CN114089513B - 一种-70℃~+100℃红外超宽温消热差光学系统 - Google Patents
一种-70℃~+100℃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‑70℃～+100℃红外超宽温消热差光学系统，包括：第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、杜瓦窗口和孔径光阑；第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、杜瓦窗口和孔径光阑按照从物方到像方的顺序依次设置；来自物方的光束依次经过第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、杜瓦窗口和孔径光阑后，在像面上成像。本发明所述的光学系统，在‑70℃～+100℃超宽温度范围之间，系统无需调焦，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，解决了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。
Description
技术领域
本发明属于红外热成像技术领域，尤其涉及一种-70℃～+100℃红外超宽温消热差光学系统。
背景技术
随着红外技术的发展，红外光学系统越来越多的运用于军民领域。相比于同焦距的非制冷探测系统，制冷红外系统具有更高的灵敏度，有更强的搜索发现能力，但与制冷型探测器匹配的红外光学系统的衍射极限更难达到，温度变化带来的像质变化更加明显且更加难以补偿。
典型的红外光学系统通常要求通过被动式光学设计实现无热化，即在-45℃～+55℃之间具有稳定的光学性能，而红外光学系统的成像质量受温度变化影响较大.具体来讲温度对光学系统成像质量的影响主要表现在：1)温度变化会引起光学材料折射率的变化，2)温度变化会引起光学镜片的曲率和中心厚度的变化，3)温度变化会引起镜片间距的变化。上述的变化会导致光学系统像面发生偏移，造成解析力下降，图像模糊，对比度下降等问题。
由于红外光学材料的折射率温度系数通常远大于可见光材料，因此温度对红外系统的像质影响更明显，如何在各种环境条件下保持红外光学系统成像质量与稳定性成为亟待解决的问题。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种-70℃～+100℃红外超宽温消热差光学系统，在-70℃～+100℃超宽温度范围之间，系统无需调焦，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，解决了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。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种-70℃～+100℃红外超宽温消热差光学系统，包括：第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、杜瓦窗口和孔径光阑；
第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、杜瓦窗口和孔径光阑按照从物方到像方的顺序依次设置；
来自物方的光束依次经过第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、杜瓦窗口和孔径光阑后，在像面上成像。
在上述-70℃～+100℃红外超宽温消热差光学系统中，第一透镜的物侧面为凸面，像侧面为凹面，具有负的光焦度。
在上述-70℃～+100℃红外超宽温消热差光学系统中，第二透镜的物侧面为凹面，像侧面为凸面，具有负的光焦度。
在上述-70℃～+100℃红外超宽温消热差光学系统中，第三透镜的物侧面为凹面，像侧面为凸面，具有正的光焦度。
在上述-70℃～+100℃红外超宽温消热差光学系统中，第四透镜的物侧面为凸面，像侧面为凸面，具有正的光焦度。
在上述-70℃～+100℃红外超宽温消热差光学系统中，第一透镜的焦距f1、第二透镜的焦距f2、第三透镜的焦距f3和第四透镜的焦距f4满足如下条件：
4.8＜f1/f2＜4.95
1＜f3/f4＜1.5。
在上述-70℃～+100℃红外超宽温消热差光学系统中，R11、R12、R21、R22、R31、 R32、R41和R42满足如下条件：
1.2＜R11/R12＜1.25
0.65＜R21/R22＜0.67
2.5＜R31/R32＜2.65
0.25＜R41/R42＜0.26
其中，R11和R12分别表示第一透镜的凸面曲率半径和凹面曲率半径；R21和R22分别表示第二透镜的凹面曲率半径和凸面曲率半径；R32和R41分别表示第三透镜的凹面曲率半径和凸面曲率半径；R41和R42分别表示第四透镜的凸面曲率半径和凹面曲率半径。
在上述-70℃～+100℃红外超宽温消热差光学系统中，
孔径光阑为红外探测器的冷光阑；
第一透镜为由锗材料制成的非球面Ⅰ，非球面Ⅰ的面型公式如下：
其中，Z表示非球面Ⅰ沿光轴方向在高度r位置时，距非球面Ⅰ顶点的距离矢高，R表示非球面Ⅰ面型中心的曲率半径，k表示圆锥系数，a2、a3和a4分别表示高次非球面系数；
第二透镜为由锗材料制成的非球面Ⅱ；
第三透镜是硒化锌的标准球面透镜；
第四透镜为衍射非球面Ⅰ，衍射非球面Ⅰ的面型公式如下：
其中，Φ表示衍射非球面Ⅰ对入射光线的相位改变，M表示衍射非球面Ⅰ的衍射级，N表示多项式系数的个数；Ai表示第i个扩展多项式系数，单位是弧度；ρ表示归一化的径向孔径极坐标；
杜瓦窗口为由硅材料制成的平行平板。
在上述-70℃～+100℃红外超宽温消热差光学系统中，
第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜之间采用机械结构间隔，机械结构采用铝合金材料制备得到；
-70℃～+100℃红外超宽温消热差光学系统的焦距为21mm，光圈为2，入瞳直径10.5mm，工作波段为3.7um～4.8um，全视场视场角为33°。
在上述-70℃～+100℃红外超宽温消热差光学系统中，-70℃～+100℃红外超宽温消热差光学系统采用的光焦度匹配公式、消色差公式和消热差公式分别为：
其中，hj表示第一近轴光线在各透镜的投射高度，φj表示第j个透镜的光焦度，n表示透镜的个数，n＝4，h1表示第一透镜的光焦度，表示系统的总光焦度，vj表示第j个透镜的色差系数，/>表示折射率温度系数，ag表示机械结构的线膨胀系数，p表示热差系数。
本发明具有以下优点：
(1)本发明公开了一种-70℃～+100℃红外超宽温消热差光学系统，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。本发明所述的系统在-70℃～+100℃超宽温度范围之间，无需调焦，在6m至无穷远处均能成像清晰，全视场传函均接近衍射极限，有效的提高了镜头的环境适应性。
(2)本发明公开了一种-70℃～+100℃红外超宽温消热差光学系统，通过合理的选择并匹配光学材料，选择合适的面型、厚度的透镜及透镜的间距，使得系统光学解析力提升。
(3)本发明公开了一种-70℃～+100℃红外超宽温消热差光学系统，选用了折射率温度系数较大的锗做第一透镜和第二透镜，折射率温度系数较小的硒化锌作为第三透镜，更好的消除了系统热差的影响；第四透镜采用非球面加二元衍射面的设计,更好的消除了系统的色差。
(4)本发明公开了一种-70℃～+100℃红外超宽温消热差光学系统，利用光学材料和机械结构材料的合理组合，选用线膨胀系数为23.6*10-6/mm的铝合金材料作为机械结构实现支撑，使系统在较大温度范围内保持良好的成像质量。
(5)本发明公开了一种-70℃～+100℃红外超宽温消热差光学系统，能够在 -70℃～+100℃宽温度范围内无需调焦实现清晰成像，像质均接近衍射极限，有效的提高了镜头的环境适应性。
附图说明
图1是本发明实施例中一种-70℃～+100℃红外超宽温消热差光学系统的结构示意图；
图2是本发明实施例中一种常温+20℃时光学系统的传递函数变化情况示意图；
图3是本发明实施例中一种低温-70℃时光学系统的传递函数变化情况示意图；
图4是本发明实施例中一种高温+100℃时光学系统的传递函数变化情况示意图；
其中，图2～4中的横坐标表示空间频率，纵坐标表示光学系统的传递函数。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。
本发明考虑到红外镜头由于红外材料有限，镜头色差较大较难校正，仅通过增加非球面的方式降低像差，势必会增加镜片的数量，采用衍射面可以更好地校准色差。近年来，随着激光辅助加工等精密加工设备的出现，衍射面的加工问题已逐步解决，利用硒化锌衍射面进行光学系统设计，可以减少光学系统的镜片数，进而减轻系统的重量，提高系统透过率。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 -70℃～+100℃红外超宽温消热差光学系统，在-70℃～+100℃超宽温度范围之间，无需调焦，在6m至无穷远处均能成像清晰，全视场传函均接近衍射极限，有效的提高了镜头的环境适应性。
如图1，在本实施例中，该-70℃～+100℃红外超宽温消热差光学系统，包括：第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、杜瓦窗口5和孔径光阑6。其中，第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、杜瓦窗口5 和孔径光阑6按照从物方到像方的顺序依次设置；来自物方的光束依次经过第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、杜瓦窗口5和孔径光阑6后，在像面7上成像。
在本实施例中，第一透镜1的物侧面为凸面，像侧面为凹面，具有负的光焦度。第二透镜2的物侧面为凹面，像侧面为凸面，具有负的光焦度。第三透镜3的物侧面为凹面，像侧面为凸面，具有正的光焦度。第四透镜4的物侧面为凸面，像侧面为凸面，具有正的光焦度。
在本实施例中，第一透镜1的焦距f1、第二透镜2的焦距f2、第三透镜3 的焦距f3和第四透镜4的焦距f4满足如下条件：
4.8＜f1/f2＜4.95
1＜f3/f4＜1.5
在本实施例中，R11、R12、R21、R22、R31、R32、R41和R42满足如下条件：
1.2＜R11/R12＜1.25
0.65＜R21/R22＜0.67
2.5＜R31/R32＜2.65
0.25＜R41/R42＜0.26
其中，R11和R12分别表示第一透镜1的凸面曲率半径和凹面曲率半径；R21和 R22分别表示第二透镜2的凹面曲率半径和凸面曲率半径；R32和R41分别表示第三透镜3的凹面曲率半径和凸面曲率半径；R41和R42分别表示第四透镜4的凸面曲率半径和凹面曲率半径。
在本实施例中，孔径光阑6为红外探测器的冷光阑；第一透镜1为由锗材料制成的非球面Ⅰ，第二透镜1为由锗材料制成的非球面Ⅱ，第三透镜3是硒化锌的标准球面透镜，第四透镜4为衍射非球面Ⅰ；杜瓦窗口5为由硅材料制成的平行平板。
优选的，非球面Ⅰ的面型公式如下：
其中，Z表示非球面Ⅰ沿光轴方向在高度r位置时，距非球面Ⅰ顶点的距离矢高，R表示非球面Ⅰ面型中心的曲率半径，k表示圆锥系数，a2、a3和a4分别表示高次非球面系数。
优选的，由于光学像差较为复杂，在设计中需要尝试将二元光学表面设置在哪个面才能达到较好的像差校正效果，实际过程中经综合考虑，本发明将二元衍射面设置在第四透镜4上，可以较好的校正系统像差。衍射非球面Ⅰ的面型公式如下：
其中，Φ表示衍射非球面Ⅰ对入射光线的相位改变，M表示衍射非球面Ⅰ的衍射级，N表示多项式系数的个数；Ai表示第i个扩展多项式系数，单位是弧度；ρ表示归一化的径向孔径极坐标。
在本实施例中，第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3和第四透镜4之间采用机械结构间隔，机械结构采用铝合金材料制备得到。
在本实施例中，该-70℃～+100℃红外超宽温消热差光学系统采用的光焦度匹配公式、消色差公式和消热差公式分别为：
其中，hj表示第一近轴光线在各透镜的投射高度，φj表示第j个透镜的光焦度，n表示透镜的个数，n＝4，h1表示第一透镜的光焦度，表示系统的总光焦度，vj表示第j个透镜的色差系数，/>表示折射率温度系数，ag表示机械结构的线膨胀系数，p表示热差系数。利用不同材料之间的合理组合以消除系统的温度的影响。
在本实施例中，该-70℃～+100℃红外超宽温消热差光学系统的焦距为21mm，光圈为2，入瞳直径10.5mm，工作波段为3.7um～4.8um，全视场视场角为33°。机械结构的线膨胀系数ag可取23.6*10-6/mm的铝合金制备得到，铝合金的密度较小，质量相对较轻且其造价便宜。当然，若换用其他线性膨胀系数的材料，也可实现无热化设计，本实施例对此不作限制。
在本发明的一具体实施例中，给出了一组该-70℃～+100℃红外超宽温消热差光学系统的优选参数，具体如表1所示：
| 名称 | 面型 | 曲率半径 | 间距 | 折射率温度系数 | 直径 | 圆锥系数 |
| 第一透镜 | 凸面 | 25.89 | 4.57 | 404 | 26 | |
| 凹面 | 21.30 | 10.53 | 22 | -0.82 | ||
| 第二透镜 | 凹面 | -16.79 | 5.00 | 404 | 20 | |
| 凸面 | -25.63 | 0.8 | 26 | |||
| 第三透镜 | 凹面 | -87.99 | 5.62 | 60 | 27 | |
| 凸面 | -33.89 | 9.73 | 30 | |||
| 第四透镜 | 凸面 | 55.35 | 5.88 | 60 | 25 | |
| 凸面 | -216.52 | 6 | 25 | |||
| 孔径光阑 | 标准面 | 无限 | 20.1 | 10 | ||
| 像面 | 标准面 | 无限 | 12.3 |
表1 进一步的，第一透镜的凸面参数如下表2所示：
| k | a2 | a3 | a4 | |
| 第一透镜的凸面 | -0.82 | 1.30-005 | 3.36E-008 | -6.08E-0011 |
表2
在本发明实施例中，如图2～4，示出了本发明所述的-70℃～+100℃红外超宽温消热差光学系统的传递函数在不同温度条件下随空间频率的变化情况。其中，传递函数用于表征光学系统对不同空间频率的物体在不同视场观察时的成像能力。由图2～4可以看出，在-70℃～+100℃的范围内，本发明的光学系统在 34lp/mm时，光学传递函数均接近衍射极限，像质清晰。
综上所述，本发明公开了一种-70℃～+100℃红外超宽温消热差光学系统，基于光学系统的被动式无热化理论计算初始结构，克服了红外材料种类有限的不利于因素，通过巧妙的搭配光学材料，实现了超宽温消热差的设计目标，在 -70℃～+100℃超宽温度范围之间，系统无需调焦，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。在保证大视场角度下满足成像品质的同时，具有畸变小的优点。此外，采用四片式透镜的-70℃～+100℃红外超宽温消热差光学系统可用于制冷型红外探测器，该-70℃～+100℃红外超宽温消热差光学系统的冷光阑效率可达到100％，可以较好的抑制杂散光。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (4)
1.一种-70℃～+100℃红外超宽温消热差光学系统，其特征在于，包括：第一透镜(1)、第二透镜(2)、第三透镜(3)、第四透镜(4)、杜瓦窗口(5)和孔径光阑(6)；
第一透镜(1)、第二透镜(2)、第三透镜(3)、第四透镜(4)、杜瓦窗口(5)和孔径光阑(6)按照从物方到像方的顺序依次设置；其中，第一透镜(1)的物侧面为凸面，像侧面为凹面，具有负的光焦度；第二透镜(2)的物侧面为凹面，像侧面为凸面，具有负的光焦度；第三透镜(3)的物侧面为凹面，像侧面为凸面，具有正的光焦度；第四透镜(4)的物侧面为凸面，像侧面为凸面，具有正的光焦度；杜瓦窗口(5)为由硅材料制成的平行平板；孔径光阑(6)为红外探测器的冷光阑；
第一透镜(1)的焦距f1、第二透镜(2)的焦距f2、第三透镜(3)的焦距f3和第四透镜(4)的焦距f4满足如下条件：
4.8＜f1/f2＜4.95
1＜f3/f4＜1.5
第一透镜(1)为由锗材料制成的非球面Ⅰ，第二透镜(1)为由锗材料制成的非球面Ⅱ，第三透镜(3)是硒化锌的标准球面透镜，第四透镜(4)为衍射非球面Ⅰ，
非球面Ⅰ的面型公式如下：
其中，Z表示非球面Ⅰ沿光轴方向在高度r位置时，距非球面Ⅰ顶点的距离矢高，R表示非球面Ⅰ面型中心的曲率半径，k表示圆锥系数，a2、a3和a4分别表示高次非球面系数；
衍射非球面Ⅰ的面型公式如下：
其中，Φ表示衍射非球面Ⅰ对入射光线的相位改变，M表示衍射非球面Ⅰ的衍射级，N表示多项式系数的个数；Ai表示第i个扩展多项式系数，单位是弧度；ρ表示归一化的径向孔径极坐标；
来自物方的光束依次经过第一透镜(1)、第二透镜(2)、第三透镜(3)、第四透镜(4)、杜瓦窗口(5)和孔径光阑(6)后，在像面(7)上成像。
2.根据权利要求1所述的-70℃～+100℃红外超宽温消热差光学系统，其特征在于，R11、R12、R21、R22、R31、R32、R41和R42满足如下条件：
1.2＜R11/R12＜1.25
0.65＜R21/R22＜0.67
2.5＜R31/R32＜2.65
0.25＜R41/R42＜0.26
其中，R11和R12分别表示第一透镜(1)的凸面曲率半径和凹面曲率半径；R21和R22分别表示第二透镜(2)的凹面曲率半径和凸面曲率半径；R32和R41分别表示第三透镜(3)的凹面曲率半径和凸面曲率半径；R41和R42分别表示第四透镜(4)的凸面曲率半径和凹面曲率半径。
3.根据权利要求1所述的-70℃～+100℃红外超宽温消热差光学系统，其特征在于，
第一透镜(1)、第二透镜(2)、第三透镜(3)和第四透镜(4)之间采用机械结构间隔，机械结构采用铝合金材料制备得到；
-70℃～+100℃红外超宽温消热差光学系统的焦距为21mm，光圈为2，入瞳直径10.5mm，工作波段为3.7um～4.8um，全视场视场角为33°。
4.根据权利要求3所述的-70℃～+100℃红外超宽温消热差光学系统，其特征在于，-70℃～+100℃红外超宽温消热差光学系统采用的光焦度匹配公式、消色差公式和消热差公式分别为：
其中，hj表示第一近轴光线在各透镜的投射高度，φj表示第j个透镜的光焦度，n表示透镜的个数，n＝4，h1表示第一透镜的光焦度，表示系统的总光焦度，vj表示第j个透镜的色差系数，/>表示折射率温度系数，ag表示机械结构的线膨胀系数，p表示热差系数。
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