CN110632738A - 一种大口径长波红外的光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于长波红外波段的光学设计领域，尤其涉及一种大口径长波红外的光学系统，从物面到焦面依次设有第一正弯月透镜、第一负弯月透镜、第二正弯月透镜、第二负弯月透镜、第三正弯月透镜和负透镜；第一正弯月透镜采用锗透镜为首镜，相对于硫系玻璃，具有优良的理化性能，能够制作更大的口径的光学系统；采用锗、硫系玻璃和砷化镓透镜的搭配，实现大口径长焦距约束下的消热差，光学系统在‑40℃～60℃范围内保持良好的成像质量。
Description
技术领域
本发明属于长波红外波段的光学设计领域，尤其涉及一种大口径长波红外的光学系统。
背景技术
长波红外光学成像设备经常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，使成像质量严重下降。长波红外光学系统的消热差设计是通过一定的机械、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，避免在使用过程中对光学系统进行主动调焦。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。
当前设计的长波非制冷消热差光学系统，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。但是硫系玻璃光学均匀性、应力双折射等性能不稳定，用作大口径透镜材料时容易导致光学系统的成像质量变差。同时其理化性能较差，在大口径透镜上加工非球面和镀膜难度大。
在中国专利CN103995344B中公布了一种透射式非制冷长波红外光学系统，采用硒化锌作为第一透镜材料，系统口径仅为65mm，如果口径变大则材料价格急剧上升。
在中国专利CN109116526A中公开了一种长波红外大孔径大通光量光学无热化镜头及其成像方法，该光学镜头虽然利用材料的搭配实现了较大的口径下的无热化，但其口径仅100mm，但由于其口径最大的第一片光学材料采用硫系玻璃，而硫系玻璃是一种微晶化玻璃材料，其光学均匀性、应力双折射和条纹度等性能不稳定，用于大口径透镜上易导致系统成像质量降低；其理化性能不足也使得膜层镀制较为困难。
以上介绍的现有长波红外消热差光学系统，增大光学系统口径会遇到大口径光学材料较为昂贵或者性能不稳定等现象，需要新的思路来解决上述问题。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题提供一种大口径长波红外的光学系统，其结构简单，适用于长波红外波段的大口径小F#的无热化光学设计，其口径高达160mm。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种大口径长波红外的光学系统，从物面到焦面依次设有第一正弯月透镜、第一负弯月透镜、第二正弯月透镜、第二负弯月透镜、第三正弯月透镜和负透镜，所述第一正弯月透镜由锗制成，所述第一负弯月透镜由锗制成，所述第二正弯月透镜由硫系玻璃制成，所述第二负弯月透镜由砷化镓制成，所述第三正弯月透镜由硫系玻璃制成，所述负透镜由锗制成。
所述第一正弯月透镜为球面的锗材料，所述第一负弯月透镜靠近物面一侧的镜面形为非球面，该光学系统还包括镜筒，所述镜筒由铝合金或钛合金制成。
本发明光学系统工作于8μm～12μm的长波红外波段，其焦距为200mm，相对口径F#为1.2，所述光学系统在-40℃～60℃内消热差，具有良好的成像质量。
本发明的技术效果在于，提供了一种结构简单适用于长波红外波段的光学系统。本发明采用了铝合金或钛合金制成的镜筒，仅采用了光学材料的合理选择与分配，完成了光学被动消热差，降低了光学系统结构的成本，在温度变化范围较大区域中其可靠性强。本发明并没有采用二元光学来消系统热差和色差，从而避免了光学系统衍射效率不足以及加工难度高的缺点。
本发明第一正弯月透镜采用锗材料，相对于传统方案经常采用的硫系玻璃，光学均匀性、条纹度和应力双折射等性能都较为优良，同时理化性能优于硫系玻璃，能够设计并加工口径超过160mm的镜片，增加非球面也较为简单。本发明的系统焦距长达200mm，口径超过160mm。
附图说明
图1是本发明的光学系统示意图；
图2为本发明在20℃温度的光学传递函数图；
图3为本发明在-40℃温度的光学传递函数图；
图4为本发明在60℃温度的光学传递函数图。
附图中，各标号所代表的部件如下：1、第一正弯月透镜，2、第一负弯月透镜，3、第二正弯月透镜，4、第二负弯月透镜，5、第三正弯月透镜，6、负透镜。
具体实施方式
以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
在光学理论分析和建模时，被动消热差像差设计将热离焦和热色差看做初级像差，与七种初级像差组合，形成理想透镜消热差成完善像的条件式如下：
上述公式中，h为入射光高度，φ为光焦度，ν为阿贝系数，T为温度， a为热膨胀系数，L为镜筒长度。即在设计过程中需要解决变焦系统的九种初级像差平衡问题。
如图1所示，是本发明的理想透镜模型图，在以上理论分析基础上建立了一个消热差的设计模型，硫化玻璃、锗和砷化镓等材料的组合，使得系统在设计温度范围内探测器始终在焦深范围内。
如图1所示一种大口径长波红外的光学系统，从物面到焦面依次设有第一正弯月透镜1、第一负弯月透镜2、第二正弯月透镜3、第二负弯月透镜4、第三正弯月透镜5和负透镜6，所述第一正弯月透镜1由锗制成，所述第一负弯月透镜2由锗制成，所述第二正弯月透镜3由硫系玻璃制成，所述第二负弯月透镜4由砷化镓制成，所述第三正弯月透镜5由硫系玻璃制成，所述负透镜6由锗制成。
所述第一正弯月透镜1为球面的锗材料，所述第一负弯月透镜2靠近物面一侧的镜面形为非球面，该光学系统还包括镜筒，所述镜筒由铝合金或钛合金制成。
接下来，为了更好地清楚说明上述技术原理，在本实施例中将该光学设计结构应用于光圈F#1.2(F#即为光圈数，是相对孔径口径与焦距之比的倒数，即F＝f/D)的长红外非制冷探测器上，其波段范围为8μm～12μm，像元尺寸为12μm×12μm，像元数为1280×1024。该设计中的镜片材料采用了硫系玻璃、锗和砷化镓三种材料。如图1所示，本系统为匹兹万结构，其中第一弯月正透镜1为锗，承担本光学系统主要的光焦度，其阿贝系数接近 1000，仅仅产生少量的色差。第一负弯月透镜2、第二正弯月透镜3、第二负弯月透镜4和第三正弯月透镜5分别为锗、硫系玻璃、砷化镓和硫系玻璃，其组合主要用于矫正光学系统口径太大带来的球差，光谱较宽不可避免引入的色差以及离轴光线引入的慧差，同时平衡消热差；负透镜6为锗，主要用于平衡场曲以及进一步降低系统的热差。最终光线聚焦到探测器上，完成对目标的成像。
设计中，各组镜头分别校正了七种初级像差，热差则根据镜筒长度予以平衡，并通过全系统匹配予以整合。在本设计中，镜筒材料的优选为普通铝合金而无需其他特殊材料，该材料在-40℃～60℃内具有较好的像质。为了或得更加优异的设计结果，可以采用其他热膨胀系数更好的材料。
为进一步校正残余像差和平衡部分热差，在中间镜组至少使用一个非球面。在本实施例中，第一负弯月透镜(2)靠近物面一侧的镜面形为非球面。
设计完成后，系统总长约250mm，口径约166mm，焦距为200mm。
表一所示是本实施例的详细结构参数。表中曲率半径的单位是mm,厚度的单位是mm。
表一
图2至图4分别是是本发明在不同温度的光学传递函数图(MTF)，其中图2是20℃的MTF，图3是-40℃的MTF,图4是60℃的MTF，系统的传递函数在35lp/mm时均大于0.35，整个温度范围内波动不超过5％，确保系统成像具有良好的质量。
本设计可以作为军警民用监控、搜索与跟踪瞄准等的光学系统。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种大口径长波红外的光学系统，其特征在于，从物面到焦面依次设有第一正弯月透镜(1)、第一负弯月透镜(2)、第二正弯月透镜(3)、第二负弯月透镜(4)、第三正弯月透镜(5)和负透镜(6)，其特征在于：所述第一正弯月透镜(1)由锗制成，所述第一负弯月透镜(2)由锗制成，所述第二正弯月透镜(3)由硫系玻璃制成，所述第二负弯月透镜(4)由砷化镓制成，所述第三正弯月透镜(5)由硫系玻璃制成，所述负透镜(6)由锗制成。
2.根据权利要求1所述一种大口径长波红外的光学系统，其特征在于，所述第一正弯月透镜(1)为球面的锗材料。
3.根据权利要求1所述一种大口径长波红外的光学系统，其特征在于，所述第一负弯月透镜(2)靠近物面一侧的镜面形为非球面。
4.根据权利要求1所述一种大口径长波红外的光学系统，其特征在于，还包括镜筒，所述镜筒由铝合金或钛合金制成。
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