CN114089514B - 一种制冷型中波红外光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制冷型中波红外光学系统，包括：第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、红外窗口和红外滤光片；第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、红外窗口和红外滤光片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第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、红外窗口和红外滤光片后，在像面上成像。本发明采用光学被动式无热化设计，实现了消热差的目的，具有很强的环境适应性，可将目标辐射红外线转变为清晰的图像或视频，实现全天候实时对目标进行观测，克服了现有的可见光摄像技术对恶劣环境存在的缺陷。
Description
技术领域
本发明属于红外成像技术领域，尤其涉及一种制冷型中波红外光学系统。
背景技术
在光电领域采用可见光摄像技术对目标进行观测、侦察时，在良好的照度和天气情况下，其成像分辨率可以满足正常的观测要求，但它受制于环境照度条件、天气条件，尤其是在夜间、雾霾等天气恶劣的条件下，所产生的视频图像无法满足检测要求
红外热像仪不受雾、雨等不良气候条件的影响，可全候工作，且采用被动工作模式，抗干扰能力强，近年来，在军用和民用领域都有较大的发展。
但由于红外材料较少，色差校正困难，这就使得通过合理的材料组合及优化镜片达到较好的成像质量成为困难。尤其对于一些特殊场合使用的短焦距、大视场角需要小口径、总长短的红外系统。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种制冷型中波红外光学系统，采用光学被动式无热化设计(利用光学材料热特性之间的差异，通过不同材料之间的合理组合以消除温度的影响，从而获得无热化的结果)，实现了消热差的目的，具有很强的环境适应性，可将目标辐射红外线转变为清晰的图像或视频，实现全天候实时对目标进行观测，克服了现有的可见光摄像技术对恶劣环境存在的缺陷。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种制冷型中波红外光学系统，包括：第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、红外窗口和红外滤光片；
第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、红外窗口和红外滤光片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第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、红外窗口和红外滤光片后，在像面上成像。
在上述制冷型中波红外光学系统中，
第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜按照从物方到像方的顺序依次设置，形成前透镜组件；
第五透镜和第六透镜按照从物方到像方的顺序依次设置，形成后透镜组件；
前透镜组件、后透镜组件和冷光阑构成具有二次成像功能的中波红外镜头；其中，冷光阑设置在红外滤光片处，以实现100％的冷光阑效率。
在上述制冷型中波红外光学系统中，
前透镜组件，用于在焦面前进行像点汇聚，实现一次成像，承担大光焦度；其中，第五透镜设置在一次成像汇聚的像点之后；
后透镜组件，用于校正像差，实现二次成像，缩小透镜的径向尺寸，满足100％冷光阑效率。
在上述制冷型中波红外光学系统中，第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜均为单面非球面。
在上述制冷型中波红外光学系统中，
第一透镜的物侧面为凹面，像侧面为凸面，具有负光焦度；
第二透镜的物侧面为凹面，像侧面为凸面，具有正光焦度；
第三透镜的物侧面为凸面，像侧面为凹面，具有正光焦度；
第四透镜的物侧面为凸面，像侧面为凹面，具有负光焦度；
第五透镜的物侧面为凹面，像侧面为凸面，具有正光焦度；
第六透镜的物侧面为凸面，像侧面为凸面，具有正光焦度。
在上述制冷型中波红外光学系统中，非球面的面型公式如下：
其中，Z表示非球面沿光轴方向在高度r位置时，距非球面顶点的距离矢高，R表示非球面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。
在上述制冷型中波红外光学系统中，第一透镜的焦距f1、第二透镜的焦距f2、第三透镜的焦距f3、第四透镜的焦距f4、第五透镜的焦距f5和第六透镜的焦距f6满足如下条件：
-5＜f1＜-1.5
5＜f2＜15
5＜f3＜15
-f4＜f5
1.1＜f/f6＜1.16
其中，f表示制冷型中波红外光学系统的焦距。
在上述制冷型中波红外光学系统中，f1＝-6.882、f2＝14.895、f3＝9.849、f4＝-12.65、f5＝16.407、f6＝18.271。
在上述制冷型中波红外光学系统中，第一透镜的折射率温度变化系数η1、第二透镜的折射率温度变化系数η2和第三透镜的折射率温度变化系数η3满足如下条件：
300＜η1＜420e-6
0＜η2＜62e-6
120e-6＜η3＜200e-6。
在上述制冷型中波红外光学系统中，
第一透镜和第四透镜采用锗材料制备得到；
第二透镜采用琉系玻璃制备得到；
第三透镜、第五透镜和第六透镜采用具有高透过率的红外硅材料制备得到。
本发明具有以下优点：
(1)本发明公开了一种制冷型中波红外光学系统，采用光学被动式无热化设计(利用光学材料热特性之间的差异，通过不同材料之间的合理组合以消除温度的影响，从而获得无热化的结果)，实现了消热差的目的，具有很强的环境适应性，可将目标辐射红外线转变为清晰的图像或视频，实现全天候实时对目标进行观测，克服了现有的可见光摄像技术对恶劣环境存在的缺陷。
(2)本发明公开了一种制冷型中波红外光学系统，采用二次成像的结构设计，尤其适用于一些异形空间(前窄后宽的狭小、细长空间)，便于在后放置探测器、合理利用物体的空间尺寸。
(3)本发明公开了一种制冷型中波红外光学系统，采用二次成像的结构设计，在焦面前有一次汇聚的像点；二次成像将光学系统分为前后两组，前组承担较大的光焦度，后组校正像差，二次成像有利于缩小透镜的径向尺寸，满足100％冷光阑效率。
(4)本发明公开了一种制冷型中波红外光学系统，可适配中波制冷型红外探测器，具有径向尺寸小、视场角度大等优点；且在6m至无穷远无需调焦就能清晰成像。
(5)本发明公开了一种制冷型中波红外光学系统，采用不同材料的透镜组合及合理分配光焦度的方式，使得光学像质提升。
(6)本发明公开了一种制冷型中波红外光学系统，采用二次成像的结构设计形式，有效的缩小了镜头的径向尺寸，易于放置在较为狭小的空间，但却具有大的侦察视场。
(7)本发明公开了一种制冷型中波红外光学系统，各透镜均为单面非球面的透镜，使得像差能够被很好的控制，且单面非球面的透镜容易加工，合理的控制了加工成本。
附图说明
图1是本发明实施例中一种制冷型中波红外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℃、物距无穷远处，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常温+20℃，物距6m处，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+60℃时，物距无穷远处，光学系统的传递函数变化情况示意图；
图5是本发明实施例中一种高温+60℃，物距6m处，光学系统的传递函数变化情况示意图；
图6是本发明实施例中一种低温-30℃时，物距无穷远处，光学系统的传递函数变化情况示意图；
图7是本发明实施例中一种低温-30℃时，物距6m处，光学系统的传递函数变化情况示意图；
其中，图2～7中横坐标表示空间频率，纵坐标表示本发明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。
如图1，在本实施例中，该制冷型中波红外光学系统，包括：第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6、红外窗口7和红外滤光片8。其中，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、红外窗口7和红外滤光片8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、红外窗口7和红外滤光片8后，在像面9上成像。
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按照从物方到像方的顺序依次设置，形成前透镜组件；第五透镜5和第六透镜6按照从物方到像方的顺序依次设置，形成后透镜组件；前透镜组件、后透镜组件和冷光阑构成具有二次成像功能的中波红外镜头。其中，冷光阑设置在红外滤光片8处，以实现100％的冷光阑效率。
优选的，前透镜组件，用于在焦面前进行像点汇聚，实现一次成像，承担大光焦度；其中，第五透镜5设置在一次成像汇聚的像点之后。后透镜组件，用于校正像差，实现二次成像，缩小透镜的径向尺寸，满足100％冷光阑效率。
为了降低成本，有效的方法是减少使用透镜的数量以及采用单面非球面的透镜，为了实现优良的光学性能，期望各类像差能够被适当的控制，对于像差的校准，非球面的使用是非常有效的。故而，在本实施例中，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和第六透镜6均采用单面非球面的透镜。其中，第一透镜1的物侧面为凹面，像侧面为凸面，具有负光焦度；第二透镜2的物侧面为凹面，像侧面为凸面，具有正光焦度；第三透镜3的物侧面为凸面，像侧面为凹面，具有正光焦度；第四透镜4的物侧面为凸面，像侧面为凹面，具有负光焦度；第五透镜5的物侧面为凹面，像侧面为凸面，具有正光焦度；第六透镜6的物侧面为凸面，像侧面为凸面，具有正光焦度。
优选的，非球面的面型公式如下：
其中，Z表示非球面沿光轴方向在高度r位置时，距非球面顶点的距离矢高，R表示非球面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。
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、第四透镜4的焦距f4、第五透镜5的焦距f5和第六透镜6的焦距f6满足如下条件：-5＜f1＜-1.5、5＜f2＜15、5＜f3＜15、-f4＜f5、1.1＜f/f6＜1.16。其中，f表示制冷型中波红外光学系统的焦距。通过确定上述焦距关系，可以明显改善镜头的光学性能，诸如大视场小畸变的效果。例如，f1、f2、f3、f4、f5和f6的具体取值可以为：f1＝-6.882、f2＝14.895、f3＝9.849、f4＝-12.65、f5＝16.407、f6＝18.271。
在本实施例中，第一透镜1的折射率温度变化系数η1、第二透镜2的折射率温度变化系数η2和第三透镜3的折射率温度变化系数η3满足如下条件：300＜η1＜420e-6、0＜η2＜62e-6、120e-6＜η3＜200e-6。通过限制透镜的折射率温度变化系数的关系可以有效的实现消热差的效果。
在本实施例中，第一透镜1和第四透镜4可采用锗材料制备得到；第二透镜2可采用琉系玻璃制备得到；第三透镜3、第五透镜5和第六透镜6可采用具有高透过率的红外硅材料制备得到。此外，各镜头使用的镜筒及隔圈可采用铝合金材料制备得到，可有效的消热差。
在上述实施例的基础上，给出了一组该制冷型中波红外光学系统的优选参数，具体如表1所示：
表1
进一步的，各透镜的非球面参数如下表2所示：
| 非球面 | k | a2 | a3 | a4 |
| S1R1 | 0.16 | 0.0001 | 1.6E-07 | -4.79E-08 |
| S2R2 | 0.4 | 4.8E-05 | 1.9E-07 | -7.2E-09 |
| S3R1 | 0 | 1.28E-06 | -2.3E-08 | -1.12E-10 |
| S4R2 | -4.2 | 2.34E-05 | 8.24E-07 | -1.02E-08 |
| S5R2 | -0.12 | 5.8E-06 | -1.43E-09 | 1.02E-09 |
| S6R2 | 301 | 5.9E-06 | 4.2E-08 | -7.36E-10 |
表2
在本发明实施例中，如图2～7，示出了本发明所述的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2～7可以看出，在-30℃～+60℃的范围内，本发明的光学系统在34lp/mm时，物距6m至无穷远处，光学传递函数像质清晰，实现了在6m至无穷远处无需调焦即能清晰成像的目的。
综上所述，制冷型中波红外光学系统，采用二次成像的结构形式，有利于缩小前组透镜的口径，满足100％冷光阑效率，透镜组中使用单面非球面，极大的简化结构，绝对长度小于113mm，能够达到较好的成像质量；该制冷型中波红外光学系统包括前透镜组件和后透镜组件，通过红外材料合理组合，实现了消热差的目的。本发明适用与640*512中波制冷探测器，具有径向尺寸小，体积轻，在6m至无穷远具有清晰的成像质量等优点。
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 (5)
1.一种制冷型中波红外光学系统，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)、第五透镜(5)、第六透镜(6)、红外窗口(7)和红外滤光片(8)；
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)、红外窗口(7)和红外滤光片(8)按照从物方到像方的顺序依次设置；其中，第一透镜(1)、第二透镜(2)、第三透镜(3)和第四透镜(4)按照从物方到像方的顺序依次设置，形成前透镜组件；第五透镜(5)和第六透镜(6)按照从物方到像方的顺序依次设置，形成后透镜组件；前透镜组件、后透镜组件和冷光阑构成具有二次成像功能的中波红外镜头；冷光阑设置在红外滤光片(8)处，以实现100％的冷光阑效率；
第一透镜(1)的物侧面为凹面，像侧面为凸面，具有负光焦度；第二透镜(2)的物侧面为凹面，像侧面为凸面，具有正光焦度；第三透镜(3)的物侧面为凸面，像侧面为凹面，具有正光焦度；第四透镜(4)的物侧面为凸面，像侧面为凹面，具有负光焦度；第五透镜(5)的物侧面为凹面，像侧面为凸面，具有正光焦度；第六透镜(6)的物侧面为凸面，像侧面为凸面，具有正光焦度；
来自物方的光束依次经第一透镜(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)、红外窗口(7)和红外滤光片(8)后，在像面(9)上成像。
2.根据权利要求1所述的制冷型中波红外光学系统，其特征在于，
前透镜组件，用于在焦面前进行像点汇聚，实现一次成像，承担大光焦度；其中，第五透镜(5)设置在一次成像汇聚的像点之后；
后透镜组件，用于校正像差，实现二次成像，缩小透镜的径向尺寸，满足100％冷光阑效率。
3.根据权利要求1所述的制冷型中波红外光学系统，其特征在于，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)和第六透镜(6)均为单面非球面。
4.根据权利要求1所述的制冷型中波红外光学系统，其特征在于，非球面的面型公式如下：
其中，Z表示非球面沿光轴方向在高度r位置时，距非球面顶点的距离矢高，R表示非球面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。
5.根据权利要求1所述的制冷型中波红外光学系统，其特征在于，
第一透镜(1)和第四透镜(4)采用锗材料制备得到；
第二透镜(2)采用琉系玻璃制备得到；
第三透镜(3)、第五透镜(5)和第六透镜(6)采用具有高透过率的红外硅材料制备得到。
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