CN111025607A - 一种长波红外低温光学镜头 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种长波红外低温光学镜头，解决现有红外光学镜头由于自身存在热辐射，影响仪器探测灵敏度和能力的问题。该镜头包括低温箱、以及从左至右依次设置的主次镜组、分光镜、准直镜、长波投影镜组；低温箱的左侧开设有输入口；主次镜组采用卡塞格林系统，由一个抛物面的主反射镜和一个双曲面次反射镜构成；分光镜为光谱分光镜；准直镜是一个正光焦度弯向物方的弯月透镜，且位于低温箱外；长波投影镜组包括从左至右依次设置的窗口、第一透镜、补偿镜、滤色片轮、第二透镜、第三透镜、第四透镜；窗口包括两个无光焦度的平板，且位于低温箱的输入口；第一透镜、补偿镜、滤色片轮、第二透镜、第三透镜、第四透镜均位于低温箱内。
Description
技术领域
本发明涉及一种低温光学镜头，具体涉及一种长波红外低温光学镜头。
背景技术
随着现代红外探测技术的发展，对仪器探测能力的要求也越来越高。当需要探测的目标信号十分微弱时，探测器的背景辐射主要来自仪器本身的光学系统和支撑结构，为了减少这一热噪声，需要将光学系统以及相关部件冷却到一定程度，才能够明显减少背景光子的通量，进而提高仪器的探测灵敏度与能力，因此迫切需要设计一种能有效抑制自身热辐射的光学镜头。
发明内容
为了解决现有红外光学镜头由于自身存在热辐射，影响仪器探测灵敏度和能力的技术问题，本发明提供了一种长波红外低温光学镜头。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种长波红外低温光学镜头，其特殊之处在于：包括低温箱、以及从左至右依次设置的主次镜组、分光镜、准直镜、长波投影镜组，主次镜组的左侧为物面，长波投影镜组的右侧为像面；所述低温箱的左侧开设有输入口；所述主次镜组采用卡塞格林系统，由一个抛物面的主反射镜和一个双曲面次反射镜构成；所述分光镜为光谱分光镜，用于对长波红外波段光束透射；所述准直镜是一个正光焦度弯向物方的弯月透镜，且位于低温箱外；所述长波投影镜组包括从左至右依次设置的窗口、第一透镜、补偿镜、滤色片轮、第二透镜、第三透镜、第四透镜；所述窗口包括两个无光焦度的平板，且位于低温箱的输入口；所述第一透镜、补偿镜、滤色片轮、第二透镜、第三透镜、第四透镜均位于低温箱内，第一透镜是一个正光焦度弯向像方的弯月透镜，补偿镜用于补偿分光镜引入的系统像散，滤色片轮用于选择不同的滤色片，第二透镜为一个正光焦度弯向物方的弯月透镜，第三透镜为一个负光焦度弯向像方的弯月透镜，第四透镜为一个正光焦度弯向物方的弯月透镜。
进一步地，所述主反射镜和次反射镜的材料为微晶；
所述分光镜、准直镜、窗口、第一透镜、补偿镜、滤色片轮、第二透镜、第三透镜及第四透镜分别为锗材料、锗材料、锗材料、锗材料、锗材料、锗材料、锗材料、硫化锌材料、锗材料。
进一步地，所述补偿镜是一个无光焦度的锗平板；
所述滤色片轮是一个均布两种不同波段合计四片滤色片的转盘。
进一步地，沿光轴自左至右；
所述准直镜的厚度为12mm；其前表面为球面，曲率半径为-369.97；后表面为球面，曲率半径为-201.53。
进一步地，所述第一透镜的厚度为10.33mm；其前表面为球面，曲率半径为94.1；后表面为球面，曲率半径为110.08。
进一步地，所述第二透镜的厚度为12.01mm；其前表面为非球面，曲率半径为-105.1，非球面系数为A＝-1.38×10-6，B＝1.49×10-10；
后表面为非球面，曲率半径为-66.52，非球面系数A＝-4.90×10-7,B＝2.98×10-11。
进一步地，所述第三透镜的厚度为12.01mm；其前表面为球面，曲率半径为26.84；后表面为球面，曲率半径为13.69。
进一步地，所述第四透镜的厚度为10.01mm；其前表面为非球面，曲率半径为-144.16，非球面系数为A＝-1.77×10-5，B＝-1.55×10-8；
后表面为非球面，曲率半径为-44.92，非球面系数为A＝-9.41×10-6，B＝-2.49×10-9。
进一步地，所述分光镜为双色光谱分光镜，透射长波红外7.7μm～9.3μm波段光束，反射中波红外3.7μm～4.8μm波段光束。
进一步地，所述低温箱采用气体轴承斯特林制冷机抽真空制冷方式制冷。
与现有技术相比，本发明的优点是：
本发明长波红外低温光学镜头，口径350mm，焦距700mm，视场0.78°×0.62°(对角线1.00°)，工作波段7.7μm～9.3μm，工作环境温度-55℃～+60℃，制冷温度-110℃，能同时实现主次镜组宽温工作和长波投影镜组低温工作，通过对长波投影镜组制冷，有效抑制自身热辐射，降低背景噪声，从而实现高灵敏度红外探测；具有结构紧凑、重量轻、成像质量好的特点。
附图说明
图1为本发明长波红外低温光学镜头光学系统结构图；
图2为本发明长波红外低温光学镜头光学系统光路图；
图3为本发明空间频率为33lp/mm，长波红外低温光学镜头光学系统MTF曲线图；
图4为本发明长波红外低温光学镜头光学系统包围圆能量图；
图5为本发明长波红外低温光学镜头光学系统球差、场曲和畸变曲线图；
图6为本发明长波红外低温光学镜头光学系统-55℃时系统调焦后MTF曲线图；
图7为本发明长波红外低温光学镜头光学系统-55℃时系统调焦后的包围圆能量图；
图8为本发明长波红外低温光学镜头光学系统+60℃时系统调焦后MTF曲线图；
图9为本发明长波红外低温光学镜头光学系统+60℃时系统调焦后的包围圆能量图；
其中，附图标记如下：
1-主反射镜，2-次反射镜，3-分光镜，4-准直镜，5-窗口，6-第一透镜，7-补偿镜，8-滤色片轮，9-第二透镜，10-第三透镜，11-第四透镜，12-低温箱。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。
如图1、图2和表1所示，一种长波红外低温光学镜头采用折反射式光学系统，包括低温箱12、以及从左至右依次设置的主次镜组、分光镜3、准直镜4、长波投影镜组，长波投影镜组包括从左至右依次设置的窗口5、第一透镜6、补偿镜7、滤色片轮8、第二透镜9、第三透镜10、第四透镜11，主次镜组的左侧为物面，长波投影镜组的右侧为像面；光学系统采用三次成像系统，目标经主反射镜1和次反射镜2反射后成像于一次像面，经分光镜3、准直镜4、窗口5、第一透镜6、补偿镜7、滤色片轮8透射后成像于二次像面，经第二透镜9、第三透镜10、第四透镜11透射后最终成像于探测器靶面。通过低温箱12对长波投影镜组制冷，降低红外系统自身的热辐射。
主次镜组(主光学系统)为主反射镜1和次反射镜2组成的卡塞格林光学系统，主要用于收集目标的能量，将无穷远目标成像于一次像面；分光镜3为一个双色光谱分光镜，同时可以透射长波红外7.7μm～9.3μm波段光束，反射中波红外3.7μm～4.8μm波段光束，预留一路中波红外通道，可根据实际需要，构成长波红外与中波红外共用一个主次镜组的双波段一体化光学系统的结构形式，系统具有结构紧凑、重量轻、无视差、成像质量好的优点。
低温箱12的左侧开设有输入口，准直镜4位于低温箱12外；窗口5是两个无光焦度的平板，且位于低温箱12的输入口；第一透镜6、补偿镜7、滤色片轮8、第二透镜9、第三透镜10、第四透镜11均位于低温箱12内。
主反射镜1为抛物面，次反射镜2为双曲面，分光镜3是一个无光焦度的平板，准直镜4为一个正光焦度弯向物方的弯月锗透镜，窗口5为两个无光焦度的锗平板，第一透镜6为一个正光焦度弯向像方的弯月锗透镜，补偿镜7为一个无光焦度的锗平板，用于补偿分光镜3引入的系统像散，滤色片轮8是一个均布两种不同波段合计四片滤色片的转盘，用于系统选择不同的滤色片，所有滤色片均为无光焦度的锗平板，第二透镜9为一个正光焦度弯向物方的弯月锗透镜，第三透镜10为一个负光焦度弯向像方的弯月硫化锌透镜，第四透镜11为一个正光焦度弯向物方的弯月锗透镜。
本实施例光学镜头各透镜的具体参数见下表1单位：mm
表1
本实施例光学镜头口径350mm，焦距700mm，相对孔径1/2，视场0.78°×0.62°对角线1.00°，工作波段7.7μm～9.3μm，工作环境温度-55℃～+60℃，制冷温度-110℃，能同时实现主次镜组宽温工作和长波投影镜组低温工作，通过对长波投影镜组制冷，有效抑制自身热辐射，降低背景噪声，从而实现高灵敏度红外探测，适用于分辨率640×512，像元间距15μm×15μm，冷屏F数为F2，冷屏距为19.8mm的制冷型长波红外热像仪。
本实施例后端长波投影镜组采用气体轴承斯特林制冷机抽真空制冷方式，真空度≤3×10-3Pa。气体轴承斯特林制冷机是所有制冷机中体积最小、重量最轻、效率最高以及寿命最长的制冷机，从而有效保证了镜头的体积、重量、制冷效率和寿命。
主反射镜1相对孔径1/1.23，主次镜组焦距1400mm，长波投影镜组的放大率为0.5，长波投影镜组为倍率缩小系统，有利于控制整个系统的外形尺寸。主次镜组无热化主要通过机械设计保证，主反射镜1的材料选用低膨胀系数玻璃——微晶，主反射镜1线胀系数-0.51×10-7，次反射镜2线胀系数0.33×10-7，同时镜筒材料也选用低膨胀系数材料——殷钢，线胀系数-0.28×10-7，这样可保证主次镜组基本不随温度变化而变化；长波投影镜组采用低温设计，为保证整个系统组合后的可靠性，设计时，将二次成像系统中部设计为平行光，即设置一调整环节：准直镜4，通过准直镜4来实现宽温主次镜组和低温长波投影镜组的相互补偿，，同时在二次成像系统的像面处放置一视场光阑，既有利于抑制机械结构的热辐射又有利于解决光学系统与探测器冷屏匹配问题。
光学系统中所用透镜材料的膨胀系统及温度折射率系数如表2所示：
表2材料膨胀系数及温度折射率系数
图3为长波红外低温光学镜头光学系统MTF曲线图。光学传递函数MTF曲线能全面描述系统的成像质量，是衡量系统成像质量最重要的指标。如图3所示，在空间频率33lp/mm时，光学系统轴上传递函数大于0.27，轴外0.7视场的子午传递函数大于0.25，轴外0.7视场的弧矢传递函数大于0.26。图4为长波红外低温光学镜头光学系统包围圆能量，约有27％的能量集中在探测器的1个像元内，光学系统的能量集中度较好。图5为长波红外低温光学镜头光学系统球差、场曲和畸变曲线图。从图中可以看出，长波红外低温光学镜头光学系统的传函MTF接近衍射极限，具有较高的成像质量，完全满足对目标探测的需要。
图6、图7分别为长波红外低温光学镜头光学系统-55℃时系统通过调焦后的传函MTF和包围圆能量。图8、图9分别为长波红外低温光学镜头光学系统+60℃时系统通过调焦后的传函MTF和包围圆能量。当光学系统工作环境的温度变化时，在室温下装配调整的系统会产生像面偏移。当这种偏移量超过光学系统的焦深后，在不进行像面调整的情况下会造成光学系统的MTF下降及弥散斑扩大，从而影响系统光学性能。本发明中，主次镜组不进行制冷，长波投影镜组工作在低温箱12中，因此，主要考虑主次镜组随温度变化对整系统产生的影响。主要考虑微晶材料的线膨胀系数，锗材料的折射率温度系数及线膨胀系数，镜筒材料殷钢及镜片安装材料钛合金等的线膨胀系数，以室温20℃的设计像面为参考像面，将不同环境温度下系统焦距变化量、调焦量和像差结果列于表2。
表2温度变化对长波红外低温光学镜头光学系统的影响
| 温度℃ | -55 | -30 | -5 | +20 | +40 | +60 |
| Δf′(焦距变化量mm) | -6.96 | -4.69 | -2.39 | 0 | 1.75 | 3.51 |
| Δl调焦量mm | 1.57 | 1.05 | 0.53 | 0 | -0.4 | -0.80 |
| 相对畸变(％)(1.0视场) | -1.65 | -1.66 | -1.67 | -1.68 | -1.68 | -1.69 |
| RMS弥散直径(μm)(0.7视场) | 8.10 | 8.09 | 8.01 | 7.71 | 7.87 | 8.11 |
| MTF(子午0.7视场)33lp/mm | 0.254 | 0.255 | 0.255 | 0.255 | 0.256 | 0.254 |
| MTF(弧矢0.7视场)33lp/mm | 0.268 | 0.269 | 0.269 | 0.269 | 0.268 | 0.267 |
通过对比上表的数据可以看出，当工作环境温度在-55℃～+60℃变化时，长波红外低温光学镜头需要调焦-0.80mm～1.57mm，系统经过调焦后的成像质量基本不发生变化，也就是说，当工作环境温度在-55℃～+60℃变化时，长波红外低温光学镜头仍然能够正常工作，且具有较高的成像质量。
以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴。
Claims (10)
1.一种长波红外低温光学镜头，其特征在于：包括低温箱(12)、以及从左至右依次设置的主次镜组、分光镜(3)、准直镜(4)、长波投影镜组，主次镜组的左侧为物面，长波投影镜组的右侧为像面；
所述低温箱(12)的左侧开设有输入口；
所述主次镜组采用卡塞格林系统，由一个抛物面的主反射镜(1)和一个双曲面次反射镜(2)构成；
所述分光镜(3)为光谱分光镜，用于对长波红外波段光束透射；
所述准直镜(4)是一个正光焦度弯向物方的弯月透镜，且位于低温箱(12)外；
所述长波投影镜组包括从左至右依次设置的窗口(5)、第一透镜(6)、补偿镜(7)、滤色片轮(8)、第二透镜(9)、第三透镜(10)、第四透镜(11)；
所述窗口(5)包括两个无光焦度的平板，且位于低温箱(12)的输入口；
所述第一透镜(6)、补偿镜(7)、滤色片轮(8)、第二透镜(9)、第三透镜(10)、第四透镜(11)均位于低温箱(12)内，第一透镜(6)是一个正光焦度弯向像方的弯月透镜，补偿镜(7)用于补偿分光镜(3)引入的系统像散，滤色片轮(8)用于选择不同的滤色片，第二透镜(9)为一个正光焦度弯向物方的弯月透镜，第三透镜(10)为一个负光焦度弯向像方的弯月透镜，第四透镜(11)为一个正光焦度弯向物方的弯月透镜。
2.根据权利要求1所述长波红外低温光学镜头，其特征在于：所述主反射镜(1)和次反射镜(2)的材料为微晶；
所述分光镜(3)、准直镜(4)、窗口(5)、第一透镜(6)、补偿镜(7)、滤色片轮(8)、第二透镜(9)、第三透镜(10)及第四透镜(11)分别为锗材料、锗材料、锗材料、锗材料、锗材料、锗材料、锗材料、硫化锌材料、锗材料。
3.根据权利要求2述长波红外低温光学镜头，其特征在于：所述补偿镜(7)是一个无光焦度的锗平板；
所述滤色片轮(8)是一个均布两种不同波段合计四片滤色片的转盘。
4.根据权利要求3述长波红外低温光学镜头，其特征在于：沿光轴自左至右；
所述准直镜(4)的厚度为12mm；其前表面为球面，曲率半径为-369.97；后表面为球面，曲率半径为-201.53。
5.根据权利要求4述长波红外低温光学镜头，其特征在于：所述第一透镜(6)的厚度为10.33mm；其前表面为球面，曲率半径为94.1；后表面为球面，曲率半径为110.08。
6.根据权利要求5述长波红外低温光学镜头，其特征在于：所述第二透镜(9)的厚度为12.01mm；其前表面为非球面，曲率半径为-105.1，非球面系数为A＝-1.38×10-6，B＝1.49×10-10；
后表面为非球面，曲率半径为-66.52，非球面系数A＝-4.90×10-7,B＝2.98×10-11。
7.根据权利要求6述长波红外低温光学镜头，其特征在于：所述第三透镜(10)的厚度为12.01mm；其前表面为球面，曲率半径为26.84；后表面为球面，曲率半径为13.69。
8.根据权利要求7述长波红外低温光学镜头，其特征在于：
所述第四透镜(11)的厚度为10.01mm；其前表面为非球面，曲率半径为-144.16，非球面系数为A＝-1.77×10-5，B＝-1.55×10-8；
后表面为非球面，曲率半径为-44.92，非球面系数为A＝-9.41×10-6，B＝-2.49×10-9。
9.根据权利要求1至8任一所述长波红外低温光学镜头，其特征在于：所述分光镜(3)为双色光谱分光镜，透射长波红外7.7μm～9.3μm波段光束，反射中波红外3.7μm～4.8μm波段光束。
10.根据权利要求1至8任一所述长波红外低温光学镜头，其特征在于：所述低温箱(12)采用气体轴承斯特林制冷机抽真空制冷方式制冷。
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