CN104297899B - 大视场被动消热差短波红外光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及大视场被动消热差短波红外光学系统，包括从物方到像方依次同轴设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、孔径光阑、第四透镜、第五透镜、第六透镜和探测器的焦平面，整个光学系统满足各透镜的光焦度分配满足总光焦度要求、总色差系数要求和不产生温度离焦要求；仅采用六片透镜对大视场高分辨率短波红外光学系统实现光学被动消热差，引入非球面透镜组来校正球差和彗差，同时引入三种光学材料，有效的校正了热差；利用不同材料的热常量和镜筒材料的热膨胀系数配合，使得温度变化时透镜热常量导致的离焦正好和镜筒材料的热膨胀系数导致的像面移动相一致，从而达到很好的消热差效果。

Description

大视场被动消热差短波红外光学系统

技术领域

本发明属于光学技术领域，涉及一种大视场被动消热差短波红外光学系统。

背景技术

短波红外成像技术的发展，使红外成像的波段覆盖了位于长波、中波和短波红外的三个大气窗口。短波红外焦平面探测器是新型红外焦平面器件，采用短波红外焦平面探测器，可利用夜天光0.9～2.5μm波段的所有能量，明显提高夜视器材的灵敏度和作用距离。短波红外成像技术的发展填补了从可见光到长波红外波段之间在短波红外光谱的空白，在某些应用中有其独特的优势。短波红外光学系统可广泛应用于军事领域和民用工程中，对应用于军事和特殊环境要求的民用场合，通常都要求其在宽的温度范围内具有稳定的性能，特别在高分辨遥感和军事侦察方面，由于红外光学材料的折射率温度系数较大，因此随着环境温度的变化，红外光学材料的折射率、光学元件的曲率和厚度、零件间隔等都会发生变化，使红外光学系统产生热离焦，导致系统成像质量变差，因此必须考虑环境温度对红外系统成像质量的影响进行消热差设计。

红外光学系统对温度的固有敏感，为适用不同温度环境需求，通常采用机械补偿和光学被动补偿方式进行消热差。其中机械调焦方式不能满足结构简单，成本低要求，机械补偿用来补偿温度变化引起的像面漂移，依赖于光学系统透镜或透镜组的轴向移动，并且调焦透镜组的选取不是随意的，要选取对光学系统成像质量较敏感的透镜组，才能进行调焦补偿，这样的调焦方式具有一定的局限性，对于敏感度较低的光学系统，不能够很好的补偿因环境温度变化引起的像面漂移，光学系统成像质量变差。或者调焦范围很长造成整个系统复杂，调焦电机控制，调焦记忆，自动调焦等复杂化，系统可靠性降低。目前的短波光学系统设计波段都在0.9～1.7μm，采用的是玻璃材料，一些红外晶体材料如硅、锗等在该光谱范围内不能透射。在该光谱范围内能够使用的材料主要有氟系材料如氟化钙、氟化锂、氟化钡以及硒化锌、硫化锌等材料。材料选择范围比较小，色差比较难于校正。

发明内容

本发明的目的是提供一种有效降低环境温度对红外系统成像质量的影像的大视场被动消热差短波红外光学系统。

为实现上述目的，本发明的大视场被动消热差短波红外光学系统技术方案如下：包括从物方到像方依次同轴设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、孔径光阑、第四透镜、第五透镜、第六透镜和探测器的焦平面，整个光学系统满足以下三个公式要求：

各透镜的光焦度分配满足总光焦度要求：其中为第i个透镜的光焦度，h_i为近轴光线在透镜上的入射高度，为系统的总光焦度；

总色差系数要求：其中：C_i为第i个透镜的色差系数，k表示透镜总数；

不产生温度离焦要求：T_i为第i个透镜的热差系数，α_L为镜筒材料的线膨胀系数，L为镜筒结构的总长度，χ_total为总离焦量。

所述六个透镜的光焦度依次为负、正、负、正、负、正，第一透镜为双凹透镜，第二、五、六透镜的前表面均为非球面，其它透镜表面均为球面；第三透镜弯向像方，第五透镜弯向物方。

各透镜均采用红外晶体材料。

所述第一、五透镜的材料为硒化锌，第二、六透镜的材料为硫化锌，第三、四透镜的材料为氟化钡。

所述探测器为短波红外非制冷探测器。

红外光学系统工作波段为0.9～2.5μm，F/#为1.4，整个光学系统长度为70mm，系统的焦距为24.7mm。

本发明的大视场被动消热差短波红外光学系统，仅采用六片透镜对大视场高分辨率短波红外光学系统实现光学被动消热差，引入非球面透镜组来校正球差和彗差，同时引入三种光学材料，有效的校正了热差。利用不同材料的热常量和镜筒材料的热膨胀系数配合，使得温度变化时透镜热常量导致的离焦正好和镜筒材料的热膨胀系数导致的像面移动相一致，从而达到很好的消热差效果。整个光学系统紧凑、成像质量高，能够承受宽温度(-40℃～+60℃)范围内，无需调焦，在空间频率为20lp/mm时传递函数保持大于0.6，视场畸变3％左右。

附图说明

图1宽温度被动消热差短波红外光学系统图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本大视场高分辨率被动消热差短波红外光学系统。

如图1所示，大视场高分辨率被动消热差短波红外光学系统包括从物方到像方依次同轴设置的第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、孔径光阑4、第四透镜5、第五透镜6、第六透镜7和探测器的焦平面8，六个透镜的光焦度依次为负、正、负、正、负、正，第一透镜为双凹透镜，第二、五、六透镜的前表面均为非球面，其它透镜表面均为球面；第三透镜弯向像方，第五透镜弯向物方。各透镜均采用红外晶体材料，第一、五透镜的材料为硒化锌，第二、六透镜的材料为硫化锌，第三、四透镜的材料为氟化钡，镜筒材料为铝材料，孔径光阑设置在光学系统的中间位置，类似双高斯构型。

整个系统的设计参数如下：

工作波段：0.9～1.7μm；

探测器：采用InGaAs/InP材料，像元数640×512，像元25um，短波红外非制冷探测器。

光学系统的技术参数为：

系统的焦距为29mm，F/#为1.4，视场45°，整个光学系统长度为70mm。

上表中第二透镜的前表面、第五透镜的前表面和第六透镜的前表面采用非球面，畸变1％左右，所采用的非球面面型方程为：

$z\left(r\right)=\frac{r^2/R}{1+{\[1-(1+K){(r/R)}^2\]}^{1/2}}+{\mathrm{Ar}}^4+{\mathrm{Br}}^6+{\mathrm{Cr}}^8+{\mathrm{Dr}}^{10}---\left(4\right)$

其中z(r)为非球面的面型函数；r为垂直光轴方向的径向坐标；K为圆锥系数；R为球面顶点处的曲率半径；A为四阶非球面系数；B为六阶非球面系数；C为八阶非球面系数；D为十阶非球面系数。

红外光学系统对温度的固有敏感，为适用不同温度环境需求，通常采用机械补偿和光学被动补偿方式进行消热差。其中机械调焦方式不能满足结构简单，成本底要求，机械补偿用来补偿温度变化引起的像面漂移，依赖于光学系统透镜或透镜组的轴向移动，并且调焦透镜组的选取不是随意的，要选取对光学系统成像质量较敏感的透镜组，才能进行调焦补偿。这样的调焦方法具有一定的局限性，对于敏感度较低的光学系统，这种调焦方法不能够很好的补偿因环境温度变化引起的像面漂移，光学系统成像质量变差。或者调焦范围很长，造成整个系统复杂，调焦电机控制，调焦记忆，自动调焦等复杂化，系统可靠性降低。

本大视场高分辨率被动消热差短波红外光学系统采用硒化锌、硫化锌和氟化钡三种材料，设计结果表明，该系统在-40℃～+60℃温度范围内，不需要调焦，在空间频率20lp/mm时成像质量传递函数大于0.6，整个光学系统满足以下(1)、(2)、(3)公式要求：

光焦度分配满足总光焦度；即

其中为透镜的光焦度，h_i为近轴光线在透镜上的入射高度，为系统的总光焦度；

总色差系数要求：

其中：C_i为第_i个透镜的色差系数，h_i为近轴光线在透镜上的入射高度。

对于光学被动补偿式消热差光学系统，需要满足光学元件产生的离焦与机械结构产生的离焦相互抵消，从而使整个光学系统不产生温度离焦，这样可以得到；

式中：T_i为第i个透镜的热差系数，α_L为镜筒材料的线膨胀系数，L为镜筒结构的总长度，χ_total为总离焦量。通过求解方程组得到系统的光焦度分配情况，在利用CODEV软件进一步优化设计。

对于像元大小为25μm的制冷型凝视焦平面探测器光学系统，要求在20lp/mm空间频率处光学传递函数接近衍射极限，弥散斑小于25μm。按逐步逼近的原则，在控制色差、热像约束的条件下，释放各个透镜的优化变量，同时引入非球面，反复分析与优化中间结构，直接获得令人满意的、满足设计指标和性能要求的光学系统。

本大视场高分辨率被动消热差短波红外光学系统对大视场高分辨率短波光学系统实现光学被动消热差；引入非球面透镜组来校正球差和慧差，同时引入三种光学材料，有效的校正了热差；短波红外波段处于可见光波段和中波波段之间，其光学特性兼有可见光波段的光学特性以及中波波段的光学特性，存在构型复杂、可选用的光学材料少，既存在冷像等常见红外光学系统的特性，又存在鬼像等可见光光学系统范畴的特性。本大视场高分辨率被动消热差短波红外光学系统仅采用六片透镜实现短波红外光学系统的消热差，光学系统紧凑、成像质量高，能够承受宽温度(-40℃～+60℃)范围内，无需调焦，在空间频率为20lp/mm时传递函数保持大于0.6，视场畸变3％左右。

Claims (5)

1.大视场被动消热差短波红外光学系统，其特征在于，包括从物方到像方依次同轴设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、孔径光阑、第四透镜、第五透镜、第六透镜和探测器的焦平面，整个光学系统满足以下三个公式要求：

各透镜的光焦度分配满足总光焦度要求：其中为第i个透镜的光焦度，h_i为近轴光线在透镜上的入射高度，为系统的总光焦度；

总色差系数要求：其中：C_i为第i个透镜的色差系数，k表示透镜总数，

不产生温度离焦要求：T_i为第i个透镜的热差系数，α_L为镜筒材料的线膨胀系数，L为镜筒结构的总长度，χ_total为总离焦量；

所述六个透镜的光焦度依次为负、正、负、正、负、正，第一透镜为双凹透镜，第二、五、六透镜的前表面均为非球面，其它透镜表面均为球面；第三透镜弯向像方，第五透镜弯向物方。

2.根据权利要求1所述的大视场被动消热差短波红外光学系统，其特征在于：各透镜均采用红外晶体材料。

3.根据权利要求2所述的大视场被动消热差短波红外光学系统，其特征在于：所述第一、五透镜的材料为硒化锌，第二、六透镜的材料为硫化锌，第三、四透镜的材料为氟化钡。

4.根据权利要求1所述的大视场被动消热差短波红外光学系统，其特征在于：所述探测器为短波红外非制冷探测器。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的大视场被动消热差短波红外光学系统，其特征在于，红外光学系统工作波段为0.9～2.5μm，F/#为1.4，整个光学系统长度为70mm，系统的焦距为24.7mm。