CN112882210B

CN112882210B - 一种非制冷型中长波宽波段共焦红外光学系统

Info

Publication number: CN112882210B
Application number: CN202110142328.7A
Authority: CN
Inventors: 许求真; 高良
Original assignee: Kunming Yunzhe High Tech Co ltd
Current assignee: Kunming Yunzhe High Tech Co ltd
Priority date: 2021-02-02
Filing date: 2021-02-02
Publication date: 2022-07-29
Anticipated expiration: 2041-02-02
Also published as: CN112882210A

Abstract

本发明属于一种红外光学系统，特别是公开了一种非制冷型中长波宽波段光学系统，包括从物面到焦面依次排列固联的物镜组、成像镜组、滤光片；所述物镜组、成像镜组、滤光片中心轴线同轴，物镜组和成像镜组均具有正光焦度，物镜组为四分离透镜结构，从物面至焦面沿光轴方向依次为第一正透镜、第一负透镜、第二正透镜和第二负透镜，成像镜组为单透镜结构，由第三正透镜构成，本发明光学系统采用普通红外光学材料，能够对与大孔径化相伴而生的像差良好地进行校正，可实现中长波红外宽波段范围的共焦成像，以及不小于F数1.1的相对孔径，并实现了光学系统的无热化，光学系统易于制造、成像品质高、稳定性好。

Description

一种非制冷型中长波宽波段共焦红外光学系统

技术领域

本发明属于一种红外光学系统，特别是涉及一种非制冷型中长波宽波段光学系统，具备被动消热差功能。

背景技术

氧化钒或非晶硅型非制冷红外焦平面探测器属于热电偶型探测器，可响应宽波段范围内的热红外信号，在工业监测、安防监控等领域有着广泛应用。而且，随着该类非制冷型焦平面探测器灵敏度地不断提高，其可实现对诸如VOCs(挥发性有机物)、六氟化硫等有害或示踪气体的探测，替代以往价格高昂的制冷型红外探测器，使得应用该类探测器红外成像设备的低成本化成为可能。但受制该类探测器的工作原理，相对制冷型探测器，非制冷红外探测器灵敏度较低，在探测器性能一定的情况下，若要实现更高的灵敏度度，就要求光学系统的大相对孔径化，一些特殊应用领域还要求光学系统具备无热化功能，这些都对大相对孔径非制冷型中长波宽波段红外光学系统的研发提出了迫切需求。

现有技术中采用的3μm～14μm中红外-长波红外探测设备主要采用分孔径透射式系统和共孔径反射式系统。在采用透射元件的设计中，由于涉及到3μm～14μm宽波段，可选用的光学材料较少，多采用中波红外与长波红外分孔径的设计，难于实现小型化，或采用特殊材料，难于制造；在采用反射元件的设计中，现有技术多采用三反或四反式设计结构，虽然反射式设计不存在色差及天然消热差的特性，但三反或四反式设计加工、装调都较为困难。

对于一些文献公开的中长波宽波段光学系统，要么不共焦，要么难于制造，要么未实现无热化。

中国专利CN 102980657B公开了一种红外中长波光谱成像光学系统，该系统工作波段为3μm～12μm，焦距60mm，视场角9.8°，F数为1.0。所述发明采用不同厚度的带通平行平板滤色片补偿光学镜头窄波段成像时的离焦问题，光学镜头本身并未实现宽波段范围共焦面设计。

中国专利CN 105319669B公开了一种双波段红外光学系统，所述光学结构共用了六片透镜，工作波段为3.7μm～4.8μm和8μm～12μm中长波双波段；美国专利US 7369303公开的另一种非制冷型中长波双波段红外光学系统，其焦距为1.72inches，F数为1.25，半视场角为22.5°，但其工作波段为3μm～5μm和8μm～12μm，均未能实现3μm～14μm的宽工作波段，且不具备无热化功能。

另外，中国专利CN 104516110A中给出了针对中长波红外双波段的分焦面设计，而中专利CN 110398828A给出的则是分孔径分焦面的设计，均无法实现对中长波宽波段范围的共焦成像。

而，中国专利CN 1042979088、CN 105317488、CN 202794679U，美国专利US6423969等均是针对制冷型中长波红外探测器设计，相对孔径较小，难以满足非制冷型宽波段探测器的使用要求。美国专利US 4871219虽是针对非制冷探测器设计，但也存在相对孔径小的问题。

2013年，刊载于Optical Engineering第56卷第6期，第061308-1～11页的文献《Optical design of common aperture,common focal plane,multispectral opticsfor military applications》公开了一种三反光学设计，整个光学系统焦距为50mm,F数为1.9,虽然整个系统无中心遮拦、紧凑性好，但比之透射式系统仍具有较大体积，且三个反射面均为Zernike面，也加大三反系统加工与装调的难度。刊载于Journal of Optics 2014年第17卷，题为《Design of a low F-number freeform off-axis three-mirror systemwith rectangular field-of-view》的文献公开了另外一种三反结构，虽实现了更大的相对孔径，但仍具有实现困难的问题。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术存在的不足，提供一种宽波段，共焦面，大相对孔径，且易于加工制造的光学系统，尤其是中长波红外波段的光学系统。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种非制冷型中长波宽波段共焦红外光学系统，包括从物面到焦面依次排列固联的物镜组、成像镜组、滤光片；所述物镜组、成像镜组、滤光片中心轴线同轴，物镜组和成像镜组均具有正光焦度，物镜组为四分离透镜结构，从物面至焦面沿光轴方向依次为第一正透镜、第一负透镜、第二正透镜和第二负透镜，成像镜组为单透镜结构，由第三正透镜构成。可选的，光阑位于第一正透镜靠近物面侧表面。

本发明光学系统中各镜组如下：

物镜组包括自左向右中心轴线同轴排列的第一正透镜、第一负透镜、第二正透镜和第二负透镜。在光学系统的最靠物面侧，能够配置具有正光焦度且具有强宽波段色差校正能力的物镜组，有利于光学系统的宽波段化与大相对孔径化。

进一步地，物镜组的焦距为f200，一种非制冷型中长波宽波段共焦红外光学系统焦距为fL，f200和fL满足条件：

2.2<|f200/fL|<4.1 (1)

条件式(1)是对物镜组的焦距范围进行限定的式子。通过满足该条件式(1)，能够保证光学系统的大孔径化与宽波段化。在条件式(1)中若超过其上限，则物镜组的光焦度变大，对光学系统的宽波段化有利，但对大相对孔径化相伴的像差进行校正变得困难；若小于其下限，则对的大相对孔径化有利，但光学系统的宽波段色差校正变得困难而成为问题。

此外，成像镜组为单片式结构，由第三正透镜构成，设所述成像镜组的焦距为f100，f100和fL满足条件：

0.3<|f100/fL| (2)

条件式(2)是对物镜组的焦距范围进行限定的式子。通过满足该条件式(2)，能够保证对与大视场和大孔径化相伴而生的像差良好地进行校正，特别是能对非制冷型中长波宽波段共焦红外光学系统中的像散和场曲更好地进行校正。条件式(2)中若低于其下限，则成像镜组100的光焦度减小，对光学系统小型化有利，但特别是光学系统中像散和场曲的校正变得困难，光学性能劣化，影响成像质量。

第一正透镜7采用硫系材料，设第一正透镜的归化热差系数为T，归化热差系数

n为透镜材料的折射率，dn/dt为透镜材料的折射率/温度系数；α_g为透镜材料的膨胀系数，第一正透镜的归化热差系数T满足中以下条件式：

T<5×10^-5； (3)

条件式(3)是对第一正透镜7的消热性能进行限定的式子。通过满足该条件式(3)，能够保证对保证对与大视场和大孔径化相伴而生的色差和热差良好地进行校正，实现光学系统的无热化。条件式(3)中若高于其上限，则第一正透镜7消热性能下降，无法实现光学系统的无热化，影响成像质量。

如上，本发明的非制冷型中长波宽波段共焦红外光学系统，通过同时满足或满足多个上述各条件，能够实现体积小巧，结构紧凑，实现被动无热化，并具有中长波宽波段共焦面成像能力的光学系统。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明光学系统采用普通红外光学材料，能够对与大孔径化相伴而生的像差良好地进行校正，可实现中长波红外宽波段范围的共焦成像，以及不小于F数1.1的相对孔径，并实现了光学系统的无热化，光学系统易于制造、成像品质高、稳定性好。

2、本发明光学系统的物镜组、成像镜组、滤光片和探测器焦面中心轴线同轴，镜片总数为5片，光学系统结构紧凑，体积较小。

3、本发明光学系统中透镜采用了硒化锌或硫系玻璃材料、锗材料配合，均为普通红外光学材料，保证了技术的成熟度和延续性。当采用其他红外光学材料时，只需对所述各镜组光焦度做相应调整，即可获得相当或更为优良的成像性能。

4、本发明采用消除波段间色差和消各自波段内色差能力较强的材料配对组合，使得光学系统具有较好的色差较正特性。

5、本发明的透镜采用与镜筒材料线膨胀系数相匹配的材料组合和-45℃～65℃全温度范围内被动补偿的消热差方式，补偿了因镜筒材料温度变化造成的热胀冷缩而导致的离焦。

6、本发明所述光学系统光阑固定位于第一正透镜靠近物面一侧的位置，经后物镜组和成像镜组成像于像面侧很远距离处，构成准像方远心光路，可保证整个像面具有均匀的相对照度分布。

7、本发明所述光学系统具备3μm～14μm宽波段共焦成像能力，使一个光学系统兼具多种波段的探测能力，能够有效实现探测手段的小型化、轻量化和集成化，同时也能减轻光学调试的难度。

8、本发明光学系统放置在焦面前的滤光片可更换，当光学系统需要工作于不同谱段时，切入相应谱段的滤光片，即可获得对应谱段的光学影像。

9、本发明适用于各类军警民用监控、观察、瞄准、搜索、跟踪等用途。

附图说明

图1为本发明非制冷型中长波宽波段共焦红外光学系统透镜结构示意图；

图2为本发明非制冷型中长波宽波段共焦红外光学系统实施例的光路图；

图3为本发明非制冷型中长波宽波段共焦红外光学系统实施例的宽波段MTF评价示意图；

其中，附图标记如下：

1-焦面，2-滤光片，3-第三正透镜，4-第二负透镜，5-第二正透镜，6-第一负透镜，7-第一正透镜，100-成像镜组，200-物镜组。

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。

本实施例光学系统共5个镜片，从物面8到焦面1依次排列固联具有正折射力的第一正透镜7、具有负折射力第一负透镜6、具有正折射力的第二正透镜5、具有负折射力第二负透镜4、具有正折射力的第三正透镜3和滤光片2，在成像面配置非制冷焦平面探测器的受光面。

本实施例提供的光学系统，采用两组5片式结构，光学系统全系统的焦距＝50mm，工作波段：3μm～14μm，成像视场15.7°。

以下表1和表2表示与实施例所涉及的非制冷型中长波宽波段共焦红外光学系统相关的各种数值数据。

表1本实施例光学系统各透镜的具体参数(单位：mm)

表2本实施例光学系统的参数值

条件	参数值
		\|f200/fL\|	3.02
\|f100/fL\|	0.52
		T	2.1×10<sup>-5</sup>

本实施例的透镜采用与镜筒材料线膨胀系数相匹配的材料组合和-40℃～60℃全温度范围内被动补偿的消热差方式，补偿了因镜筒材料温度变化造成的热胀冷缩而导致的离焦。

本实施例中，采用的硫系玻璃材料可由其他归化热差系数相近的光学玻璃或晶体材料替换，此时只需对本光学结构中各镜片的曲率半径、厚度、镜片间隔等进行修改，即可在高低温下获得与本发明相近或更为优良的光学性能。

本实施例将该光学设计结构应用于制冷型焦平面探测器上，像元数为640×512，单个像元尺寸为17μm×17μm。

本实施例中，从第一正透镜7靠近物面8一侧的面到焦面1的总长小于65mm，各透镜最大口径约46mm，焦距为50mm。采用光圈数F#1.1。具有较小的体积、较轻的重量和较大的相对孔径。

从以上数据可以看出，采用本发明光学结构，仅使用2组5片普通红外光学材料透镜，即可实现3μm～14μm宽波段范围的共焦成像，不小于F数1.1的相对孔径，及光学系统的无热化，并且所述光学系统易于制造、成像品质高、稳定性好。

以上利用实施例对本发明的描述，其意图是示例性的，并不对本发明的保护范围起限制作用。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

1.一种非制冷型中长波宽波段共焦红外光学系统，包括从物面到焦面依次排列固联的物镜组、成像镜组、滤光片；所述物镜组、成像镜组、滤光片中心轴线同轴，其特征在于，物镜组和成像镜组均具有正光焦度，物镜组为四分离透镜结构，从物面至焦面沿光轴方向依次为第一正透镜、第一负透镜、第二正透镜和第二负透镜，成像镜组为单透镜结构，由第三正透镜构成；

第一正透镜物侧面为凸面，像侧面为凹面；

第一负透镜物侧面为凸面，像侧面为凹面；

第二正透镜物侧面为凸面，像侧面为凹面；

第二负透镜物侧面为凸面，像侧面为凹面；

第三正透镜为双凸镜；

所述物镜组的焦距为f200，成像镜组的焦距为f100，红外光学系统焦距为fL，光学系统满足条件：2.2<|f200/fL|<4.1，0.3<|f100/fL|；所述第一正透镜、第二正透镜、第三正透镜的材料均为硫系玻璃，第一负透镜的材料为硒化锌，第二负透镜的材料为锗，所述第一正透镜的归化热差系数T满足T<5×10^-5，其中归化热差系数T定义为

n为透镜材料的折射率，dn/dt为透镜材料的折射率/温度系数；α_g为透镜材料的膨胀系数。

2.根据权利要求1所述的一种非制冷型中长波宽波段共焦红外光学系统，其特征在于，光阑位于第一正透镜靠近物面侧表面。

3.根据权利要求1所述的一种非制冷型中长波宽波段共焦红外光学系统，其特征在于，第一正透镜的材料为IRG202，第二正透镜、第三正透镜的材料为IRG207。