CN103995344B - 透射式非制冷被动消热差长波红外光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种透射式非制冷被动消热差长波红外光学系统，旨在提供一种硫系玻璃口径较小，能够在8μm～12μm长波红外波段，用于非制冷长波红外探测器的具有光学被动消热差性能的光学系统。本发明通过以下述技术方案予以实现：无穷远平行光从物面经球罩进入口径最大的一片弯月正透镜(3)形成汇聚光，汇聚光进入弯月负透镜(4)降低汇聚角度并校正部分色差、热差和单色像差，通过纯球面的第二弯月正透镜(5)增加汇聚角，由其后凹面负透镜(6)平衡热差和减小像差并减小光线汇聚角，进入匹兹万结构的后组即双凸正透镜(7)进一步平衡系统残余的热差、色差和单色像差，并成像在探测器焦面(8)，完成成像的全过程。

Description

透射式非制冷被动消热差长波红外光学系统

技术领域

本发明涉及一种透射式非制冷被动消热差长波红外光学系统，尤其是能够在8μm～12μm长波红外波段，-45～60℃温度范围内具有光学被动消热差性能的透射式光学系统。

背景技术

光学仪器经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温度折射率系数会使镜头光焦度发生变化，产生离焦现象，使成像质量恶化。尤其是红外光学系统，由于常用的红外光学材料，如锗材料的折射率温度系数dn/dT高达386×10-6/K，是可见光玻璃dn/dT的近80倍，在环境温度有较大变化时，红外光学材料的折射率变化较大；因普镜筒材料普遍采用线膨胀系数为23.6×10^-6/K的铝合金，当环境温度有较大变化时也会造成较大的热离焦；而光学元件因材料本身的线膨胀系数，在环境温度有较大变化时的曲率和厚度、非球面系数等都会发生变化。以上效果使红外光学系统产生热离焦，即热差，导致系统成像质量变差。因此需要对红外光学系统进行消热差设计，主要通过一定的机械、光学及电子等技术，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。目前的消热差方式主要有：机电主动式、机械被动式和光学被动式。光学被动式通过合理分配光焦度和光学材料，实现焦面位置与镜筒长度变化的匹配，从而在规定温度范围内保证镜头的成像质量。

现有透射式长波红外非制冷消热差光学系统，为了获得较好的光学被动式消热差和消色差性能，大量采用折射率温度系数较低，色散性能较好的硫系玻璃作为透镜材料，尤其是在口径最大的透镜上采用硫系玻璃材料消热差和色差性能较为显著。但硫系玻璃是一种微晶化的玻璃材料，其光学均匀性、条纹度、应力双折射等性能较不稳定，运用于大口径透镜上容易降低光学系统的成像质量；同时其理化性能较差，在大口径透镜上加工非球面和膜层镀制难度较大。另一种实现光学被动消热差的方法是在光学系统中采用二元光学衍射元件形成折衍混合系统，利用二元光学衍射元件负的色散系数和较大的温度补偿特性来消除光学系统热差。但二元光学衍射元件只对特定的波长有较高的衍射效率，随着波段的不断变宽，其衍射效率急剧下降，造成光学系统能量不足；且衍射光学元件难以检测，对加工要求较高。

发表于中文期刊《应用光学》第32卷第6期(2011年11月)的《大相对孔径长波红外光学系统无热化设计》，介绍了一个应用于长波红外波段采用非制冷探测器F#1的光学镜头，其口径最大的第一片光学镜片采用了AMTIR1的硫系玻璃材料，且第一面为非球面。由于硫系玻璃是一种微晶化的玻璃材料，其光学均匀性、条纹度、应力双折射等性能较不稳定，运用于大口径透镜上容易降低光学系统的成像质量；同时其理化性能较差，在大口径透镜上加工非球面和膜层镀制难度较大。

发表于中文期刊《红外技术》第30卷第10期(2008年10月)的《长波红外光学系统无热化设计》，介绍了一个应用于长波红外波段采用非制冷探测器F#1的折衍混合光学系统，为消热差，在硒化锌透镜上采用了二元光学衍射面。由于二元光学衍射元件只对特定的波长有较高的衍射效率，随着波段的不断变宽，其衍射效率急剧下降，造成光学系统能量不足；且衍射光学元件难以检测，对加工要求较高。

发表于中文期刊《光子学报》第36卷第1期(2007年1月)的《8～12μm波段折/衍混合反摄远系统消热差设计》，介绍了一个应用于长波红外波段采用非制冷探测器F#2的折衍混合光学系统，为消热差，在锗材料透镜的平面部分加工了二元光学衍射面。由于二元光学衍射元件只对特定的波长有较高的衍射效率，随着波段的不断变宽，其衍射效率急剧下降，造成光学系统能量不足；且衍射光学元件难以检测，对加工要求较高。且该系统F#2，光学系统艾利斑较大，难以在长波红外非制冷探测器上产生较高的信噪比。

以上介绍的现有长波红外消热差光学系统，要么采用了大口径的硫系玻璃材料作为透镜，并在透镜面上加工非球面配合全系统消热差，要么采用二元光学衍射面作为消热差的主要手段。对应的不足之处，要么是二元光学面在光学系统的加工、检测和方面较为困难，要么是大口径硫系玻璃透镜材料的性能不稳定，光学系统的加工、镀膜有一定难度，且像质容易受到大口径硫系玻璃透镜材料非均匀性的影响，如果要获得较好光学性能如非光学均匀性、条纹度、应力双折射等参数的大口径硫系玻璃材料，则价格较为昂贵。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术存在的不足之处，提供一种没有二元光学衍射面，硫系玻璃口径较小，即较小口径则较容易保证条纹度、光学均匀性、应力双折射等光学参数性能，能够在8μm～12μm长波红外波段，在-45～60℃温度范围内具有良好的成像质量和消热差效果，采用光学被动消热差方式光学镜头的长波红外光学系统。

为了实现上述发明目的，本发明提供的一种透射式非制冷被动消热差长波红外光学系统，包括：硒化锌材料的第一弯月正透镜3、硫化锌材料的弯月负透镜4、硫系玻璃GASIR1材料的第二弯月正透镜5、锗材料的凹面负透镜6和硒化锌材料的双凸正透镜7，其特征在于：采用变形的匹兹万结构，第一弯月正透镜3～凹面负透镜6为匹兹万结构的前组，入瞳置于第一弯月正透镜3靠近物面1一侧的面上，无穷远平行光从物面1经球罩2进入口径最大的弯月正透镜3形成汇聚光，汇聚光进入弯月负透镜4降低汇聚角度并校正部分色差、热差和单色像差，通过纯球面的第二弯月正透镜5增加汇聚角，由其后凹面负透镜6平衡热差和减小像差，凹面负透镜6减小了汇聚角的光线进入变形的匹兹万结构正光焦度的后组即双凸正透镜7进一步平衡系统残余的热差、色差和单色像差，并成像在探测器焦面8，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：

本发明采用现有常用透镜材料和镜筒配和完成光学被动消热差，没有二元光学衍射面。本发明采用传统的光学被动消热差原理，利用不同透镜材料的组合配对实现消色差和光学系统的光学被动消热差，因而毋须利用二元光学衍射面负的色散系数消色差，以及二元光学衍射面较大的温度补偿特性来消除光学系统热差。由于不存在衍射效率和加工检测较难的问题。避免了现有技术光学系统能量不足，衍射光学元件难以检测，对加工要求较高的问题。

硫系玻璃口径较小。本发明采用了一片纯球面的硫系玻璃GASIR1，除去球罩，置于光学系统的第三片，而口径最大的第一片透镜采用了传统的硒化锌材料球面透镜。由于硫系玻璃是一种微晶化的玻璃材料，其光学均匀性、条纹度、应力双折射等性能较不稳定，运用于大口径透镜上容易降低光学系统的成像质量；同时其理化性能较差，在大口径透镜上加工非球面和膜层镀制难度较大。由于本发明采用口径较小的硫系玻璃，能够避免硫系玻璃口径较大均匀性不好的难题，以及在理化性能不高的大口径硫系玻璃上加工非球面和镀膜的问题。

本发明采用了4种光学材料合理分配组合消热差、结构简单紧凑、透镜片数少(五片)。该系统在－45～60℃温度范围内，最大离焦量小于1倍焦深，空间截止频率30lp/mm处，光学调制传递函数(MTF)值大于0.5，接近衍射极限。分析结果表明：该系统具有良好的成像质量和无热效果。所设计的系统除去球罩共用5个光学元件。光学系统通过透镜材料组合和光焦度分配，配合镜筒材料的热胀冷缩，实现光学被动消热差效果。系统工作温度在-45℃～60℃环境下,各个温度下的系统传递函数(MTF)值在空间截止频率30lp/mm处均大于0.5,具有高像质、工作温度范围宽、结构紧凑、重量轻，成像分辨率高、良好的成像质量、视场大且体积小、系统透过率高、相对孔径大、调制传递函数MTF接近衍射极限等优点。本发明适用于像元数为1024×768，像元尺寸为17μm的非制冷长波红外焦平面探测器。当采用铝合金镜筒时，通过透镜材料的配对组合与镜筒材料线膨胀系数αL和长度L的匹配，顺次排列，在-45℃～60℃温度范围内，毋须调焦，在空间截止频率30lp/mm时MTF均值变化不超过10％。

附图说明

图1是本发明透射式非制冷被动消热差长波红外光学系统的构造示意图

图中：1物面，2球罩，3第一弯月正透镜，4弯月负透镜，5第二弯月正透镜，6凹面负透镜，7双凸正透镜，8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所描述的一种透射式非制冷被动消热差长波红外光学系统，从无穷远物面1到探测器焦面8，采用了变形的匹兹万结构，包括：匹兹万结构中正光焦度的前组，即硫化锌材料的球罩2，硒化锌材料的第一弯月正透镜3，硫化锌材料的弯月负透镜4，硫系玻璃GASIR1材料的第二弯月正透镜5和锗材料的凹面负透镜6；匹兹万结构中正光焦度的正光焦度的后组，即硒化锌材料的双凸正透镜7，共采用了4种材料。镜筒材料可以为普通铝合金材料，也可以为线膨胀系数更低的钛合金或者不锈钢或者普通钢材料，此时消热差性能更好。其中，本发明所采用的透镜材料在8～12μm波段的光学特性如表1所示：

表1本发明所采用的透镜材料在8～12μm波段的光学特性

为消热差和色差，光学系统需满足以下消热差和色差条件：

式中φ_i为每块透镜的光焦度，φ为光学系统光焦度，ν_i为每块透镜的色散系数，为透镜材料因折射率/温度系数dn/dT和材料线膨胀系数α_i引起的焦距变化，α_L为镜筒材料的线膨胀系数，L为镜筒长度，n为透镜折射率，i为每块透镜的编号。

本实施例中，从无穷远物面1的平行光入射通过球罩2进入硒化锌材料的第一弯月正透镜3形成汇聚光束，通过硫化锌材料非球面的弯月负透镜4减小汇聚角，减小部分像差和热差，进入硫系玻璃GASIR1材料的第二弯月正透镜5增加汇聚角，然后通过锗材料的非球面凹面负透镜6以减小像差和热差，然后通过硒化锌材料的非球面双凸正透镜7汇聚，成像在探测器焦面8，完成成像的全过程。

本实施例中，光学结构采用变形的匹兹万结构，入瞳置于第一弯月正透镜3靠近物面1一侧的面上。

本实施例中，无穷远平行光从物面经球罩进入第一弯月正透镜3形成汇聚光。第一弯月正透镜3承担较大的正光焦度，其材料为硒化锌。硒化锌材料在8～12μm波段的折射率约为2.4，阿贝系数约为100，折射率温度系数即dn/dT约为58.9×10^-7/K，线膨胀系数约为7.5×10^-6/K，在所选透镜材料中其折射率、阿贝系数较小而折射率温度系数即dn/dT较大，因此将产生较大的色差和热差，以及球差和慧差等单色像差。此时由硫化锌材料的负光焦度的弯月负透镜4进行校正。第一弯月正透镜3的焦距在10μm检测波长时约为70.27mm。

本实施例中，从硒化锌材料的第一弯月正透镜3形成的汇聚光进入硫化锌材料的弯月负透镜4，降低其汇聚角度并校正部分色差、热差和单色像差。由于硫化锌材料在8～12μm波段的折射率约为2.19，阿贝系数约为40，折射率温度系数即dn/dT约为55×10^-7/K，线膨胀系数约为6.7×10^-6/K，在所选透镜材料中其折射率、阿贝系数、折射率温度系数即dn/dT和线膨胀系数都最小，因而平衡色差、热差和单色像差的能力较弱，为此增加其负光焦度。为获得较大的视场角，在硫化锌材料的弯月负透镜4靠近物面1一侧的面上采用非球面面形以平衡单色像差。弯月负透镜4的焦距在10μm检测波长时约为-60.77mm。

本实施例中，经过硫化锌材料的弯月负透镜4减小汇聚角的光线进入硫系玻璃GASIR1材料的第二弯月正透镜5，进一步增加汇聚角。第二弯月正透镜5承担最大的正光焦度，其GASIR1的材料特性，在8～12μm波段的折射率约为2.5，阿贝系数约为210，折射率温度系数即dn/dT约为60×10^-7/K，线膨胀系数约为12×10^-6/K，在所选透镜材料中，其折射率、阿贝系数、折射率温度系数即dn/dT和线膨胀系数较大，因此该透镜产生的色差较小，但热差较大，可用其后的锗材料的凹面负透镜6平衡热差。第二弯月正透镜5的焦距在10μm检测波长时约为29.87mm。

本实施例中，经过硫系玻璃GASIR1材料的第二弯月正透镜5增加了汇聚角的光线进入锗材料的凹面负透镜6，以平衡系统的热差、色差和单色像差，并减小汇聚角。锗材料在8～12μm波段的折射率约为4，阿贝系数约为1052，折射率温度系数即dn/dT约为396×10^-7/K，线膨胀系数约为16.6×10^-6/K，在所选透镜材料中，拥有最大的折射率、阿贝系数、折射率温度系数即dn/dT和线膨胀系数，因此该负光焦度透镜产生的负热差较大而色差较小，能够较好的平衡系统产生的热差和残余色差。为获得较大的视场角，在该透镜靠近物面1一侧的面上采用了非球面面形以平衡单色像差。凹面负透镜6的焦距在10μm检测波长时约为-18.28mm。

本实施例中，经过锗材料的凹面负透镜6减小了变形的匹兹万结构正光焦度的前组的光线进入正光焦度的后组即硒化锌材料的双凸正透镜7。硒化锌材料的折射率、阿贝系数较小而折射率温度系数即dn/dT较大，因此双凸正透镜7在本系统中用于进一步平衡系统残余的热差、色差和单色像差，并成像在焦面8。为更好的消除残余的色像差，在该透镜靠近物面1一侧的面上采用了非球面面形以平衡单色像差。双凸正透镜7的焦距在10μm检测波长时约为27.94mm。

本实施例中，从球罩2到焦面8的总长约89mm，球罩2采用了硫化锌，其靠近物面1一侧的曲率半径为70mm，靠近焦面8一侧的曲率半径为66mm，厚度4mm。探测器采用了焦面为17.41mm×13.06mm，像元尺寸17μm×17μm即像元数为1024×768的长波红外非制冷探测器，光学系统焦距65mm，F#1，即视场角约为15.24°×11.46°。其中F#为焦距f与入瞳口径D之比，即F#＝f/D。

本发明的镜筒材料也可以为线膨胀系数更低的钛合金或者不锈钢或者普通钢材料，此时消热差性能更好。

匹兹万物镜是匹兹万于1841年在世界上第一个用光学设计方法设计出的镜头，其最初结构型式是由两个彼此分离的正光焦度透镜组组成匹兹万物镜,光学系统的光焦度由前后两组光焦度为正的透镜组承担，透镜的曲率半径可以变大，对校正球差有利，但两组分开，将增大场曲，因此采用了变形的匹兹万物镜，亦即本发明中在匹兹万结构的前组最后一片增加了一个校正场曲的场镜即锗材料的凹面负透镜6。与传统的在像面前安置场镜的消场曲结构相比，其不仅校正系统场曲，还校正系统的色差和其他单色像差，而且该变形的匹兹万结构还具有较长的后截距和较小的主光线相对于焦面的入射角。

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，硫系玻璃GASIR1材料(对应国内牌号为SIG1或IRG202)的第二弯月正透镜5可用硫系玻璃AMTIR1(对应国内牌号为IRG201)材料代替。这些变更和改变应视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种透射式非制冷被动消热差长波红外光学系统，包括：硒化锌材料的第一弯月正透镜（3）、硫化锌材料的弯月负透镜（4）、硫系玻璃GASIR1材料的第二弯月正透镜（5）、锗材料的凹面负透镜（6）和硒化锌材料的双凸正透镜（7），其特征在于：采用变形的匹兹万结构，第一弯月正透镜（3）～凹面负透镜（6）为匹兹万结构的前组，入瞳置于第一弯月正透镜（3）靠近物面（1）一侧的面上，无穷远平行光从物面（1）经球罩（2）进入口径最大的弯月正透镜（3）形成汇聚光，汇聚光进入弯月负透镜（4）降低汇聚角度并校正部分色差、热差和单色像差，通过纯球面的第二弯月正透镜（5）增加汇聚角，由其后的凹面负透镜（6）平衡热差和减小像差，凹面负透镜（6）减小了汇聚角的光线进入变形的匹兹万结构正光焦度的后组即双凸正透镜（7）进一步平衡系统残余的热差、色差和单色像差，并成像在探测器焦面（8），完成成像的全过程。

2.如权利要求1所述的透射式非制冷被动消热差长波红外光学系统，其特征在于，全系统的镜筒材料为铝合金材料。

3.如权利要求1所述的透射式非制冷被动消热差长波红外光学系统，其特征在于，第二弯月正透镜（5）所用硫系玻璃GASIR1材料对应国内牌号为SIG1或IRG202。

4.如权利要求1所述的透射式非制冷被动消热差长波红外光学系统，其特征在于，第二弯月正透镜（5）用国内牌号为IRG201的硫系玻璃材料代替或美国牌号为AMTIR1的硫系玻璃代替。

5.如权利要求1所述的透射式非制冷被动消热差长波红外光学系统，其特征在于，为获得较大的视场角，在硫化锌材料的弯月负透镜（4）靠近物面（1）一侧的镜面形为非球面。

6.如权利要求1所述的透射式非制冷被动消热差长波红外光学系统，其特征在于，为获得较大的视场角，在凹面负透镜（6）靠近物面（1）一侧的镜面形为非球面。

7.如权利要求1所述的透射式非制冷被动消热差长波红外光学系统，其特征在于，双凸正透镜（7）靠近物面（1）一侧的镜面形为非球面。