CN104749773A - 一种-60℃至+80℃红外超宽温消热差光学系统 - Google Patents
一种-60℃至+80℃红外超宽温消热差光学系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种-60℃至+80℃红外超宽温消热差光学系统。系统为一种七片式光学系统，来自无穷远物方的光束依次通过第一透镜，第二透镜，第三透镜，第四透镜，第五透镜，第六透镜，第七透镜，杜瓦窗口，孔径光阑，在像面上成像。本系统由前端三片式物镜和后端四片式中继成像系统组成，孔径光阑与制冷型红外探测器杜瓦冷光阑重合。本发明的光学系统采用光学被动式无热化理论计算初始结构，通过巧妙挑选搭配红外光学材料，实现宽温度范围消热差的设计目标。本发明结构的优点在于：在-60℃～+80℃的超宽温度范围内，系统无须调焦，像质保持理想稳定，实现了红外光学系统在宽温度范围内消热差的目标。
Description
技术领域：
本发明涉及一种红外光学系统，具体涉及一种-60℃～+80℃红外超宽温消热差光学系统。
背景技术：
典型的红外光学系统通常要求在-40℃～+60℃之间具有稳定可靠的光学性能。而红外光学系统的成像质量受温度变化影响较大。具体来讲，温度变化对红外光学系统成像质量的影响主要表现在：1)温度变化引起红外光学材料与介质折射率的变化，2)温度变化引起光学元件曲率半径和中心厚度的变化，3)温度变化引起光学系统中机械材料伸缩带来的光学元件间隔的变化。上述变化会导致最佳像面偏离，造成成像质量显著下降，图像模糊不清，对比度下降。
由于红外光学材料的折射率温度系数dn/dT通常远大于可见光光学材料，因此，环境温度对红外光学系统的像质影响更加明显。如何在各种环境条件下保持红外光学系统的成像质量与稳定性成为亟待解决的重要问题。
另外，制冷型探测器的像元尺寸通常较小，这就使得相比于与非制冷型探测器匹配的红外光学系统而言，与制冷型探测器匹配的红外光学系统的衍射限更难达到，温度变化带来的像质下降更加明显且更难补偿。
另外，红外光学材料种类受限，材料的尺寸也严重受限。对于采用制冷型探测器的红外光学系统来说，为了实现100％冷光阑匹配，需要将光学系统的出瞳与探测器杜瓦结构内的冷光阑进行精确匹配。如果是一次成像光学系统，则其入瞳位置无法控制，通常会造成第一片镜片口径过大，无法找到合适材料进行加工的情况。为此，本光学系统采用的是二次成像的结构型式，在控制出瞳位于制冷型探测器的冷光阑处的同时，控制入瞳位置在第一片镜片之前，使得镜片尺寸可控。
本发明利用光学材料热特性之间的差异，通过合理搭配红外光学材料，寻找光焦度分配方式，巧妙设计光路结构，使得红外光学系统实现自动温度补偿的目标。本发明设计出一种-60℃～+80℃红外超宽温消热差光学系统，在-60℃～+80℃超宽温度范围内之间，无须调焦，像质均接近衍射极限，有效提高了红外镜头的环境适应性。
发明内容：
本发明的目的在于，提供一种-60℃～+80℃红外超宽温消热差光学系统，解决现有系统存在的不能在宽温度范围内保持成像质量稳定清晰的问题。
本发明提出了一个七片折射式的-60℃～+80℃红外超宽温消热差光学系统，用于制冷型红外探测器。该系统冷光阑效率100％，可以较好地抑制杂散光。该系统基于光学系统被动式无热化理论计算初始结构，克服了红外光学材料种类有限的不利因素，通过巧妙搭配红外光学材料，实现了宽温度范围消热差的设计目标。
本发明是通过以下技术方案实现的：用于红外成像的光学系统从物方至像方按顺序由第一透镜1，第二透镜2，第三透镜3，第四透镜4，第五透镜5，第六透镜6，第七透镜7，杜瓦窗口8，孔径光阑9组成。该光学系统以红外探测器的冷光阑为其孔径光阑。来自物方的光束依次通过第一透镜1，第二透镜2，第三透镜3，第四透镜4，第五透镜5，第六透镜6，第七透镜7，杜瓦窗口8，孔径光阑9，在像面10上成像。
第一透镜1是硫系玻璃材料制成的球面透镜，第二透镜2是锗球面透镜，第三透镜3是硫化锌球面透镜，第四透镜4是用硫系玻璃材料制成的球面透镜，第五透镜5是用硫系玻璃材料制成的球面透镜，第六透镜6是用锗材料制成的非球面透镜，其前表面为椭球面，后表面为标准球面，第七透镜7是硫化锌球面透镜，杜瓦窗口8是锗平行平板。
本光学系统在口径较小的第六片透镜上使用了圆锥曲面非球面来进一步消除像差与消除热差，优化像质，实现无热化的设计目标，控制了加工成本。
其中第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3共同组成了物镜，光阑位于第一透镜1之前，负责将无限远处入射的平行光汇聚到中间像面处。第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7共同组成了中继成像系统，负责将中间像面处的有限共轭物点再次成像到探测器焦平面上。光阑位于探测器冷光阑9的位置，物镜和中继成像系统可以在-60℃～+80℃宽温度范围之间实现像差的自动补偿。
采用光学被动式无热化理论设计光学系统时，需要同时考虑机械结构的材料热胀冷缩对系统像质的影响。在所述红外长波超宽温度消热差光机系统中，其各透镜之间的机械间隔隔圈材料为钛合金材料。它的线膨胀系数为8.8*10-6/mm，相对于铝材料而言，钛合金的线膨胀系数相对较小，同时相对于殷钢等材料而言，钛合金的密度小，质量相对较轻。
本发明的优点在于，它能够在-60℃～+80℃宽温度范围之间实现清晰稳定成像。
附图说明：
图1为本发明光学系统具体结构示意图。
图2为本发明的光学系统在常温+20℃条件下的调制传递函数。
图3为本发明的光学系统在低温-40℃条件下的调制传递函数。
图4为本发明的光学系统在低温-60℃条件下的调制传递函数。
图5为本发明的光学系统在高温+60℃条件下的调制传递函数。
图6为本发明的光学系统在高温+80℃条件下的调制传递函数。
图1中，1代表第一透镜，S1-1代表第一透镜前表面，S1-2代表第一透镜后表面，2代表第二透镜，S2-1代表第二透镜前表面，S2-2代表第二透镜后表面，3代表第三透镜，S3-1代表第三透镜前表面，S3-2代表第三透镜后表面，4代表第四透镜，S4-1代表第四透镜前表面，S4-2代表第四透镜后表面，5代表第五透镜，S5-1代表第五透镜前表面，S5-2代表第五透镜后表面，6代表第六透镜，S6-1代表第六透镜前表面，S6-2代表第六透镜后表面，7代表第七透镜，S7-1代表第七透镜前表面，S7-2代表第七透镜后表面。
具体实施方式：
按照附图1的示意图所标示，本发明的红外长波超宽温消热差光学系统，透镜组参数如下表所示。
关于非球面圆锥系数k，遵循下面的表面矢高公式：
其中z是表面矢高，c是表面顶点的曲率(曲率半径的倒数)，r是到表面顶点的半径坐标，k是圆锥系数。
本发明未经描述的技术特征可以通过现有技术实现，在此不再赘述。当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，例如把非球面改为二元衍射面，也应属于本发明的保护范围。
表1
| 面序号 | 表面类型 | 曲率半径(mm) | 厚度(mm) | 材料 | 圆锥系数(k) |
| S1-1 | 球面 | 111.356 | 10.66 | IRG201 | 0 |
| S1-2 | 球面 | -196.486 | 0.84 | 0 | |
| S2-1 | 球面 | -177.172 | 11.02 | 锗 | 0 |
| S2-2 | 球面 | -429.845 | 4.32 | 0 | |
| S3-1 | 球面 | 831.114 | 11.04 | 硫化锌 | 0 |
| S3-2 | 球面 | 174.169 | 137.39 | 0 | |
| S4-1 | 球面 | -10.116 | 2.86 | IRG201 | 0 |
| S4-2 | 球面 | -12.391 | 11.20 | 0 | |
| S5-1 | 球面 | 51.745 | 7.28 | IRG201 | 0 |
| S5-2 | 球面 | -265.822 | 1.53 | 0 | |
| S6-1 | 非球面 | 27.48 | 4.21 | 锗 | -0.064 |
| S6-2 | 球面 | 25.099 | 2.33 | 0 | |
| S7-1 | 球面 | 48.679 | 4.22 | 硫化锌 | 0 |
| S7-2 | 球面 | 23.201 | 6.22 | 0 | |
| S8-1 | 平面 | ∞ | 1.50 | 锗 | 0 |
| S8-2 | 平面 | ∞ | 2.00 | 0 | |
| 孔径光阑 | 平面 | ∞ | 8.50 | 0 | |
| 像面 | 平面 | ∞ | -- | -- | -- |
Claims (2)
1.一种-60℃至+80℃红外超宽温消热差光学系统，其结构为：来自物方的平行光束依次通过第一透镜(1)，第二透镜(2)，第三透镜(3)，第四透镜(4)，第五透镜(5)，第六透镜(6)，第七透镜(7)，杜瓦窗口(8)，孔径光阑(9)，在像面(10)上成像；其特征在于：
所述的第一透镜(1)、第二透镜(2)、第三透镜(3)组成了物镜，负责将无限远处入射的平行光汇聚到中间像面处，光阑位于第一透镜(1)之前，所述的第四透镜(4)、第五透镜(5)、第六透镜(6)、第七透镜(7)共同组成了中继成像系统，负责将中间像面成像至像面(10)；
所述的第一透镜(1)、第三透镜(3)、第四透镜(4)、和第五透镜(5)是硫系玻璃制成的球面透镜，所述的第二透镜(2)是用锗制成的球面透镜，所述的第六透镜(6)是用锗材料制成的圆锥曲面透镜，其前表面是椭球面，所述的第七透镜(7)是用硫化锌制成的球面透镜，所述的杜瓦窗口(8)是锗材料的平行平板；所述的孔径光阑(9)与红外探测器冷光阑位置和大小重合。
2.根据权利要求1所述的一种-60℃至+80℃红外超宽温消热差光学系统，其特征在于，在所述的红外超宽温度消热差光学系统中，各透镜之间的光学间隔采用钛合金隔圈隔离。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20150701 |