校正透射近、中和远-红外光谱的透镜的色差和热像差的玻璃制造技术

本发明专利技术涉及一种用于消除热效应和色差效应的透镜系统中的硫族化物玻璃组合物，以及由此提供了一种消色差和消热差的光学元件，其能在很宽的温度范围内有效保持消色差性能。所述玻璃组合物是基于锗、砷和/或镓的硫化物的，并可进一步包含(例如)银、锌或碱金属的卤化物。或者，所述玻璃组合物是基于镓以及优选锗的硒化物的，并且包含(例如)锌、铅或碱金属的氯化物或溴化物。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】校正透射近、中和远-红外光谱的透镜的色差和热像差的玻璃
本专利技术涉及一种能够用于制造以下光学透镜的玻璃组合物，所述光学透镜校正用于透射近-、中-和/或远-红外光谱范围内、并且优选也在至少一部分可见光谱范围内、的光线的透镜的光学像差，特别是色差和热效应导致的像差。
技术介绍
红外透镜在近-红外光谱范围(例如700nm至1.8μm)、中-红外光谱范围(例如3.0-5.0μm)和/或远-红外光谱范围(例如8.0-13.0μm)内透射光线。通常，红外透镜(IR透镜)的特征是在SWIR、MWIR或LMIR内、即短波(SWIR)区(波长为1-3μm)、中波(MWIR)区(波长为3-5μm)和长波(LWIR)区(波长为8-12μm)内透射光线。红外透镜在包括微光(夜视)成像仪(例如夜视镜)、热成像仪以及能够看穿遮蔽物(例如雾、烟、尘埃)的系统中应用广泛。夜视设备，例如夜视镜，通常依靠的是可见光谱范围和近-红外光谱范围内的弱反射光。这些设备利用的是可收集通过透镜的可见光和红外光并放大所述光线的影像增强器，来产生可见像。夜视镜通常包括：在可见光谱范围和近-红外光谱范围内透射光线的红外物镜、放大光子并将其转换为电子的影像增强器或加强器、以及接收电子并产生放大影像的磷光或荧光显示器。例如可参见Filipovich(US4,653,879)。热成像仪利用的是发射的红外光，特别是发射的热能，而不是反射的红外光。因此，通常在中-红外光谱范围和/或远-红外光谱范围使用热成像仪。例如，人、动物以及正在运转的机器自身产生的热量，该热量以红外辐射的方式发射出去。其它物体、岩石和建筑物吸收来自(例如)太阳的热量，之后将该热量以红外光的形式辐射出去。因此，出于监控、安全保障的目的，热成像仪在民用和军事领域应用广泛，例如，记录人和车辆的影像、测定过热点、监测工业机械和加工设备。红外或热成像系统通常包括：包含用于收集并聚焦所透射的红外光的IR透镜的光学器件、用于探测红外光并将其转换为电信号的多个热传感器、以及将电信号转换为视觉影像的信号处理单元。例如可参见lzumi(US7,835,071)。包括红外透镜的光学透镜易受到几种光学像差的影响。例如，大部分成像系统需要将具有许多波长的光聚焦到距离透镜相同距离的焦点上。但是，所有已知材料的折射率是根据波长函数变化。折射率的这种变化、被称为色散、产生了像差，该像差被称为色差，有时也被称为彩色镶边(colorfringing)。有两种类型的色差。由于透镜的焦距是根据折射率的函数变化，因此透镜透射的不同波长光具有不同的焦距，结果产生了纵向色差或轴向色差。因此，多波长光并不聚焦于相同的焦面。所以，例如，蓝光的焦距比红光的焦距短。当不同波长光被透镜差异性放大时，产生了横向色差。因此，波长将在沿着相同焦面的不同位置处聚焦。克服色差的一个方法是使用多个透镜，以削弱折射率色散对影像的影响。通过将具有不同色散特性的两种不同的透镜材料进行组合，从而制得消色差透镜或消色差双合透镜。消色差透镜的作用是使两种不同波长光均聚焦到同一焦面，从而降低了色差。复消色差透镜包含多种材料，其设计成将三种或以上的波长光聚焦到相同平面。这样的透镜能够对色差进行更好的校正，并且也降低了球面像差(即，当通过透镜的光线在透镜的边缘的折射多于其在透镜中心时所产生的像差)。因此，使用这样的双合或三(或以上)合透镜能够减少色差现象，从而改善光学系统的显色性。对于主要透射可见光谱的透镜而言，使用双合透镜或三合透镜是习惯作法。技术人员能够从大范围的可用玻璃类型中，选择两种、或在很多情况下三种乃至以上的材料，并调整透镜的设计以得到所需的光学性能。但是，对于红外透镜而言，这样的多个透镜排列的设计更加困难。在中-以及远-红外光谱范围具有透过性的光学材料的数目是非常有限的。当要求同时具备在可见区(400nm至800nm)或近-红外区(700nm至1.8μm)的透过性以及在中-红外区(3.0-5.0μm)和/或远-红外区(8.0-13.0μm)的透过性时，这样的设计甚至更加复杂。除了色散以外，大部分红外-透过性材料的折射率的温度依赖性很强，并且有很高的热膨胀系数。这两个因素都引起了透镜的焦距随着温度的变化而变化，从而导致了热散焦。因此，除了通过提供消色差红外透镜系统来解决色差的问题以外，也希望能够提供其光学性能相对于温度变化稳定的消热差红外透镜系统。有关现有技术中试图实现红外透镜系统的消热差的描述例如可参见文献Jamieson,T.H,AthermalizationofOpticalinstrumentsfromtheOptomechanicalViewpoint,Proc.SPIE,CR.43,131(1992).。此外，Arriola(US5,737,120)公开了一种消色差和消热差的双元件物镜，该物镜透射长波红外(LWIR)光谱区(8-12μm)内的光线。该物镜的一个透镜元件由硒化锌(ZnSe)制成，并且具有正的光学功率。另一个透镜元件由锗(Ge)制成，并且具有负的光学功率。正的透镜元件的热光系数(dn/dT更低)低于负的透镜元件。热光系数的这种差异提供了该透镜系统的消热差，而非是色彩校正。为了提供色彩校正，Arrioia在任一透镜元件的一个表面附加了衍射光学表面。从光学的角度来看，就试图满足消色差和消热差复合IR透镜的要求而言，银(Ag)、铊(Tl)以及碱金属(Na、K、Rb和Cs)的卤化物(F、Cl、Br和I)是有吸引力的材料。但是，这些材料的机械耐久性极低，毒性高以及在为碱金属的情况下对湿度高度敏感。因此，使用这些材料通常被看作是不切实际的。其它可能能够满足所需条件的多晶材料包括：碱土金属(Ca、Sr、Ba)与氟的多晶化合物、以及锌(Zn)与IV族元素“硫族化物”(S、Se)的化合物。已知这些材料具有足够的化学和机械耐久性。但是，它们特有的折射率和色散的组合使得其不适合用于实际的消色差光学器件。而且，氟化物在波长超过10μm时常常缺乏足够的透射性。由IV族元素(Si和Ge)组成的本征半导体材料，或者III族和V族元素的化合物(例如GaAs和InSb)，并不能同时提供足够的中/远-红外的透过性以及可见/近-红外的透过性。由于晶体化合物的化学成分是不变的，因此在双元件透镜系统中，是不可能通过改变其成分而调整它们的性能以实现消色差性能的。另一方面，能够提供红外和可见光透过性的玻璃是有可能通过成分调整(compositionaltailoring)，而被用于平衡复合IR透镜中其它玻璃或晶体材料的色差效应(chromaticeffects)。但是，迄今为止，还没有获得其性能能够被调整到满足用于宽波段光学器件的消色差和消热差的光学元件的要求的玻璃。使用大量晶体化合物、常使用大于5个独立光学元件、有可能实现消色差和消热差的性能。但是，由于增大机械复杂程度、以及需要许多专门设计的防反射涂层，这样的设计价格高昂，或者由于在各个界面上存在大量反射损失，这样的设计性能不佳。此外，大部分可用的晶体材料、例如KBr或KRS5(溴碘化铊；TlBr-TlI)、的机械和化学稳定性差，并且可能具有高的毒性。
技术实现思路
因此，本专利技术的一个方面提供了用于透镜系统的玻璃组合物，特别是本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硫族化物玻璃组合物，其包含(以总摩尔数的摩尔％计)：(a)其中，Hal＝氟、氯、溴和/或碘，R1＝Li、Na、K、Rb和/或Cs，R2＝Ag和/或Cu，M1＝Mg、Ca、Sr和/或Ba，M2＝Zn、Cd、Hg和/或Pb，以及Ln＝La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Ty、Lu、Y和Sc；或者(b)其中，Hal1＝氯和/或溴，R1＝Li、Na、K、Rb和/或Cs，R2＝Ag和/或Cu，M1＝Mg、Ca、Sr和/或Ba，M2＝Zn、Cd、Hg和/或Pb，以及Ln＝La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Ty、Lu、Y和Sc；以及其中，在(a)和(b)的每一个中，镓的一部分可被铟取代，以及在(a)中，砷的一部分可被锑取代。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.04.20 US 13/452,2711.一种硫族化物玻璃组合物，其包含(以总摩尔数的摩尔％计)：其中，Hal1＝氯和/或溴，R1＝Li、Na、K、Rb和/或Cs，R2＝Ag和/或Cu，M1＝Mg、Ca、Sr和/或Ba，M2＝Zn、Cd、Hg和/或Pb，以及Ln＝La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Ty、Lu、Y和Sc；以及其中，镓的一部分可被铟取代。2.根据权利要求1所述的硫族化物玻璃组合物，其中，所述组合物基于总摩尔的摩尔％包含：3.根据权利要求1所述的硫族化物玻璃组合物，其中，所述组合物包含30.00-65.00摩尔％的硒。4.根据权利要求1所述的硫族化物玻璃组合物，其中，所述组合物包含15-25.00摩尔％的锗。5.根据权利要求1所述的硫族化物玻璃组合物，其中，所述组合物包含5-22.00摩尔％的镓。6.根据权利要求1所述的硫族化物玻璃组合物，其中，所述镓的一部分可被铟取代。7.根据权利要求1所述的硫族化物玻璃组合物，其中，所述组合物包含6.00-15.00摩尔％的Hal1。8.根据权利要求1所述的包含Se的硫族化物玻璃组合物，其中，所述玻璃组合物可任选地进一步包含S，以及所述S/Se的比值为最高1.0。9.根据权利要求8所述的硫族化物玻璃组合物，其中，S的量与Se的量相加所得到的和大于2倍的Ge的量与1.5倍的Ga的量相加所得到的和。10.根据权利要求1所述的硫族化物玻璃组合物，其中，所述组合物包含7.00-25.00摩尔％的Hal1。11.根据权利要求1所述的硫族化物玻璃组合物，其中，所述组合物包含7.00-15.00摩尔％的hal1。12.根据权利要求1所述的硫族化物玻璃组合物，其中，所述组合物包含6.00-10.00摩尔％的Hal1。13.根据权利要求1所述的硫族化物玻璃组合物，其中，所述组合物包含7.00-10.00摩尔％的Hal1。14.根据权利要求1所述的硫族化物玻璃组...

【专利技术属性】
技术研发人员：内森·亚伦·卡莉，
申请(专利权)人：肖特公司，
类型：发明
国别省市：美国;US