CN102540436A - 光学补偿无热化长波红外光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学补偿无热化长波红外光学系统，该系统包括主镜、次镜和中继镜；所述主镜为曼金镜，折射面的光焦度为负值，反射面为凹面，次镜为平面镜；物方目标经过主镜的折射面透射到到主镜的反射面上，并再次通过主镜的折射面，而后经次镜折转反射后，依次经过中继镜和探测器窗口照射到制冷式红外探测器像面上。本发明主镜由于采用曼金镜，可以使得光学系统视场大，结构紧凑。

Description

光学补偿无热化长波红外光学系统

技术领域

本发明属于红外光电成像技术领域，涉及一种光学补偿无热化长波红外光学系统。

背景技术

红外光学系统应用越来越广泛，工作环境越来越复杂，对红外光学系统的成像质量要求越来越高，设计能够工作在恶劣环境条件下的高性能红外光学系统成为必然。环境温度变化将引起材料折射率的变化、系统焦距改变、像面位移(离焦)、成像质量恶化等。这种光学系统的热不稳定性尤以红外光学系统为甚，这主要是由于红外光学材料的热稳定性较差，多数红外光学材料的折射率随温度变化明显。因此，在设计红外光学系统的过程中，必须采用一定的补偿技术以消除温度效应的影响，使红外光学系统能够在一个较大的环境温度范围内保持良好的成像质量。

传统的无热化设计方法可分为三类：(1)机械被动式；(2)机电主动式；(3)光学被动式。其中光学被动补偿方式由于结构相对简单、尺寸小重量轻、系统可靠性高等特点，受到了极大的重视。

折反射光学系统由于主次镜分担大部分光焦度，有利于系统无热化设计；利用反射镜折叠光路，缩小了镜头的体积和减轻了质量，长度可以做到比焦距短。综上所述，在红外光学系统要求轻质紧凑的场合，一般采用折反射式光学系统设计形式。

美国专利US4,431,917(公开日19840214)公开了一种“紧凑高冷阑效率光学系统”，该系统采用折反射式光学结构，由主反射镜、次镜和中继镜构成，其中主反射镜和次镜都采用反射镜。由于光学系统的主反射镜、次镜都采用反射镜，因而其焦距短，视场小，体积大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种可实现视场大，结构紧凑的光学被动补偿无热化长波红外光学系统。

为了解决上述技术问题，本发明的光学补偿无热化长波红外光学系统包括主镜、次镜和中继镜；所述主镜为曼金镜，折射面的光焦度为负值，反射面为凹面，次镜为平面镜；物方目标经过主镜的折射面透射到到主镜的反射面上，并再次通过主镜的折射面，而后经次镜折转反射后，依次经过中继镜和探测器窗口照射到制冷式红外探测器像面上。

本发明主镜由于采用曼金镜，可以使得光学系统视场大，结构紧凑。

所述主镜的折射面为球面，反射面为标准二次曲面或高次非球面。

所述中继镜由沿主光轴顺序放置的第一透镜、第二透镜和第三透镜构成。

所述第一透镜的前表面和后表面均为高次非球面；第二透镜的前表面和后表面、第三透镜的前表面和后表面均为球面。

所述主镜采用红外晶体材料锗(Ge)。

所述第一透镜、第二透镜和第三透镜采用红外晶体材料锗(Ge)。

本发明主镜采用曼金镜，一个光学元件同时实现折射和反射两种光学特性，通过对主镜折射特性的利用，及主镜、中继透镜组和镜体支撑材料温度特性的匹配，最终可实现系统的热差消除，在航空、航天对地热红外侦察、遥感、探测等领域具备较大的工作温度范围和环境适应能力，并能获得高质量热红外图像，可广泛应用于民用领域。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明的光学补偿无热化长波红外光学系统的结构示意图。

图2是本发明采用的坐标系示意图。

具体实施方式

本发明采用折反射式光学系统形式，主镜1采用曼金镜，其材料选用红外晶体材料锗(Ge)，一个光学元件同时实现折射和反射两种光学特性。通过对主镜1折射特性的利用，及镜体与支撑结构材料温度特性的匹配，最终可实现系统的热差消除。

如图1所示，本发明的光学补偿无热化长波红外光学系统由主镜1，次镜2，中继镜3构成。主镜1、次镜2、中继镜3、探测器窗口7、冷阑8、制冷式红外探测器像面9沿主光轴顺序排列。

本发明的光学系统按xyz右手空间坐标系有序排列，z轴方向定为光轴方向，y轴在图1所示的平面内，x轴垂直于yz平面，yz坐标平面为光学系统的子午面，见图2。物方光束经过主镜1，光线发生折射和反射，再经过次镜2、中继镜3及探测器窗口7、冷阑8成像在制冷式红外探测器像面上9。

所述主镜1是一块折反射式非球面镜，其折射面11为球面，反射面12均为标准的二次曲面或高次非球面；次镜2是一块平面反射镜。

中继镜3由第一透镜4、第二透镜5和第三透镜6构成；第一透镜4其前表面41和后表面42均为高次非球面；第二透镜5其前表面51和后表面52均为球面；第三透镜6其前表面61和后表面62均为球面。

光学系统所有光学元件布置在一根光轴上，主镜1的折射面11与次镜2的反射面相对排布，第一透镜4、第二透镜5和第三透镜6布置在一次像面与探测器窗口7之间，探测器窗口7、冷阑8和探测器像面9的布置满足制冷式长波红外探测器的设计要求；主镜1和次镜2构成前组光学系统，第一透镜4、第二透镜5和第三透镜6构成中继光学系统；所有光学元件的中心都在yz平面上(x坐标均为零)。系统出瞳与冷阑8的实现100％冷阑匹配。主镜1、第一透镜4、第二透镜5和第三透镜6的材料均为晶体Ge，镜筒材料为金属铝。

光焦度分配要求： $\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{h}_i{\mathrm{\φ}}_i=\mathrm{\φ}$

消轴向色差要求： $\mathrm{\Δ}{f}_b^T=\left(\frac{1}{h_1\mathrm{\φ}}\right)\mathrm{\Σ}\left(h_i^2{w}_i{\mathrm{\φ}}_i\right)=0$

系统消热差公式： $d{f}_b^T/\mathrm{dt}={\left(\frac{1}{h_1\mathrm{\φ}}\right)}^2\mathrm{\Σ}\left(h_i^2{\mathrm{\χ}}_i{\mathrm{\φ}}_i\right)={\mathrm{\α}}_{h}L$

式中，h_i为第一近轴光线在各透镜组的高度，h₁为第一近轴光线在透镜组第一片透镜上的高度，φ_i为各个透镜组的光焦度，φ为系统的总光焦度，Δf_b为焦距变化量，ω_i为每个光学元件的色散因子，χ_i为光热膨胀系数，α_h为机械结构材料的线膨胀系数，L为机械结构件的长度。

工作原理说明：为了使物方目标能在较大的工作温度范围内清晰成像在探测器像面9上，本发明采用了光学被动补偿技术进行系统热差消除，主镜1为蛮金镜，折射面11为负光焦度，次镜2为平面镜，起到光路折转作用，无穷远的目标经过主镜1的折射面11照射到主镜1的反射面12上，并再次通过主镜1的折射面11，而后照射到次镜2上，经过光路折转后依次经过第一透镜4、第二透镜5和第三透镜6，最后经过探测器窗口7、冷阑8后照射到制冷式红外探测器像面9上，光电转换后形成数字图像。

本发明通过合理分配各光学元件的光焦度，并采用标准二次曲面或高次非球面，在完成单色像差和色差平衡的同时，与结构材料相匹配完成系统热差消除。系统优化自由度包括：4个间隔、4个厚度、6个曲率半径和6个非球面系数。

各光学元件的曲率半径、非球面系数、各光学表面之间沿光轴方向的距离(包括各光学元件的厚度及各光学元件之间在主光轴上的空气隙厚度)如表1所示。表1中第5列的数据由上至下依次为主光轴上主镜1的厚度、主镜反射面12到次镜2反射面之间的距离、次镜2反射面到第一透镜4前表面41之间的距离、第一透镜4的厚度、......第三透镜6后表面62到探测器像面9的距离。

表1

积极效果：本发明可在较宽的工作温度范围内实现无热化成像，像质无退化。系统布局紧凑，且无多余调焦机构，为光电系统的小型化提供可能。各反射镜之间间距设计合理，可以很好的抑制杂光。采用二次成像形式，可与制冷式红外探测器进行冷阑匹配，匹配效率达到100％。且系统成像畸变小于1％。

本发明专为制冷式红外探测器设计，成像谱段涵盖8μm～12μm，系统F/#为2，系统视场为3°×3°，光学系统总重小于250g。因此，系统特别适合用于工作温度范围宽、体积重量要求严的应用平台。应用领域涵盖航空和航天遥感探测系统。

本发明按图2所示的结构实施，主镜及透镜采用红外晶体材料、次镜采用铝材料，结构材料为金属铝。

Claims (6)

1.一种光学补偿无热化长波红外光学系统，包括主镜(1)、次镜(2)和中继镜(3)；其特征在于所述主镜(1)为曼金镜，折射面(11)的光焦度为负值，反射面(12)为凹面，次镜(2)为平面镜；物方目标经过主镜(1)的折射面(11)透射到到主镜(1)的反射面(12)上，并再次通过主镜(1)的折射面(11)，而后经次镜(2)折转反射后，依次经过中继镜(3)和探测器窗口(7)照射到制冷式红外探测器像面(9)上。

2.根据权利要求1所述的光学补偿无热化长波红外光学系统，其特征在于所述主镜(1)的折射面(11)为球面，反射面(12)为标准二次曲面或高次非球面。

3.根据权利要求1或2所述的光学补偿无热化长波红外光学系统，其特征在于所述中继镜(3)由沿主光轴顺序放置的第一透镜(4)、第二透镜(5)和第三透镜(6)构成。

4.根据权利要求3所述的光学补偿无热化长波红外光学系统，其特征在于所述第一透镜(4)的前表面(41)和后表面(42)均为高次非球面；第二透镜(5)的前表面(51)和后表面(52)、第三透镜(6)的前表面(61)和后表面(62)均为球面。

5.根据权利要求3所述的光学补偿无热化长波红外光学系统，其特征在于所述主镜(1)、第一透镜(4)、第二透镜(5)和第三透镜(6)采用红外晶体材料锗。

6.根据权利要求3所述的光学补偿无热化长波红外光学系统，其特征在于各光学元件的曲率半径、非球面系数、各光学表面之间沿光轴方向的距离如表1所示：

表1

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