CN210294658U - 一种用于1k探测器的消热差长波红外光学系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于1K探测器的消热差长波红外光学系统，沿着光线入射方向依次设置第一窗口镜、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第二窗口镜，其中，所述第一透镜为凸面朝向物侧的正弯月形透镜，所述第二透镜为凸面朝向物侧的负弯月形透镜，所述第三透镜为凸面朝向物侧的正弯月形透镜，本实用新型结构简单，具有较小的F/#，能够在8μm‑12μm长波红外波段以及‑40℃‑60℃温度范围内具有良好的成像质量和消热差效果；本实用新型适用于像元为1280×1024、分辨率高的长波红外面阵探测器。

Description

一种用于1K探测器的消热差长波红外光学系统

技术领域

本实用新型涉及一种光学镜头，具体涉及一种用于1K探测器的消热差长波红外光学系统。

背景技术

长波红外光学成像设备经在较大温度范围内使用时，镜筒材料、光学材料的热胀冷缩以及光学材料的温度折射率系数会使镜头光焦度发生变化，产生离焦现象，使成像质量严重下降。长波红外光学系统的消热差设计是通过一定的机械、光学及电子等技术，使红外光学系统在一个变化范围较大的温度区间内保持成像质量的稳定，避免在使用过程中对光学系统进行主动调焦。当前的长波红外镜头主要适用于320×256像元或640×512像元的面阵，存在视场较小，成像分辨率低的缺点。新型的长波红外面阵探测器的像元为1280×1024，像元更小，分辨率更高，需要匹配更高质量的光学系统。在中国专利103995344 B中公开了一种透射式非制冷被动消热差红外红外光学系统，适用于像元数1024×768，像元尺寸为17μm的非制冷长波红外面阵探测器。在中国专利CN 201811225202.0中公开了一种长波红外大孔径大通光量光学无热化镜头及其成像方法，该光学系统虽然实现了较大的口径下的无热化设计，但其光学传递函数MTF较差，无热化效果较差。其光学系统适用于像元数640×512，像元尺寸为17μm的非制冷长波红外面阵探测器。

发明内容

本实用新型的目的是针对现有技术的不足，提供一种用于1K探测器的消热差长波红外光学系统，它结构简单，具有较小的F/#，能够在8μm-12μm长波红外波段以及-40℃-60℃温度范围内具有良好的成像质量和消热差效果；它适用于像元为1280×1024，分辨率更高的长波红外面阵探测器。

本实用新型的目的是这样实现的：一种用于1K探测器的消热差长波红外光学系统，沿着光线入射方向依次设置第一窗口镜、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第二窗口镜，其中，所述第一透镜为凸面朝向物侧的正弯月形透镜，所述第二透镜为凸面朝向物侧的负弯月形透镜，

所述第三透镜为凸面朝向物侧的正弯月形透镜，

所述第四透镜为凸面朝向物侧的正弯月形透镜，

所述第一窗口镜、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第二窗口镜依次安装于镜筒内，

相邻的透镜彼此的空气间隔变化，光学系统工作波段范围为8μm～12μm。

所述镜筒材料为铝合金材料或者钛合金。

所述光学系统中每个透镜的材料为锗、硒化锌或者硫系玻璃，所述第一透镜到第四透镜这四个透镜中包括三种不同材料制成的透镜。

所述第一窗口镜、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第二窗口镜所采用的材料依次为硫化锌、硫系玻璃、硒化锌、硫系玻璃、锗、锗。

所述第一透镜和第二透镜之间的空气间隔为20.85mm，第二透镜和第三透镜之间的空气间隔为30.92mm，第三透镜和第四透镜之间的空气间隔为14.03mm，第四透镜和第二窗口镜之间的空气间隔为13.61mm。

第一透镜焦距为68.8mm，第二透镜焦距为-57mm，第三透镜焦距为58.4mm，第四透镜焦距为1033mm。

所述第二透镜、第三透镜或第四透镜至少设有一个非球面。

光学系统的焦距为75mm。

光学系统相对口径F/#为1。

光学系统相对口径F/#为1；光学系统视场角为11.5°×9.3°。

光学系统满足以下条件：

Δl_T≤2λ(f/#)²，其中，α_L为热膨胀系数，L为镜筒长度，λ为波长。

采用上述方案，有益效果如下，用于1K探测器的消热差长波红外光学系统其结构紧凑，透镜片数少，完成了各透镜的光焦度的分配、消色差条件及补偿像面离焦的消热条件，从而在规定温度范围内保证镜头的成像质量，第二透镜承担主要的光焦度，第二透镜、第三透镜和第四透镜其组合主要用于矫正球差、色差以及慧差；在光学理论分析和建模时，被动消热差像差设计将热离焦和热色差看作初级像差，与七种初级像差组合，本光学系统全系统匹配九种像差并予以整合，解决变焦系统的九种初级像差平衡问题。同时按照光学系统像差的瑞利判据，消热差的误差Δl_T应控制在最大波像差小于四分之一波长，即在系统的焦深内即可。焦深的引入可在实际透镜设计中有效降低理想透镜成完善像的满足条件，能提高系统的环境适应能力，去除不必要的温控和精密调焦机构，便可以减小系统的体积和重量，对红外成像系统，系统重量可以降低10％～15％，同时也将大大的改善红外成像系统的成像质量和性能，并提高光学系统的经济性。本实用新型适用于像元数1280×1024，像元尺寸8-12μm的新一代非制冷长波红外探测器，在-40℃-60℃的环境温度下，空间截止频率42lp/mm处光学调制传递函数(MTF)值全视场大于0.35，接近衍射极限，具有像质好、工作温度范围宽、结构紧凑、重量轻、体积小、成像分辨率高、视场大、系统透过率高和相对孔径大灯优点。所述光学系统中透镜的材料为锗、硒化锌或者硫系玻璃，所述第一透镜到第四透镜这四个透镜中包括三种不同材料制成的透镜；采用三种材料合理分配组合，其结构紧凑，透镜片数少，避免采用衍射光学带来的光学系统能量不足，衍射光学元件难以检测以及对加工要求高的问题，仅靠采用了光学材料的合理分配，完成了光学被动消热差，降低了光学系统结构的成本，在温度变化范围较大区域中其可靠性强。

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型在-40℃的MTF；

图3为本实用新型在20℃的MTF；

图4为本实用新型在60℃的MTF。

具体实施方式

为了进一步清楚阐述本技术方案的特点，下面将提供具体实施方式并与附图相结合，对本技术方案进行说明，但是不应当将其理解为对本发明的限定。

在光学理论分析时，被动消热差像差设计将热离焦和热色差看作初级像差，与七种初级像差组合，形成理想透镜消热差成完善像的条件式如下：

上述公式中，其中

为第i个透镜的光焦度，hi为近轴光线在透镜上的入射高度，

为系统的总光焦度，ν为阿贝系数，T为温度，α_L为热膨胀系数，L为镜筒长度。即在本实用新型设计过程中需要解决变焦系统的九种初级像差平衡问题。

参见图1至图4，一种用于1K探测器的消热差长波红外光学系统的一种实施例，用于1K探测器的消热差长波红外光学系统，沿着光线入射方向依次设置第一窗口镜1、第一透镜2、第二透镜3、第三透镜4、第四透镜5、第二窗口镜6，其中，所述第一透镜2为凸面朝向物侧的正弯月形透镜，所述第二透镜3为凸面朝向物侧的负弯月形透镜，所述第三透镜4为凸面朝向物侧的正弯月形透镜，所述第四透镜5为凸面朝向物侧的正弯月形透镜，第一透镜2焦距为68.8mm，第二透镜3焦距为-57mm，第三透镜4焦距为58.4mm，第四透镜4焦距为1033mm。所述第一窗口镜1、第一透镜2、第二透镜3、第三透镜4、第四透镜5、第二窗口镜6依次安装于镜筒内，本实施中，系统总长约115mm，口径约75mm，焦距为75mm。光学系统相对口径F/#为1，光学系统的视场角为11.5°×9.3°；光学系统满足以下条件：

Δl_T≤2λ(f/#)²，

其中，α_L为热膨胀系数，L为镜筒长度，λ为波长，按照光学系统像差的瑞利判据，消热差的误差Δl_T应控制在最大波像差小于四分之一波长，即Δl_T在系统的焦深内Δl_T≤2λ(f/#)²即可。焦深的引入可在实际透镜设计中有效降低理想透镜成完善像的满足条件，提高系统的环境适应能力，去除不必要的温控和精密调焦机构，便可以减小系统的体积和重量，对红外成像系统相同而言，系统重量可以降低10％～15％，同时也将大大的改善红外成像系统的成像质量和性能。光学系统工作波段范围为8μm～12μm。相邻的透镜彼此的空气间隔变化，所述第一透镜2和第二透镜3之间的空气间隔为20.85mm，第二透镜3和第三透镜4之间的空气间隔为30.92mm，第三透镜4和第四透镜5之间的空气间隔为14.03mm，第四透镜5和第二窗口镜6之间的空气间隔为13.61mm。

优选地，所述光学系统中每个透镜的材料为锗、硒化锌或者硫系玻璃，所述第一透镜2到第四透镜5这四个透镜中包括三种不同材料制成的透镜。本实施例中，所述第一窗口镜1、第一透镜2、第二透镜3、第三透镜4、第四透镜5和第二窗口镜6所采用的材料依次为硫化锌、硫系玻璃(牌号为IRG26)、硒化锌、硫系玻璃、锗、锗；锗具有非常大的折射率温度系数和较小的热膨胀系数，窗口镜采用锗材料，还能够防止其被划伤，增长使用寿命；硫系玻璃具有很大的热膨胀系数和很小的折射率温度系数；硒化锌、硫系玻璃具有适中的热膨胀系数和折射率温度系数，三者配合使用，能够有效的消除二级光谱以及热像差。

优选地，所述镜筒材料为铝合金材料或者钛合金，本实施例中，镜筒材料为铝合金满足需求目标，实现消热差，该材料在-40℃～60℃内具有较好的像质。

优选地，所述第二透镜3、第三透镜4或第四透镜5至少设有一个非球面，采用这种结构，为进一步校正残余像差和平衡部分热差。本实施例中，所述第二透镜3朝向物面方的面采用非球面结构，所述第四透镜5朝向物面方的面采用非球面结构；或者第一透镜2朝向物面的镜面为非球面。

在本实施例中将该光学系统应用于光圈F/#1(F/#即为光圈数，是相对孔径口径与焦距之比的倒数，即F＝f/D)的长波红外探测器上，其波段范围为8μm～12μm，像元尺寸为12μm×12μm，像元数为1280×1024。本实施例中物体发出的光线经窗口镜1进入正弯月透镜2形成汇聚光。正弯月透镜承担主要的光焦度，第二透镜3、第三透镜4和第四透镜5，其组合主要用于矫正球差、色差以及慧差，同时平衡消热差。各组镜头分别校正了七种初级像差，热差则根据镜筒长度予以平衡，并通过全系统匹配予以整合，镜筒材料为普通铝合金，该材料在-40℃～60℃内具有较好的像质。

表一所示是本实施例的详细结构参数。表中曲率半径的单位是mm,厚度的单位是mm。

表一

本实用新型适用于长波红外波段1K探测器的小F/#无热化光学设计，能够在8μm-12μm长波红外波段，在-40℃-60℃温度范围内具有良好的成像质量和消热差效果，空间截止频率42lp/mm处光学调制传递函数(MTF)值全视场大于0.35，接近衍射极限，具有像质好、工作温度范围宽、结构紧凑、重量轻、体积小、成像分辨率高、视场大、系统透过率高和相对孔径大灯优点。本设计可以作为军警民用监控、搜索与跟踪瞄准等的光学系统。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并不用于限制本实用新型，显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种用于1K探测器的消热差长波红外光学系统，其特征在于：沿着光线入射方向依次设置第一窗口镜(1)、第一透镜(2)、第二透镜(3)、第三透镜(4)、第四透镜(5)、第二窗口镜(6)，

其中，所述第一透镜(2)为凸面朝向物侧的正弯月形透镜，

所述第二透镜(3)为凸面朝向物侧的负弯月形透镜，

所述第三透镜(4)为凸面朝向物侧的正弯月形透镜，

所述第四透镜(5)为凸面朝向物侧的正弯月形透镜，

所述第一窗口镜(1)、第一透镜(2)、第二透镜(3)、第三透镜(4)、第四透镜(5)、第二窗口镜(6)依次安装于镜筒内，相邻的透镜彼此的空气间隔变化，光学系统工作波段范围为8μm～12μm。

2.根据权利要求1所述的一种用于1K探测器的消热差长波红外光学系统，其特征在于：所述镜筒材料为铝合金材料或者钛合金。

3.根据权利要求1所述的一种用于1K探测器的消热差长波红外光学系统，其特征在于：所述光学系统中每个透镜的材料为锗、硒化锌或者硫系玻璃，所述第一透镜(2)到第四透镜(5)这四个透镜中包括三种不同材料制成的透镜。

4.根据权利要求3所述的一种用于1K探测器的消热差长波红外光学系统，其特征在于：所述第一窗口镜(1)、第一透镜(2)、第二透镜(3)、第三透镜(4)、第四透镜(5)和第二窗口镜(6)所采用的材料依次为硫化锌、硫系玻璃、硒化锌、硫系玻璃、锗、锗。

5.根据权利要求1-4任一所述的一种用于1K探测器的消热差长波红外光学系统，其特征在于：所述第一透镜(2)和第二透镜(3)之间的空气间隔为20.85mm，第二透镜(3)和第三透镜(4)之间的空气间隔为30.92mm，第三透镜(4)和第四透镜(5)之间的空气间隔为14.03mm，第四透镜(5) 和第二窗口镜(6)之间的空气间隔为13.61mm。

6.根据权利要求1所述的一种用于1K探测器的消热差长波红外光学系统，其特征在于：第一透镜(2)焦距为68.8mm，第二透镜(3)焦距为-57mm，第三透镜(4)焦距为58.4mm，第四透镜(5)焦距为1033mm。

7.根据权利要求1所述的一种用于1K探测器的消热差长波红外光学系统，其特征在于：所述第二透镜(3)、第三透镜(4)或第四透镜(5)至少设有一个非球面。

8.根据权利要求1所述的一种用于1K探测器的消热差长波红外光学系统，其特征在于：光学系统的焦距为75mm。

9.根据权利要求1所述的一种用于1K探测器的消热差长波红外光学系统，其特征在于：光学系统相对口径F/#为1；光学系统视场角为11.5°×9.3°。

10.根据权利要求1所述的一种用于1K探测器的消热差长波红外光学系统，其特征在于：光学系统满足以下条件：

Δl_T≤2λ(f/#)²，其中，α_L为热膨胀系数，L为镜筒长度，λ为波长。

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