CN103439786B - 大视场中红外波段抗热冲击消热差光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种大视场中红外波段抗热冲击消热差光学系统，旨在提供一种能够适应‑20℃～80℃温度范围内快速温度变化，在温度变化率15℃/min时仍能清晰成像的光学系统。本发明通过以下述技术方案予以实现：在镜筒中，入射光束通过蓝宝石材料的负透镜（3），经硫化锌材料的正透镜（4），经氟化钡材料的第一双凸正透镜（5），再经尖晶石材料的负透镜（6）聚焦于一次像面（7），一次像面聚焦成的实像通过硫化锌材料的第二正双凸正透镜（8），消除前面所成实像的残余像差和热差，并将一次像面经过探测器窗口（9）和冷光阑（10）再次成像在焦面（11）上，完成成像的全过程。本发明在对同一景物成像时，不经调焦都能清晰成像。

Description

大视场中红外波段抗热冲击消热差光学系统

技术领域

本发明涉及一种主要用于F#2（F#为系统的光圈数，即焦距与入瞳口径之比的倒数，F=f/D），波长为3.7～4.8μm的中波红外制冷探测器的抗热冲击光学系统结构。具体而言，本发明涉及一种使用光学被动消热差，对高低温（－20～＋80℃）剧烈温度变化（15℃/min温度变化率）不敏感的焦距为21.5mm，对应视场角为25°×20°的大视场光学系统。

背景技术

光学仪器在较大温度范围内使用时，镜筒材料、光学材料的热胀冷缩以及光学材料的折射率温度系数会使镜头光焦度发生变化，产生离焦现象。为了降低温度变化对红外光学系统成像质量的影响，需要进行无热化设计，或称为消热差设计，即通过一定的机械、光学及电子等技术，补偿因温度变化产生的离焦，使红外光学系统在一个变化范围较大的温度区间内保持成像质量的稳定。大多数红外透镜材料的折射率随温度变化显著，造成到达焦面位置的光程差是红外系统热效应的主要问题。如锗的折射率温度系数即dn/dt为396×10^－6/℃，而K9玻璃的dn/dt为3.6×10^－6/℃。热效应对红外光学系统的影响中，折射率和镜筒材料热胀冷缩变化造成的光程差影响贡献最大，曲率半径贡献次之，而透镜中心厚度的影响最小。要保证红外光学系统在较宽的温度范围内常工作，就必须进行消热差设计。目前国内外采用的红外系统消热技术主要分为机械被动消热差、机械（电子）主动消热差、光学被动消热差三类。其中，机械被动消热差是利用对温度敏感的机械材料或记忆合金，使透镜产生轴向位移来补偿温度变化引起的像面位移；机械（电子）主动消热差是利用温度探测器实时测量光学系统所处环境的温度，按照一定程序列表驱动电机调节焦面以补偿温度变化造成的像面位移；光学被动消热差是利用正负透镜材料的折射率温度系数（dn/dT）的差异和线膨胀系数的差异相互补偿不同镜片焦距变化和镜筒材料应热胀冷缩造成的像面位移。其中，光学被动补偿方式由于具有结构相对简单、尺寸小、重量轻和系统可靠性高等特点而受到特别重视。

传统的光学被动消热差技术只针对温度缓慢变化的情况，即温升率很少高于5℃/min的情况，这时即便镜片材料与镜筒材料有较大的热导率差异，但较低的温升率使不同镜片材料与镜筒材料的温度梯度较低，仍然可以选择硅、锗、硫化锌和硒化锌等传统材料配合铝合金、钢材料和钛合金等常规镜筒材料相配合。然而对非常温、常压条件下使用的光学系统，比如－20～＋80℃温度范围，15℃/min温度变化率，由于传统金属镜筒材料的热导率与晶体、玻璃材料透镜的热导率往往相差一到两个数量级，不同晶体和玻璃透镜材料的热导率也相差一个数量级以上，例如硅材料的导热率为0.2cal/g·℃·cm·s，而氟化钡材料的导热率为0.017cal/g·℃·cm·s，而铝合金的导热率约为2cal/g·℃·cm·s左右，线膨胀系数达到当环境在1分钟内变化了15℃时，120mm镜筒在1分钟以内即可达到热平衡，镜筒长度变化了0.04248mm；而氟化钡透镜需要近两小时才能达到热平衡，硅材料需要10分钟左右达到热平衡；因此镜筒材料与透镜材料有较大温度梯度，透镜之间也有较大温度梯度，即镜筒材料与透镜材料以及透镜间的线膨胀有延迟效应，即便采用了传统的光学被动消热差设计，在整个光机系统热平衡前仍容易形成热离焦。

2008年刊载于中国文献《红外技术》杂志，第29卷第4期，第203～205页，名称为《一种紧凑的红外消热差光学系统》，其中公开的适合于中波红外的光学镜头，采用了光学被动消热差技术，虽然能够适应-40℃～60℃温度范围，但所选镜筒材料和透镜材料只限于温度缓慢变化时的情况，没有提及如何避免温度剧烈变化（15℃/分钟温度变化率）造成的热冲击的影响。

2008年刊载于中国文献《红外与激光工程》杂志，第37卷增刊，第560～564页，名称为《新型成像导引头光学系统的消热差设计与评价》，其中公开的适合于中波红外的光学镜头，采用了折衍混合系统进行光学被动消热差技术，虽然能够适应-40℃～60℃温度范围，但所选镜筒材料和镜头材料也只能适应温度缓慢变化时的情况，没有提及如何消除温度剧烈变化（15℃/分钟温度变化率）造成的热冲击的影响。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术温度剧烈变化，尤其是温度变化率达到15℃/min时引起的热像差的问题，提供一种在中波红外（3.7μm～4.8μm）波段范围内，能够适应-20℃～80℃温度范围内快速温度变化，在温度变化率15℃/min时仍能清晰成像，具有较好冷反射特性的抗热冲击和25°×20°视场的光学系统结构。

为了实现上述发明目的，本发明提供的一种大视场中红外波段抗热冲击消热差光学系统，包括：一个采用铟钢或碳素复合材料镜筒、从物面1将无穷远平行光通过球罩2、透镜组3～6、透紧贴探测器窗口9的光阑10，聚焦到焦面11的光学系统，其特征在于，入射光束通过蓝宝石材料的负透镜3，经硫化锌材料的正透镜4，经氟化钡材料的第一双凸正透镜5，再经尖晶石材料的负透镜6聚焦于一次像面7，一次像面7聚焦成的实像通过硫化锌材料的第二正双凸正透镜8，消除前面所成实像的残余像差和热差，并将一次像面7经过探测器窗口9和冷光阑10再次成像在焦面11上，完成成像的全过程。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

像质高、工作温度范围宽、结构紧凑。本发明基于光学被动消热差原理，采用的铟钢或碳素复合材料镜筒，在20℃温差时120mm镜筒长度改变不超过0.2μm，在100℃温差时120mm镜筒长度改变不超过1μm；线膨胀系数为和折射率温度系数dn/dT为11.2×10^－6/℃的蓝宝石材料的负透镜3焦距在4μm检测波长时为-39.1mm，在20℃温差时的焦距变化不超过0.008mm，相对变化率不超过0.02%；线膨胀系数为和折射率温度系数dn/dT为39.6×10^－6/℃的硫化锌材料的正透镜4焦距在4μm检测波长时为2490.69mm，在20℃温差时的焦距变化不超过75mm，相对变化率不超过3%；线膨胀系数为和折射率温度系数dn/dT为11.2×10^－6/℃的氟化钡材料的第一双凸正透镜5在4μm检测波长时焦距为29.84mm，在20℃温差时的焦距变化不超过0.03mm，相对变化率不超过0.1%；线膨胀系数为和折射率温度系数dn/dT为8.5×10^－6/℃的尖晶石材料的负透镜6在4μm检测波长时焦距为-305.06mm，在20℃温差时的焦距变化不超过0.175mm，相对变化率不超过0.06%；线膨胀系数为和折射率温度系数dn/dT为39.6×10^－6/℃的硫化锌材料的第二双凸正透镜8焦距在4μm检测波长时为15.44mm，在20℃温差时的焦距变化不超过0.02mm，相对变化率不超过0.13%。本发明在最高温度80℃的最佳焦面与最低温度-20℃的最佳焦面的位置变化不超过0.03mm；根据导热率计算，-20℃～80℃的温度范围，温度变化率15℃/min时透镜间的温差最大不超过10℃，在透镜3、透镜4、透镜5、透镜6、透镜8之间温差10℃时距常温最佳焦面的位置变化不超过0.028mm。

按照光学系统像差的瑞利判据，即光程差Δl_T应控制在光学系统的焦深范围内即可成完善像，即Δl_T≤2λ(F#)²，其中λ为4μm检测波长，F#为系统的光圈数，F#=f/D，即焦距与入瞳口径之比，本系统中为2，因此焦深为0.032mm，大于光学系统最佳焦面位置的变化量，表明该系统在-20～80℃的温度范围内，温度变化率15℃/min时的热差引起的光程差仍在焦深范围内，可以成完善像，因此具有良好的抗热冲击性能。在-20℃～80℃温度范围以及在15℃/min温度变化率时，在对同一景物成像时，不经调焦都能清晰成像。

附图说明

图1是本发明中红外波段抗热冲击消热差光学系统结构的构造示意图。

图中：1物面，2球罩，3蓝宝石材料的负透镜，4硫化锌材料的正透镜，5氟化钡材料的第一双凸正透镜，6尖晶石材料的负透镜，7一次像面，8硫化锌材料的第二双凸正透镜，9探测器窗口，10光阑，11焦面。

具体实施方式

为了进一步清楚阐述本发明，下面将提供具体实施方式并与附图相结合，对本技术方案进行说明，但是不应当将其理解为对本发明的限定。

参阅图1。以下实施例描述的一种大视场中红外波段抗热冲击消热差光学系统，包括：采用了F#2，波长为3.7～4.8μm的中波红外制冷探测器，在线膨胀系数为的铟钢或碳素复合材料镜筒中，无穷远平行光从物面1经尖晶石材料的球罩2，导热率为0.06cal/g·℃·cm·s、线膨胀系数为和折射率温度系数dn/dT为11.2×10^－6/℃的蓝宝石材料的负透镜3，导热率为0.167cal/g·℃·cm·s、线膨胀系数为和折射率温度系数dn/dT为39.6×10^－6/℃的硫化锌材料的正透镜4，导热率为0.017cal/g·℃·cm·s、线膨胀系数为和折射率温度系数dn/dT为11.2×10^－6/℃的氟化钡材料的第一双凸正透镜5，导热率为0.1cal/g·℃·cm·s、线膨胀系数为和折射率温度系数dn/dT为8.5×10^－6/℃的尖晶石材料的负透镜6，一次像面7和导热率为0.167cal/g·℃·cm·s、线膨胀系数为和折射率温度系数dn/dT为39.6×10^－6/℃的硫化锌材料的第二双凸正透镜8，经探测器窗口9和光阑10成像在焦面11。其中硫化锌材料的正透镜4朝向物面1一侧为非球面，氟化钡材料的第一双凸正透镜5朝向物面1一侧为非球面，硫化锌材料的第二双凸正透镜8两侧均为非球面。入射光从物面1经过球罩2进入蓝宝石材料的负透镜3、硫化锌材料的正透镜4、氟化钡材料的第一双凸正透镜5、尖晶石材料的负透镜6在一次像面7成实像；位于一次像面7后的硫化锌材料的第二双凸正透镜8消除前面作为物镜的蓝宝石材料的负透镜3、硫化锌材料的正透镜4、氟化钡材料的第一双凸正透镜5、尖晶石材料的负透镜6和球罩2所成实像即一次像面7的残余像差和热差，并将一次像面7经过探测器窗口9和冷光阑10再次成像在焦面11上，完成成像的全过程，同时冷光阑10前面的光学镜片：蓝宝石材料的负透镜3、硫化锌材料的正透镜4、氟化钡材料的第一双凸正透镜5、尖晶石材料的负透镜6、一次像面7、硫化锌材料的第二双凸正透镜8将冷光阑10所成像限制在蓝宝石材料的透镜3和靠近球罩2一侧的位置，控制全系统的通光孔径。

基于光学被动消热差原理，采用的铟钢或碳素复合材料镜筒，在20℃温差时120mm镜筒长度改变不超过0.2μm；线膨胀系数为和折射率温度系数即dn/dT为11.2×10^－6/℃的蓝宝石材料的负透镜3焦距在4μm检测波长时为-39.1mm，在20℃温差时的焦距变化不超过0.008mm，相对变化率不超过0.02%；线膨胀系数为和折射率温度系数dn/dT为39.6×10^－6/℃的硫化锌材料的正透镜4焦距在4μm检测波长时为2490.69mm，在20℃温差时的焦距变化不超过75mm，相对变化率不超过3%；线膨胀系数为和折射率温度系数dn/dT为11.2×10^－6/℃的氟化钡材料的第一双凸正透镜5在4μm检测波长时焦距为29.84mm，在20℃温差时的焦距变化不超过0.03mm，相对变化率不超过0.1%；线膨胀系数为和折射率温度系数dn/dT为8.5×10^－6/℃的尖晶石材料的负透镜6在4μm检测波长时焦距为-305.06mm，在20℃温差时的焦距变化不超过0.175mm，相对变化率不超过0.06%；线膨胀系数为和折射率温度系数dn/dT为39.6×10^－6/℃的硫化锌材料的第二双凸正透镜8焦距在4μm检测波长时为15.44mm，在20℃温差时的焦距变化不超过0.02mm，相对变化率不超过0.13%。本系统在最高温度80℃的最佳焦面与最低温度-20℃的最佳焦面的位置变化不超过0.03mm；根据导热率计算，-20℃～80℃的温度范围，温度变化率15℃/min时透镜间的温差最大不超过10℃，在透镜3、透镜4、透镜5、透镜6、透镜8之间温差10℃时距常温最佳焦面的位置变化不超过0.028mm。

按照光学系统像差的瑞利判据，即光程差Δl_T应控制在光学系统的焦深范围内即可成完善像，即Δl_T≤2λ(F#)²，其中λ为4μm检测波长，F#为系统的光圈数，F#=f/D，即焦距与入瞳口径之比，本系统中为2，因此焦深为0.032mm，大于光学系统最佳焦面位置的变化量，表明该系统在-20～80℃的温度范围内，温度变化率15℃/min时的热差引起的光程差仍在焦深范围内，可以成完善像，因此具有良好的抗热冲击性能，在-20℃～80℃温度范围以及在15℃/min温度变化率时，在对同一景物成像时，不经调焦都能清晰成像。

探测器窗口9，光阑10和焦面11均为F#2的制冷型中波红外探测器的一部分，波段范围为3.7～4.8μm，像元尺寸为30μm×30μm，像元数为320×256，其中F#即为光圈数是入瞳口径与焦距之比的倒数，即F=f/D。本系统焦距21.5mm，视场角25°，从物镜3靠近物面1的一面顶点到探测器窗口9靠近物面1的一面总长不超过115mm。

球罩2采用尖晶石材料，靠近物面1一侧曲率半径为131.5mm，厚度为6.5mm，靠近焦面11一侧曲率半径为125mm。

第四片透镜即采用尖晶石材料的尖晶石材料的负透镜6可由蓝宝石材料的负透镜代替。采用尖晶石材料的球罩2，可由蓝宝石材料的球罩或热压氟化镁材料的球罩或硫化锌材料的球罩代替。

以上所述的仅是本发明的优选实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干变形和改进，比如，上述描述的相关材料的具体数据，可以根据不同的具体物质和环境而改变，材料替换等这些变更和改变应视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种大视场中红外波段抗热冲击消热差光学系统，包括：一个采用铟钢或碳素复合材料镜筒、从物面（1）将无穷远平行光依次通过球罩（2）、透镜组（3～6）、透紧贴探测器窗口（9）的光阑（10），聚焦到焦面（11）的光学系统，其特征在于，冷光阑（10）前面的光学系统（3～8）将冷光阑（10）所成像限制在负透镜（3）靠近球罩（2）一侧的附近，控制全系统的通光孔径；入射光束通过蓝宝石材料的负透镜（3），经硫化锌材料的正透镜（4），经氟化钡材料的第一双凸正透镜（5），再经尖晶石材料的负透镜（6）聚焦于一次像面（7），一次像面（7）聚焦成的实像通过硫化锌材料的第二双凸正透镜（8），消除前面所成实像的残余像差和热差，并将一次像面（7）经过探测器窗口（9）和冷光阑（10）再次成像在焦面（11）上，完成成像的全过程。

2.如权利要求1所述的大视场中红外波段抗热冲击消热差光学系统，其特征在于，蓝宝石材料的负透镜（3）为弯月负透镜。

3.如权利要求1所述的大视场中红外波段抗热冲击消热差光学系统，其特征在于，硫化锌材料的正透镜（4）为弯月正透镜，朝向物面（1）一侧为非球面。

4.如权利要求1所述的大视场中红外波段抗热冲击消热差光学系统，其特征在于，氟化钡材料的第一双凸正透镜（5），朝向物面（1）一侧为非球面。

5.如权利要求1所述的大视场中红外波段抗热冲击消热差光学系统，其特征在于，第二双凸正透镜（8），两侧均为非球面。

6.如权利要求1所述的大视场中红外波段抗热冲击消热差光学系统，其特征在于，在15℃/min温度变化率条件下因镜筒热胀冷缩、透镜折射率变化、曲率半径变化和厚度变化引起的球罩（2）～焦面（11）之间的光程差Δl_T≤2λ(F#)²，其中λ为检测波长，F#为系统的光圈数。

7.如权利要求6所述的大视场中红外波段抗热冲击消热差光学系统，其特征在于， F#=f/D，焦距f与入瞳口径D之比为2。

8.如权利要求1所述的大视场中红外波段抗热冲击消热差光学系统，其特征在于，用尖晶石材料的负透镜（6）可由蓝宝石材料的负透镜代替。

9.如权利要求1所述的大视场中红外波段抗热冲击消热差光学系统，其特征在于，球罩（2）可由蓝宝石材料的球罩或热压氟化镁材料的球罩或硫化锌材料的球罩代替。