CN201859256U - 一种长波长焦非制冷无热化红外光学系统 - Google Patents

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本实用新型涉及一种长波长焦非制冷无热化红外光学系统，属于光学技术领域；本光学系统包括沿光入射方向依次同轴设置的孔径光阑、第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，其中第一透镜、第二透镜和第三透镜组成会聚组，用于校正初级象差，上述透镜采用正负负正的对称结构，所述第二透镜的第一面采用旋转对称的衍射面,上述四透镜光学元件和结构材料的热膨胀系数以及透镜间隔、曲率半径满足公式
Figure 201020563251.8_AB_0
；利用多种光学材料不同的温度特性和线性膨胀系数，同时和镜筒材料配合，实现对环境温度变化的自适应，实现无热化功能，可有效地简化光机结构、减轻系统重量、缩小系统体积，改善光学系统在不同环境温度下的成像质量。

Description

一种长波长焦非制冷无热化红外光学系统
技术领域
本实用新型涉及一种长波长焦非制冷无热化红外光学系统，属于光学技术领域。
背景技术
大多数机载军用光学仪器的工作环境温度变化范围比较大，温度变化时会引起光学元件的曲率、厚度、折射率发生变化，由于红外光学材料的折射率温度系数比可见光材料大一个或两个数量级，因此环境温度变化对红外光学系统的影响显得尤为严重，所以必须在红外成像系统中加入主动或被动补偿机构，以补偿温度变化造成像面移动所引起的系统性能降低。这样的设计使光机结构复杂，调焦速度受到机构的限制，不适合需要在高低温环境下快速调焦的情况。
国内外目前的温度补偿的方法可归纳为主动式、被动式和混合式三大类；主动式采用手动、机电等方式对补偿机构进行调节；被动式则利用机电或光学等方式实现像面离焦的自动补偿；混合式则在被动式的基础上辅助以主动调节装置，使系统离焦得到更好的补偿。其中光学被动补偿方式由于其结构相对简单、尺寸小重量轻、系统可靠性高等特点，受到极大的重视。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种长波长焦非制冷无热化红外光学系统，以简化光学系统的结构、减轻重量、缩小系统体积，改善光学系统的成像质量。
为实现上述目的，本实用新型的一种长波长焦非制冷无热化红外光学系统包括沿光入射方向依次同轴设置的孔径光阑、第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，其中第一透镜、第二透镜和第三透镜组成会聚组，用于校正初级象差，上述透镜采用正负负正的对称结构，所述第二透镜的第一面采用旋转对称的衍射面,上述四透镜光学元件和结构材料的热膨胀系数以及透镜间隔、曲率半径满足公式                                                
Figure 2010205632518100002DEST_PATH_IMAGE001
，其中
Figure 328401DEST_PATH_IMAGE002
为光学元件的总面数；
Figure 2010205632518100002DEST_PATH_IMAGE003
为光学元件的光焦度；
Figure 665841DEST_PATH_IMAGE004
为近轴光线在光学元件上的入射高度；
Figure 2010205632518100002DEST_PATH_IMAGE005
为光学元件的光热膨胀系数；
Figure 309312DEST_PATH_IMAGE006
为光学系统外部结构的线膨胀系数；为镜筒的长度。
进一步的，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜的光学镜筒与透镜压圈均采用铝合金材料制作。
进一步的，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜的材料分别为硒化锌、单晶锗、硫化锌、单晶锗。
进一步的，所述第二透镜衍射元件的热膨胀满足
Figure 706795DEST_PATH_IMAGE008
，与基底材料的折射率无关，其中为衍射元件的热膨胀系数；
Figure 500964DEST_PATH_IMAGE010
为基底材料的线膨胀系数。
    进一步的，所述第二透镜的衍射面采用衍射级次为+1级，衍射面的系数分别为：C1=-3.4287E-05，C2=5.7522E-10，C3=-4.6684E-14，C4=  8.6917E-19，C5 =4.6471E-23。
进一步的，所述第四透镜的第一面采用旋转对称的非球面。 
本实用新型的一种长波长焦非制冷无热化红外光学系统采用硒化锌、单晶锗、硫化锌、单晶锗材料透镜的间隔排布，消除基本象差和色差；采用孔径光阑前置，使入瞳和孔径光阑重合，压缩系统的体积；在第二透镜上采用衍射面，进一步消除宽温范围内的热差，本实用新型在宽广温度范围内-40℃~+60℃成像质量较高，中心视场25lp/mm处MTF值不小于0.55，边缘视场，25lp/mm处MTF值不小于0.4；全视场的畸变较小，小于0.5%；而且系统体积紧凑，口径较小。利用多种光学材料不同的温度特性和线性膨胀系数，同时和镜筒材料配合，实现对环境温度变化的自适应，实现无热化功能，可有效的简化光学系统结构、减轻重量、缩小系统体积，实现快速的热差消除，改善光学系统的成像质量，适合使用温环境高低温转换频繁，无法使用调焦机构，需要快速消除系统热差的环境中。
在第四透镜上采用非球面，提高了系统的像质。
附图说明
图1是本实用新型实施例的光学系统图；
图2是各视场的光线追迹图；
图3是-40℃均匀温度环境下的该系统的调制传递函数MTF评价；
图4是20℃均匀温度环境下该系统的调制传递函数MTF评价；
图5是60℃均匀温度环境下该系统的调制传递函数MTF评价。
具体实施方式
本实用一种新型长波长焦非制冷无热化红外光学系统的实施例系统图如图1所示，光学系统沿光入射方向依次同轴设置的孔径光阑1、第一透镜2、第二透镜3、第三透镜4、第四透镜5和探测器像面6，第一透镜2、第二透镜3、第三透镜4、第四透镜5采用正负负正的对称结构，它们的光学材料分别为硒化锌、单晶锗、硫化锌、单晶锗。第一透镜2、第二透镜3、第三透镜4组成会聚组，主要用来校正初级象差如球差、慧差，并校正初步色差。第四透镜5对光束进一步压窄，主要用来矫正位置色差、倍率色差，并承担消除系统热差的功能。
为进一步消除宽广温度范围内带来的热差，第二透镜3的第一面采用旋转对称的衍射面，利用衍射面的负热差效应来消除残余热差。
第一透镜2、第二透镜3、第三透镜4、第四透镜5的光学镜筒与透镜压圈均采用铝合金材料制作。光学元件和结构材料的热膨胀系数以及透镜间隔、曲率半径必须满足公式
Figure DEST_PATH_IMAGE011
才能达到消除系统热差的目的，其中，
Figure 642095DEST_PATH_IMAGE002
为光学元件的总面数；
为光学元件的光焦度；
Figure DEST_PATH_IMAGE013
为近轴光线在光学元件上的入射高度；
Figure 974036DEST_PATH_IMAGE005
为光学元件的光热膨胀系数；
Figure 924675DEST_PATH_IMAGE014
为光学系统外部结构的线膨胀系数；
Figure DEST_PATH_IMAGE015
为镜筒的长度；
对于衍射元件来说，衍射元件的热膨胀系数需满足公式
Figure 869497DEST_PATH_IMAGE008
，与基底材料的折射率无关，其中，
Figure 221981DEST_PATH_IMAGE016
为衍射元件的热膨胀系数；
为基底材料的线膨胀系数。
根据图1的光学系统结构，我们设计了一长波长焦非制冷无热化红外光学系统，光学系统的焦距为256mm，F#为1.4，光学系统全长为309mm，主波长为10.5μm，消色差波长分别为7.5μm和13.0μm。可根据不同的应用空间需求，进行折转。为减小系统的体积，系统的入瞳位置在透镜2前面，与孔径光阑重合。该光学系统的具体设计参数如表1所示。
 
Figure DEST_PATH_IMAGE017
整个系统采用正负负正的对称结构。第一透镜2、第二透镜3、第三透镜4组成的会聚组的焦距为360mm，其中第一透镜2的焦距为137.3mm，第二透镜3的焦距为-438mm，第三透镜4的焦距为-318.8mm；起到将光路压窄的作用，并校正基本象差和光谱色差。第四透镜5的焦距为270mm，起到将光束再次压窄的作用，并与其它透镜一起校正色差，消除热差。
第二透镜3的第一面采用旋转对称的衍射面，采用衍射级次为+1级，衍射面的系数分别为：C1=-3.4287E-05，C2=5.7522E-10，C3=-4.6684E-14，C4=  8.6917E-19，C5 =4.6471E-23。
第一透镜2、第二透镜3、第三透镜4、第四透镜5各面的曲率半径分别为220.1mm、-1422.4mm、-1234.5mm、-37397.3mm、4351.3mm、348.2mm、55.2mm、50.9mm。
第二透镜3的第一面采用旋转对称的衍射面，采用衍射级次为+1级，衍射面的系数分别为：C1=-3.4287E-05，C2=5.7522E-10，C3=-4.6684E-14，C4=  8.6917E-19，C5 =4.6471E-23。
根据对系统热差的计算分析，确定第一透镜2、第二透镜3、第三透镜4、第四透镜5之间的间距分别为1.5mm、2.0mm、212mm。第四透镜5与探测器像面6的距离为40mm。通过间距的调整，可以有效消除了宽广温度范围内的热差，提高系统像质。
为更好的校正像差，第四透镜5的第一面采用旋转对称的非球面来进一步校正残余像差，提高系统像质。
第一透镜2对应7.5μm、10.5μm、13.0μm的折射率分别为：2.385048、2.403414、2.419626；第二透镜3、第四透镜5对应7.5μm、10.5μm、13.0μm的折射率分别为：4.001815、4.002745、4.006144；第三透镜4对应7.5μm、10.5μm、13.0μm的折射率分别为：2.151592、2.193409、2.227493。
现有光学系统为了实现宽光谱范围内的热差消除，需要加入调焦机构，在高低温环境下，使透镜镜片轴向前后移动，使光学系统的成像清晰，这样的设计使光机结构复杂，调焦速度受到机构的限制，不适合需要在高低温环境下快速调焦的情况。
本实施例光学系统采用光学被动无热化设计后，仅仅采用某些光学材料与镜筒压圈材料的排列组合，使用它们不同的线性膨胀系数，并采用衍射光学的消热差特性，来消除宽广温度环境下的热差消除，简化了光机结构，保证了在-40℃-+60℃的均匀温度环境下，光学系统迅速实现热差消除，保证了光学系统实时的光学性能。如图2所示是各视场的光线追迹图。该光学系统在-40℃、20℃、+60℃的均匀温度环境下的性能评价见图3、图4、图5。低温-40摄氏度与高温+60℃的均匀环境中，光学系统的像质与常温下的像质基本相当。
通过系统在-40℃，+20℃，+60℃时，各种材料线性膨胀系数的变化、镜筒材料的线性膨胀系数的变化、透镜折射率的变化等参数的优化，最终达到消除系统热差，保证系统像质。

Claims (6)

1.一种长波长焦非制冷无热化红外光学系统，其特征在于：该光学系统包括沿光入射方向依次同轴设置的孔径光阑、第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，其中第一透镜、第二透镜和第三透镜组成会聚组，用于校正初级象差，上述透镜采用正负负正的对称结构，所述第二透镜的第一面采用旋转对称的衍射面,上述四透镜光学元件和结构材料的热膨胀系数以及透镜间隔、曲率半径满足公式                                                
Figure 937974DEST_PATH_IMAGE002
，其中
Figure 358591DEST_PATH_IMAGE004
为光学元件的总面数；
Figure 893477DEST_PATH_IMAGE006
为光学元件的光焦度；
Figure 6927DEST_PATH_IMAGE008
为近轴光线在光学元件上的入射高度；
Figure 932158DEST_PATH_IMAGE010
为光学元件的光热膨胀系数；为光学系统外部结构的线膨胀系数；
Figure 280279DEST_PATH_IMAGE014
为镜筒的长度。
2.根据权利要求1所述的一种长波长焦非制冷无热化红外光学系统，其特征在于：所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜的光学镜筒与透镜压圈均采用铝合金材料制作。
3.根据权利要求2所述的长波长焦非制冷无热化红外光学系统，其特征在于：所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜的材料分别为硒化锌、单晶锗、硫化锌、单晶锗。
4.根据权利要求3所述的一种长波长焦非制冷无热化红外光学系统，其特征在于：所述第二透镜衍射元件的热膨胀满足
Figure 564630DEST_PATH_IMAGE016
，与基底材料的折射率无关，其中
Figure 39474DEST_PATH_IMAGE018
为衍射元件的热膨胀系数；
Figure 67473DEST_PATH_IMAGE020
为基底材料的线膨胀系数。
5.根据权利要求1所述的一种长波长焦非制冷无热化红外光学系统，其特征在于，所述第二透镜的衍射面采用衍射级次为+1级，衍射面的系数分别为：C1=-3.4287E-05，C2=5.7522E-10，C3=-4.6684E-14，C4=  8.6917E-19，C5 =4.6471E-23。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种长波长焦非制冷无热化红外光学系统，其特征在于：所述第四透镜的第一面采用旋转对称的非球面。
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CN102033316A (zh) * 2010-10-16 2011-04-27 中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所 长波长焦非制冷无热化红外光学系统

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN102033316A (zh) * 2010-10-16 2011-04-27 中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所 长波长焦非制冷无热化红外光学系统
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