CN115128772A - 一种大视场光学被动无热化非制冷红外光学系统 - Google Patents

一种大视场光学被动无热化非制冷红外光学系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种大视场光学被动无热化非制冷红外光学系统，由从物方至像方依次同轴设置的第一弯月形负透镜、第一弯月形正透镜、第二弯月形负透镜、第二弯月形正透镜、第三弯月形负透镜组成，采用反远距结构，在实现大视场的同时减少透镜数量，缩小系统体积。引入硫系玻璃将使得由于环境温度变化造成的光学系统离焦量更小，从而在实现无热化的同时简化了系统的结构，降低了整体的重量。因此，可在降低成本的同时提高系统的可靠性。本发明还具有大视场和高分辨率的特点，在增大目标搜索范围的同时，能够有效提高目标识别能力，适用于安防监控、救灾抢险、森林防火等领域。

Description

一种大视场光学被动无热化非制冷红外光学系统
技术领域
非制冷红外光学系统领域，具体涉及一种大视场光学被动无热化非制冷红外光学系统。
背景技术
随着红外夜视技术的快速发展，红外热成像受到越来越广泛的关注，其核心技术红外探测器的研制已取得长足进展。与制冷型探测器相比，非制冷探测器的探测效率普遍偏低，但随着非制冷红外探测器的像元尺寸不断减小、灵敏度不断提高，而其价格却逐步降低；且非制冷红外探测器具有重量轻、体积小、功耗低、可靠性高、易携带等优势，近年来在工业、农业、国防、医疗、交通、环境保护等诸多领域具有非常广泛的应用前景。
然而，一般情况下光学材料的折射率随温度的变化而变化，这就使透镜或光学系统的焦距发生变化。红外光学材料的温度系数要比普通光学玻璃的数值大得多，例如，锗单晶dn/dt的典型值约为396×10-6℃-1，而K9玻璃的温度系数值则只有2.8×10-6℃-1。因此，在红外系统中温度对折射率的影响尤为明显。随着环境温度的变化，折射率、光学透镜的曲率和厚度、零件间隔等都会发生变化，使红外光学系统产生热离焦，导致系统成像质量变差。因此，无热化红外光学系统成为高精度红外光学系统的一个主流发展方向。
光学被动式无热化设计利用光学材料热特性之间的差异，通过不同特性材料之间的合理组合以消除温度的影响，从而获得无热效果。这种方式具有机构相对简单、尺寸小、质量轻、不需供电、系统可靠性好的优点，其综合效率最高，因此受到了极大的重视。
在安防监控、救灾抢险、森林防火等领域中，需要红外光学系统具有视场大、分辨率高的特点，从而在增大系统的探测搜索范围的同时，提高对目标的识别能力。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种大视场光学被动无热化非制冷红外光学系统，具有结构简单、尺寸小、大视场高分辨率的特点，系统可靠性好，能够满足使用要求。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种大视场光学被动无热化非制冷红外光学系统，由从物方至像方依次同轴设置的第一弯月形负透镜、第一弯月形正透镜、第二弯月形负透镜、第二弯月形正透镜、第三弯月形负透镜组成，所述的第一弯月形负透镜、第一弯月形正透镜、第二弯月形正透镜、第三弯月形负透镜均弯向像方设置，第二弯月形负透镜弯向物方设置。
进一步地，所述的第一弯月形负透镜所采用的材料为单晶锗(Ge)，第一弯月形正透镜所采用的材料为硒化锌(ZNSE)，第二弯月形负透镜、第二弯月形正透镜所采用的材料为硫系玻璃IRG206、第三弯月形负透镜所采用的材料硒化锌(ZNSE)。
进一步地，所述的第一弯月形负透镜满足以下条件：-30≤f1/f≤-2.9，其中f为光学系统的焦距、f1为第一弯月形负透镜的有效焦距；
所述的第一弯月形正透镜满足以下条件：1.7≤f2/f≤1.9，其中f为光学系统的焦距、f2为第一弯月形正透镜的有效焦距；
所述的第二弯月形负透镜满足以下条件：-1.8≤f3/f≤-1.6，其中f为光学系统的焦距、f3为第二弯月形负透镜的有效焦距；
所述的第二弯月形正透镜满足以下条件：1.25≤f4/f≤1.4，其中f为光学系统的焦距、f4为第二弯月形正透镜的有效焦距；
所述的第三弯月形负透镜满足以下条件：-19≤f5/f≤-17，其中f为光学系统的焦距、f5为第三弯月形负透镜的有效焦距。
进一步地，第一弯月形负透镜朝向像方一侧表面、第二弯月形负透镜朝向像方一侧表面均为非球面，所述非球面的面型方程为：
Figure BDA0003720995880000021
其中，z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距离非球面顶点的距离矢高，c为曲率，c＝1/R，R表示透镜表面的曲率半径，r为垂直光轴方向的径向坐标，k为二次曲线常数，A为四阶非球面系数、B六阶非球面系数、C为八阶非球面系数、D为十阶非球面系数。
进一步地，第一弯月形负透镜朝向像方一侧表面的非球面系数分别为k＝0，A＝-1.598928e-007，B＝2.3175582e-009，C＝-9.497696e-012，第二弯月形负透镜朝向像方一侧表面的非球面系数为k＝0，A＝-1.822915e-005，B＝-4.488051e-008，C＝1.329224e-010。
所述的第三弯月形负透镜朝向物方一侧表面为非球面，且在非球面基底上利用金刚石车削加工出连续浮雕结构形成衍射面，其满足方程：
Figure BDA0003720995880000031
其中，z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距离非球面顶点的距离矢高，c为曲率，c＝1/R，R表示透镜表面的曲率半径，r为垂直光轴方向的径向坐标，k为二次曲线常数，A为四阶非球面系数、B六阶非球面系数、C为八阶非球面系数；HOR为衍射级次，C1、C2、C3为衍射面系数，λ0为设计中心波长；n为该透镜的折射率，n0为空气折射率。
第三弯月形负透镜朝向物方一侧表面的非球面系数为，k＝0，A＝-5.9987659e-005，B＝-1.263573e-007，C＝6.289357811e-010，HOR＝1，C1＝-0.000309642405，C2＝-3.4111282e-006，C3＝0。
所述光学系统实现的技术指标为：工作波段8～12μm，F数：1.0，视场50°×38.6°，像面直径Ф15.4mm。
所述光学系统适配的探测器为1024×768非制冷红外探测器，像元尺寸12μm。
有益效果：
本发明的光学结构形式采用反远距结构，由一个负光焦度前组和一个正光焦度后组组成，前组与后组采取分离的形式，轴外光线经过前组负透镜的发散之后，使得其与光轴的夹角明显变小，有利于后组元件的像差校正，从而减少透镜数量，缩小系统体积，降低了成本。
本发明中第一弯月形负透镜材料选用折射率较高的单晶锗(Ge)材料，从而使得负光焦度前组透镜的表面不至于极度弯曲，从而降低了透镜装配误差要求以及透镜的加工难度。
本发明中第二弯月形负透镜、第二弯月形正透镜采用牌号为IRG206的硫系玻璃材料，由于硫系玻璃IRG206的折射率温度系数为32×10-6/℃-1，是普通红外材料Ge的十分之一；因此，引入硫系玻璃将使得由于温度变化造成的光学系统离焦量更小，从而简化了无热化系统的结构，降低了整体的重量，可在降低成本的同时提高系统的可靠性。
本发明大视场光学被动无热化非制冷红外光学系统，具有大视场和高分辨率，在安防监控、救灾抢险、森林防火等领域使用，增大目标搜索范围的同时，能够提高目标识别能力。
附图说明
图1为光学系统光路图；
图2为光学系统在常温20℃时的传递函数图；
图3为光学系统在低温-55℃时的传递函数图；
图4为光学系统在高温70℃时的传递函数图；
图5光学系统在常温20℃时的点列图；
图6光学系统在低温-55℃时的点列图；
图7光学系统在高温70℃时的点列图；
其中，1为第一弯月形负透镜，2为第一弯月形正透镜，3为第二弯月形负透镜，4为第二弯月形正透镜，5为第三弯月形负透镜，6为像平面。
具体实施方式
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
需要说明的是，作为常识，靠近物空间的方向为物方，靠近像空间的方向为像方，从物方到像方的方向，透镜的两面依次为入射面和出射面。
术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，指的是该类型的透镜出现的顺序，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
如图1所示的大视场光学被动无热化非制冷红外光学系统，由括从物方至像方依次设置的第一弯月形负透镜1、第一弯月形正透镜2、第二弯月形负透镜3、第二弯月形正透镜4、第三弯月形负透镜5组成。
所述的第一弯月形负透镜1、第一弯月形正透镜2、第二弯月形负透镜3、第二弯月形正透镜4、第三弯月形负透镜5由物方至像方依次同轴设置。
所述的第一弯月形负透镜1、第一弯月形正透镜2、第二弯月形正透镜4、第三弯月形负透镜5均弯向像方设置。第二弯月形负透镜3弯向物方设置。
优选的，所述的第一弯月形负透镜1所采用的材料为单晶锗Ge，第一弯月形正透镜2所采用的材料为硒化锌ZNSE，第二弯月形负透镜3、第二弯月形正透镜4所采用的材料为IRG206、第三弯月形负透镜5所采用的材料硒化锌ZNSE。本发明利用光学材料热特性之间的差异，通过不同特性材料之间的合理组合以消除温度的影响，从而保证在不同环境温度下系统均能清晰成像，实现红外光学系统的被动无热化效果。
本发明光学系统的具体的光线传输路径为，由外界景物红外辐射所发出的光线经第一弯月形负透镜1发散后到达第一弯月形正透镜2，经第一弯月形正透镜2会聚后到达第二弯月形负透镜3，经第二弯月形负透镜3发散后到达第二弯月形正透镜4，经第二弯月形正透镜4会聚后到第三弯月形负透镜5，经第三弯月形负透镜5发散后成像在像平面6。
优选的，所述的第一弯月形负透镜1满足以下条件：-30≤f1/f≤-2.9，其中f为光学系统的焦距、f1为第一弯月形负透镜1的有效焦距；
所述的第一弯月形正透镜2满足以下条件：1.7≤f2/f≤1.9，其中f为光学系统的焦距、f2为第一弯月形正透镜2的有效焦距；
所述的第二弯月形负透镜3满足以下条件：-1.8≤f3/f≤-1.6，其中f为光学系统的焦距、f3为第二弯月形负透镜3的有效焦距；
所述的第二弯月形正透镜4满足以下条件：1.25≤f4/f≤1.4，其中f为光学系统的焦距、f4为第二弯月形正透镜4的有效焦距；
所述的第三弯月形负透镜5满足以下条件：-19≤f5/f≤-17，其中f为光学系统的焦距、f5为第三弯月形负透镜5的有效焦距。
表1为本发明实现的技术指标，其中，F#(光学系统F数)计算公式为f/D，f为光学系统的焦距，D为入射光瞳直径。
表1本发明实现的技术指标
Figure BDA0003720995880000051
Figure BDA0003720995880000061
表2列出根据本发明的光学系统实施例的详细数据，其包含各透镜的面型、曲率半径、厚度、材料。其中，透镜的曲率半径、厚度的单位均为mm，球面及非球面的曲率半径指的是透镜表面与光轴交点处的曲率半径。
其中，表2中的“表面序号”是沿光线传播方向计数，如第一弯月形负透镜1的光束入射面为序号S1，光束出射面为序号S2，其它镜面序号以此类推；表2中的“半径”表示该面的曲率半径，其正负断定原则是：以该面与主光轴的交点作为起点，该面的曲面中心作为终点。若连线方向与光线传播方向相同则为正，反之为负。若该面为平面，该面曲率半径为无穷大；表2中的“厚度”给出了相邻两个面在光轴上的距离，其正负判定原则是：以当前面顶点作为起点，下一面顶点作为终点。若连线方向与光线传播方向相同则为正，反之为负。若两个面之间的材料为红外材料，则该厚度表示透镜厚度，若两个面之间的没有材料，则表示两个透镜之间的空气间隔。
表2本发明实施例的光学系统详细数据
Figure BDA0003720995880000062
Figure BDA0003720995880000071
所述的大视场光学被动无热化非制冷红外光学系统，所述第一弯月形负透镜1、第一弯月形正透镜2、第二弯月形负透镜3、第二弯月形正透镜4、第三弯月形负透镜5沿物方至像方方向上的曲面分别标记为S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10；第一弯月形负透镜1朝向像方一侧表面S2、第二弯月形负透镜3朝向像方一侧表面S6均为非球面。
进一步的，上述各非球面的面型方程为：
Figure BDA0003720995880000072
其中，z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距离非球面顶点的距离矢高，c为曲率，c＝1/R，R表示透镜表面的曲率半径，r为垂直光轴方向的径向坐标，k为二次曲线常数，A为四阶非球面系数、B六阶非球面系数、C为八阶非球面系数、D为十阶非球面系数。
表3列出根据本发明的第一弯月形负透镜1朝向像方一侧表面S2、第二弯月形负透镜3朝向像方一侧表面S6的非球面系数，表中采用科学计数法表示，例如-1.598928e-007表示-1.598928×10-7。
表3非球面系数
Figure BDA0003720995880000073
进一步的，所述的第三弯月形负透镜5朝向物方一侧表面S9为非球面，在非球面基底上利用金刚石车削加工出连续浮雕结构形成衍射面，其满足方程：
Figure BDA0003720995880000081
其中，z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距离非球面顶点的距离矢高，c为曲率，c＝1/R，R表示透镜表面的曲率半径，r为垂直光轴方向的径向坐标，k为二次曲线常数，A为四阶非球面系数、B六阶非球面系数、C为八阶非球面系数；HOR为衍射级次，C1、C2、C3为衍射面系数，λ0为设计中心波长；n为该透镜的折射率，n0为空气折射率。
表4列出根据本发明的第三弯月形负透镜5朝向物方一侧的衍射非球面系数。
表4衍射非球面系数
Figure BDA0003720995880000082
经过光学设计软件仿真，如图2、图3、图4所示，选用像元尺寸为12μm，像素数为1024×768的非制冷探测器对应空间频率为42lp/mm时，常温20℃、低温-55℃及高温70℃状态下的传递函数均大于0.3；如图5、图6、图7所示，为该光学系统常温20℃、低温-55℃及高温70℃状态下的点列图，由图可见，该系统的弥散斑直径小于艾里斑直径。
以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，都可利用上述揭示的技术内容做出些许改动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，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、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种大视场光学被动无热化非制冷红外光学系统，其特征在于，由从物方至像方依次同轴设置的第一弯月形负透镜(1)、第一弯月形正透镜(2)、第二弯月形负透镜(3)、第二弯月形正透镜(4)、第三弯月形负透镜(5)组成，所述的第一弯月形负透镜(1)、第一弯月形正透镜(2)、第二弯月形正透镜(4)、第三弯月形负透镜(5)均弯向像方设置，第二弯月形负透镜(3)弯向物方设置。
2.如权利要求1所述的一种大视场光学被动无热化非制冷红外光学系统，其特征在于，所述的第一弯月形负透镜(1)所采用的材料为单晶锗(Ge)，第一弯月形正透镜(2)所采用的材料为硒化锌(ZNSE)，第二弯月形负透镜(3)、第二弯月形正透镜(4)所采用的材料为硫系玻璃IRG206、第三弯月形负透镜(5)所采用的材料硒化锌(ZNSE)。
3.如权利要求1所述的一种大视场光学被动无热化非制冷红外光学系统，其特征在于，各透镜焦距需满足以下条件：
-30≤f1/f≤-2.9，1.7≤f2/f≤1.9，-1.8≤f3/f≤-1.6，1.25≤f4/f≤1.4，-19≤f5/f≤-17；
其中：f为光学系统的焦距，
f1为第一弯月形负透镜(1)的有效焦距，
f2为第一弯月形正透镜(2)的有效焦距，
f3为第二弯月形负透镜(3)的有效焦距，
f4为第二弯月形正透镜(4)的有效焦距，
f5为第三弯月形负透镜(5)的有效焦距。
4.如权利要求1所述的一种大视场光学被动无热化非制冷红外光学系统，其特征在于，第一弯月形负透镜(1)朝向像方一侧表面(S2)、第二弯月形负透镜(3)朝向像方一侧表面(S6)均为非球面，所述非球面的面型方程为：
Figure FDA0003720995870000011
其中，z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距离非球面顶点的距离矢高，c为曲率，c＝1/R，R表示透镜表面的曲率半径，r为垂直光轴方向的径向坐标，k为二次曲线常数，A为四阶非球面系数、B六阶非球面系数、C为八阶非球面系数、D为十阶非球面系数。
5.如权利要求4所述的一种大视场光学被动无热化非制冷红外光学系统，其特征在于，第一弯月形负透镜(1)朝向像方一侧表面(S2)的非球面系数分别为k＝0，A＝-1.598928e-007，B＝2.3175582e-009，C＝-9.497696e-012，第二弯月形负透镜(3)朝向像方一侧表面(S6)的非球面系数为k＝0，A＝-1.822915e-005，B＝-4.488051e-008，C＝1.329224e-010。
6.如权利要求1所述的一种大视场光学被动无热化非制冷红外光学系统，其特征在于，所述的第三弯月形负透镜(5)朝向物方一侧表面(S9)为非球面，且在非球面基底上利用金刚石车削加工出连续浮雕结构形成衍射面，其满足方程：
Figure FDA0003720995870000021
其中，z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距离非球面顶点的距离矢高，c为曲率，c＝1/R，R表示透镜表面的曲率半径，r为垂直光轴方向的径向坐标，k为二次曲线常数，A为四阶非球面系数、B六阶非球面系数、C为八阶非球面系数；HOR为衍射级次，C1、C2、C3为衍射面系数，λ0为设计中心波长；n为该透镜的折射率，n0为空气折射率。
7.如权利要求6所述的一种大视场光学被动无热化非制冷红外光学系统，其特征在于，第三弯月形负透镜(5)朝向物方一侧表面(S9)的非球面系数为，k＝0，A＝-5.9987659e-005，B＝-1.263573e-007，C＝6.289357811e-010，HOR＝1，C1＝-0.000309642405，C2＝-3.4111282e-006，C3＝0。
8.如权利要求1所述的一种大视场光学被动无热化非制冷红外光学系统，其特征在于，所述光学系统实现的技术指标为：工作波段8～12μm，F数：1.0，视场50°×38.6°，像面直径Ф15.4mm。
9.如权利要求8所述的一种大视场光学被动无热化非制冷红外光学系统，其特征在于，所述光学系统适配的探测器为1024×768非制冷红外探测器，像元尺寸12μm。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2001083413A (ja) * 1999-09-13 2001-03-30 Nitto Kogaku Kk 赤外線レンズ
CN104330874A (zh) * 2014-10-27 2015-02-04 中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所 一种非制冷型红外光学系统

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