經過工作面為凸面的雙膠合直角棱鏡，平行照亮紅外焦平面陣列器件，光束被帶有紅外圖像信息的焦平面陣列器件反射后，再次經過工作面為凸面的雙膠合直角棱鏡，聚焦在的濾波器上， 濾波以后的光束被成像在光電接收器表面。
2.根據權利要求I所述的新型紅外焦平面陣列成像光學系統，其特征在于工作面為凸面的雙膠合直角棱鏡集聚光、分光、傅立葉變換為一體，光束兩次經過該工作面為凸面的雙膠合直角棱鏡，多次發生折射、反射。
3.根據權利要求2所述的工作面為凸面的雙膠合直角棱鏡，其特征在于該工作面為凸面的雙膠合直角棱鏡的入射面、出射面都是非球面設計，并且對紅外焦平面陣列形成對稱結構形式，該形式有利于系統的像差修正。
全文摘要
本發明提供一種新型紅外焦平面陣列成像光學系統，包含光源1、異型棱鏡2、紅外焦平面陣列3、濾波器4、成像鏡頭5，其成像特點是從1發出的發散光，進入到2，經2的表面a會聚后，被2的膠合面e分成兩束，一束經過2的表面b準直射出，平行照亮3，另一束經2的表面c射出光學讀出系統；平行照亮3的光束被帶有紅外圖像信息的3反射后，再次經過2的表面b并被會聚，會聚光穿過2的表面e后，經2的表面d會聚出射，聚焦于4；經過4濾波以后的光被5聚焦成像于像面6。
文檔編號G01J5/08GK102589709SQ20121000668
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月10日 優先權日2012年1月10日
發明者于曉梅, 劉小華, 惠梅, 武紅, 董立泉, 褚旭紅, 趙躍進, 龔誠 申請人:北京理工大學