CN102778747A - 光机结合被动消热差的长焦距长波红外物镜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光机结合被动消热差的长焦距长波红外物镜，该物镜包括正透镜，镜筒，负透镜和探测器像面；所述正透镜和负透镜安装固定在镜筒内，正透镜在前，负透镜在后，构成远距式物镜；正透镜是正弯月透镜，凸面朝向物方向，材料是硫系玻璃，牌号为IG6；负透镜为负弯月透镜，凹面朝向探测器像面的方向，材料是长波红外光学材料；正透镜的凸面或凹面中至少有一个为旋转对称非球面，正透镜的凸面或凹面中至少有一个为旋转对称衍射面；负透镜的凸面或凹面中至少有一个为旋转对称非球面；镜筒的材料是铟钢。本发明仅使用两片透镜实现了长焦距长波红外物镜的消热差设计，减少了光学元件的数量，降低了物镜的重量，提高了透过率。

Description

光机结合被动消热差的长焦距长波红外物镜

技术领域

本发明涉及一种被动消热差的长波红外物镜，特别涉及一种用于远距离探测、识别目标的光机结合被动消热差的长焦距长波红外物镜，属于光学技术领域。

背景技术

红外光学成像系统要求在大的温度变化范围内正常工作。温度变化引起光学元件的折射率、曲率、厚度发生变化；也引起机械元件膨胀或收缩，导致光学元件间隔发生变化。上述现象引起光学像面与探测器像面分离，导致像质下降，称为系统热差。尤其在长焦距红外物镜中，热差对像质的影响特别严重。系统热差可以通过主动调节光学元件或探测器像面补偿，但在很多航空、航天仪器中，成像系统不允许有活动元件，所以必须采取被动式消热差。

被动式消热差主要有机械被动式、光学被动式和光机结合被动式三种。机械被动式消热差，一般需要采用多层镜筒结构，优点是光学设计简单，缺点是系统体积重量大、可靠性低；光学被动式消热差优点是可靠性高，缺点是光学元件数量增多，导致重量大、成本高、透过率低；光机结合被动式消热差是由光学设计消除大部分的系统热差，再由简单的机械结构补偿剩余的热差，它可以兼有光学被动式和机械被动式的优点，缺点是系统设计难度大，往往导致镜片数量较多、重量较大和透过率较低。

《红外与激光工程》期刊第40卷第1期报道了“折/衍混合红外物镜超宽温度消热差设计”，物镜由单晶锗的负透镜、硒化锌的正透镜、铟钢的镜筒、单晶锗的正透镜和探测器像面组成，消热差方法为光机结合被动式。其中，单晶锗的负透镜的凸面为旋转对称非球面，凹面为球面；硒化锌的正透镜的凸面为球面旋转对称衍射面，凹面为球面；单晶锗的正透镜的凸面为旋转对称非球面，凹面为球面。物镜焦距为100mm，相对孔径为1/1.5，光学长度128mm。该物镜缺点是使用了三片透镜，其中前两片透镜都在物镜最前端，系统重量大，重心靠前，并且三片透镜使系统的透过率较低。

目前报道的一种使用两片光学元件实现长波红外被动消热差设计的是《光学技术》期刊第33卷第8期的一篇文章，题为“折／衍混合车载红外镜头无热化设计”，消热差方法为光学被动式，其焦距为19mm。但是由于该镜头的铝镜筒为高膨胀率材料，该方法用于焦距大于40mm物镜时，镜筒膨胀带来的机械热差不能被光学热差充分补偿，其消热差能力将显著降低，所以该方法不适用于长焦距长波红外物镜的消热差设计。

目前尚未见到仅使用两片光学元件的被动消热差长焦距长波红外物镜。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种光机结合被动消热差的长焦距长波红外物镜，该物镜仅使用两片透镜，重量小、透过率高。

为了解决上述技术问题，本发明的光机结合被动消热差的长焦距长波红外物镜包括正透镜，镜筒，负透镜和探测器像面；所述正透镜和负透镜安装固定在镜筒内，正透镜在前，负透镜在后，构成远距式物镜；正透镜是正弯月透镜，凸面朝向物方向，材料是硫系玻璃，牌号为IG6；负透镜为负弯月透镜，凹面朝向探测器像面的方向，材料是长波红外光学材料；正透镜的凸面或凹面中至少有一个为旋转对称非球面，正透镜的凸面或凹面中至少有一个为旋转对称衍射面；负透镜的凸面或凹面中至少有一个为旋转对称非球面。

所述镜筒的材料是铟钢。

本发明中正透镜使用了硫系玻璃，牌号为IG6，该材料在10μm波段的折射率为2.7775，折射率温度系数为41×10^-6/K，热膨胀系数为20.7×10^-6/K，由以上参数计算得到IG6透镜的归一化光焦度系数为2.3661×10^-6/K，此参数远小于其他常用长波红外光学材料,例如,单晶锗透镜的归一化光焦度系数为126.1681×10^-6/K,硒化锌透镜的归一化光焦度系数为36.2855×10^-6/K。所以IG6正透镜产生的热差能够用衍射面的热差和后组负透镜的热差来补偿。并且该材料单件生产可以采用单点金刚石车削加工，大批量生产可以采用模压成形，能够大幅度提高生产效率和降低成本；本发明仅使用两片透镜实现了长焦距长波红外物镜的消热差设计，减少了光学元件的数量，降低了物镜的重量，提高了透过率。

所述负透镜材料选用单晶锗。

其中，正透镜和负透镜提供物镜的光焦度；正透镜除衍射面外的部分提供正热差，正透镜的衍射面提供负热差，负透镜提供负热差，通过合理分配各部分的光焦度实现光学消热差；镜筒利用接近零的热膨胀系数实现机械消热差；正透镜利用折射与衍射的相反色散性质消去大部分色差，剩余色差用来平衡负透镜的色差。正透镜的旋转对称非球面主要用于校正球差，负透镜的旋转对称非球面主要用于校正彗差和像散。正透镜和负透镜分离较远，构成远距式物镜，有利于校正匹兹凡场曲，能够增大视场。所以本发明的光机结合被动消热差的长焦距长波红外物镜可以具有较大相对孔径和较大视场，并且成像质量高，在-40℃～＋60℃的温度范围内，全视场的调制传递函数（MTF）在30lp/mm处都接近衍射极限，适用于远距离目标的探测和识别，适用于像元间距17μm的高分辨率的非制冷长波红外探测器。

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是本发明的光机结合被动消热差的长焦距长波红外物镜结构示意图。

图2是本发明的光机结合被动消热差的长焦距长波红外物镜的光线追迹图。

图3是本发明实施例1在20℃下MTF曲线。

图4是本发明实施例1在-40℃下MTF曲线。

图5是本发明实施例1在60℃下MTF曲线。

具体实施方式

如图1所示。本发明的光机结合被动消热差的长焦距长波红外物镜包括正透镜1、镜筒2、负透镜3和探测器像面4。

正透镜1的材料是硫系玻璃，玻璃牌号为IG6；负透镜3可以选用任何长波红外光学材料，其中以单晶锗为最佳选择；镜筒2的材料是铟钢。

正透镜1和负透镜3安装固定在镜筒2内，正透镜1为正弯月透镜，凸面朝向物方向；负透镜3为负弯月透镜，凹面朝向像方向。正透镜1在前，负透镜3在后，构成远距式物镜。

正透镜1的凸面或凹面中至少有一个为旋转对称非球面，正透镜1的凸面或凹面中至少有一个为旋转对称衍射面，旋转对称非球面与旋转对称衍射面可以同一个面上，也可以分别在两个面上；当旋转对称非球面和旋转对称衍射面在同一个面上时，正透镜1的另一面可以为球面或非球面；当旋转对称非球面和旋转对称衍射面分别在两个面上时，旋转对称衍射面可以是球面衍射面也可以是非球面衍射面；负透镜3的凸面或凹面中至少有一个为旋转对称非球面。当负透镜3有一个旋转对称非球面时，另一个面可以是球面。

实施例1

正透镜1为正弯月透镜，凸面朝向物方向，凹面选为旋转对称非球面和衍射面，凸面为球面，其光焦度为0.0088；负透镜3为负弯月透镜，凹面朝向像方向，凹面选为旋转对称非球面，凸面为球面，其光焦度为-0.0073。正透镜1在前，负透镜3在后，构成远距式物镜，正透镜1负透镜3的间距为89mm，物镜的光学长度为118mm。

实施例1中，光线追迹图如图2所示，常温20℃下MTF曲线如图3所示，-40℃下MTF曲线如图4所示，60℃下MTF曲线如图5所示。可以看出，在全视场下MTF曲线都接近衍射极限，说明成像质量高且基本不受温度变化影响。

实施例1的光机结合被动消热差的长焦距长波红外物镜的系统参数为：焦距120mm，相对孔径1/1.2，视场角6.5°，工作波长8μm～12μm，消热差温度范围-40℃～＋60℃，探测器为像元间距17μm的640×480高分辨率非制冷机芯。

实施例1给出的仅仅是本发明的最佳实施方式，根据不同的设计指标，依据本发明的技术方案可以设计出多种参数不同的满足要求的物镜系统，并且能够达到与本实施例相近的消热差效果，以及相近的成像质量，所以本实施例不能构成对本发明保护范围的限制，凡是在本发明权利要求1技术方案基础上做出的任何的简单变形都在本发明意图保护范围之内。

Claims (3)

1.一种光机结合被动消热差的长焦距长波红外物镜，其特征在于包括正透镜(1)，镜筒(2)，负透镜(3)和探测器像面(4)；所述正透镜(1)和负透镜(3)安装固定在镜筒(2)内，正透镜(1)在前，负透镜(3)在后，构成远距式物镜；正透镜(1)是正弯月透镜，凸面朝向物方向，材料是硫系玻璃，牌号为IG6；负透镜(3)为负弯月透镜，凹面朝向探测器像面(4)的方向，材料是长波红外光学材料；正透镜(1)的凸面或凹面中至少有一个为旋转对称非球面，正透镜(1)的凸面或凹面中至少有一个为旋转对称衍射面；负透镜(3)的凸面或凹面中至少有一个为旋转对称非球面。

2.根据权利要求1所述的光机结合被动消热差的长焦距长波红外物镜，其特征在于镜筒(2)的材料是铟钢。

3.根据权利要求1所述的光机结合被动消热差的长焦距长波红外物镜，其特征在于所述负透镜（3材料选用单晶锗。

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