一种低畸变大相对孔径制冷型无热化红外广角光学系统技术方案

本发明专利技术属于一种红外光学领域，特别是公开了一种低畸变大相对孔径制冷型无热化红外广角光学系统，包括从物面到焦面依次同轴固联排列设置的前固定镜组、像差校正组和探测器；探测器包括从物面至焦面光轴方向依次排列的探测器保护窗、探测器冷阑和焦面，光学系统孔径光阑与探测器冷阑位置重合；前固定镜组为单透镜结构，由第一负透镜组成，材料为硅；像差校正组为三分离透镜组，从物面至焦面光轴方向依次同轴为第一正透镜、第二负透镜和第二正透镜材料为硫系材料，本发明专利技术光学系统采用普通红外光学材料，可实现对中波红外波段范围的优良成像，能够对与大视场大孔径化相伴而生的像差良好地进行校正，易于制造、成像品质高、稳定性好。

【技术实现步骤摘要】
一种低畸变大相对孔径制冷型无热化红外广角光学系统
本专利技术属于一种红外光学领域，特别是涉及一种大相对孔径制冷型无热化红外广角光学系统，具备光学被动消热差功能。
技术介绍
红外广角光学系统在森林防火、公安边防、区域监控、态势感知等方面占有重要而不可替代的地位，但大视场角不可比避免地会导致光学系统轴外像差校正困难，像面边缘照度降低，而且，为了保证整个系统的光阑效率，适配制冷型红外探测器的广角光学系统还需与探测器冷阑匹配，以实现优良的杂光抑制。另一方面，由于红外光学材料较大的温度折射率系数，使得红外光学系统性能极易受环境温度变化的影响，发生离焦，降低成像质量，因此，为提高该类设备的可靠性，还要求红外广角光学系统具备光学无热化功能。因此，设计出更大相对孔径的制冷型无热化红外广角光学系统难度较大。现有一些文献资料公开的制冷型红外广角光学系统，例如，美国专利US5502592，公开了一种具有超半球视场的红外鱼眼光学系统，针对中波红外和长波红外不同波段，视场角可达270°，但不具备无热化功能，且所述光学系统随着视场的增大，f-theta畸变变得严重。另美国专利US6989537B2和US2009/0212219A1也给出了类似鱼眼光学系统，也未实现无热化。中国专利CN105044887B，公开了一种制冷型大相对孔径超广角红外光学系统，采用反摄远结构，一定程度上压缩了光学系统体积尺寸，光学系统F数为2.0，全视场角约120°，但未实现无热化。中国专利CN106680969B，公开了一种大视场红外光学系统，所述光学系统采用5片透镜，全视场为127°，实现了-40℃~+60℃宽温范围的光学被动无热化，采用了一次成像结构，设计F数为2。另外，中国专利CN110161663B采用5片透镜实现了±102°的视场以及光学被动无热化，但均难以实现更大的相对孔径。2012年，刊载于中国期刊《光学学报》第32卷第8期，题为《高分辨率制冷型中波广角红外成像系统的光学设计》的文献，报道了一种制冷型中波红外广角光学系统。所述光学系统针对640×51215μm探测器，工作波段为3.7μm~4.8μm，全视场111.2°，f-theta畸变优于0.5%，实现了-55℃~+80℃宽温范围的光学被动无热化，但所述光学系统采用了二次成像结构，设计F数为2，难以实现更大成像视场和相对孔径。2014年，刊载于中国期刊《红外与激光工程》第43卷第10期，题为《双波段消热差红外鱼眼光学系统设计》的文献也公开了一种全视场196°，工作波段为4.4μm~5.4μm和7.8~8.8μm的光学系统，实现了-40℃~+60℃宽温范围的光学被动无热化，采用了二次成像结构，设计F数为2.68，总长达189.7mm，同样难以实现光学系统的大相对孔径化和小型化。
技术实现思路
为了解决现有制冷型红外广角光学系统或未实现无热化、或成像畸变大、或相对孔径小、或难以小型化的问题，本专利技术提供了一种低畸变大相对孔径制冷型无热化红外广角光学系统。为实现上述目的，本专利技术提供的技术方案是：一种低畸变大相对孔径制冷型无热化红外广角光学系统，包括从物面到焦面依次同轴固联排列设置的前固定镜组、像差校正组和探测器；所述探测器包括从物面至焦面光轴方向依次排列的探测器保护窗、探测器冷阑和焦面，所述光学系统孔径光阑与探测器冷阑位置重合；所述前固定镜组为单透镜结构，由第一负透镜组成，材料为硅；所述像差校正组为三分离透镜组，从物面至焦面光轴方向依次同轴为第一正透镜、第二负透镜和第二正透镜材料为硫系材料。前固定镜组、像差校正组、探测器和光学系统孔径光阑中心轴线同轴，光学系统光阑位在第二正透镜靠近像方侧，与制冷型探测器冷阑位置重合；其中，第一负透镜采用硅材料，对大视场入射的光束宽度进行压缩；第一正透镜、第二负透镜和第二正透镜共同构成像差校正镜组，对由经前固定镜组压缩引入的像散、场曲、畸变和色差进行校正，并控制剩余球差，最终光线经第二正透镜进一步会聚，经探测器保护窗和冷阑，入射于焦面上完成成像。前固定镜组为单透镜结构，由第一负透镜组成。在光学系统的最靠物面侧，能够配置具有大负光焦度且具有负折射力的前固定镜组，有利于光学系统的大视场化。前固定镜组具有负光焦度，设前固定镜组的焦距为f300，设红外广角光学系统焦距为fL，f300和fL满足以下条件式：|f300/fL|<4.6；（1）可选的，3.7<|f300/fL|<4.6。前固定镜组能够保证光学系统的大视场和大孔径化，并且能有效压缩后续光学元件的外径，实现光学系统的小型化。条件式（1）是对前固定镜组的焦距范围进行限定的式子。通过满足该条件式（1），能够保证光学系统的大视场与大孔径化，并能够实现光学系统的小型化。在条件式（1）中若超过其上限，则前固定镜组的光焦度变小，不能对大视场化相伴的光束宽度进行压缩，无法实现光学系统的大视场化。此外，像差校正镜组包括自左向右中心轴线同轴排列的第一正透镜、第二负透镜和第二正透镜，设像差校正镜组的焦距为f200，f200和fL满足以下条件式：3.8<|f200/fL|；（2）可选的，3.8＜|f200/fL|＜5.5；条件式（2）是对像差校正镜组的焦距范围进行限定的式子。通过满足该条件式（2），能够保证对与大视场和大孔径化相伴而生的像差良好地进行校正，特别是能对红外广角光学系统中的像散和场曲更好地进行校正。条件式（2）中若低于其下限，则像差校正镜组的光焦度增大，对光学系统小型化有利，但特别是光学系统中像散和场曲的校正变得困难，光学性能劣化，影响成像质量。第一正透镜203采用硫系材料，设第一正透镜的规化热差系数为T203，规化热差系数n为透镜材料的折射率，dn/dt为透镜材料的折射率/温度系数；αg为透镜材料的膨胀系数，第二正透镜的规化热差系数T203满足中以下条件式：T203<5×10-5；(3)条件式(3)是对第一正透镜203的消热性能进行限定的式子。通过满足该条件式(3)，能够保证对与大视场和大孔径化相伴而生的色差和热差良好地进行校正，实现光学系统的无热化。条件式(3)中若高于其上限，则第二正透镜消热性能下降，无法实现光学系统的无热化，影响成像质量。与现有技术相比，本专利技术的优点是：1、本专利技术光学系统采用普通红外光学材料，可实现对中波红外波段范围的优良成像，能够对与大视场大孔径化相伴而生的像差良好地进行校正，特别是能对红外广角光学系统中的像散和场曲更好地进行校正，以及不小于F数1.0的相对孔径，不大于1.5%的f-theta畸变，并实现了光学系统的小型化和无热化，光学系统易于制造、成像品质高、稳定性好。2、本专利技术光学系统的前固定镜组、像差校正组、探测器和光阑中心轴线同轴，镜片总数为4片，可实现不小于±72°视场的成像范围，光学系统结构紧凑，体积较小。3、本专利技术可在前固定镜组、像差校正镜组之间设置反射镜，减小整个系统的体积。4、本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种低畸变大相对孔径制冷型无热化红外广角光学系统，包括从物面到焦面依次同轴固联排列设置的前固定镜组、像差校正组和探测器；所述探测器包括从物面至焦面沿光轴方向依次排列的探测器保护窗、探测器冷阑和焦面，所述光学系统孔径光阑与探测器冷阑位置重合；其特征在于：所述前固定镜组为单透镜结构，由第一负透镜组成，材料为硅；所述像差校正组为三分离透镜组，从物面至焦面光轴方向依次同轴为第一正透镜、第二负透镜和第二正透镜，材料均为硫系材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种低畸变大相对孔径制冷型无热化红外广角光学系统，包括从物面到焦面依次同轴固联排列设置的前固定镜组、像差校正组和探测器；所述探测器包括从物面至焦面沿光轴方向依次排列的探测器保护窗、探测器冷阑和焦面，所述光学系统孔径光阑与探测器冷阑位置重合；其特征在于：所述前固定镜组为单透镜结构，由第一负透镜组成，材料为硅；所述像差校正组为三分离透镜组，从物面至焦面光轴方向依次同轴为第一正透镜、第二负透镜和第二正透镜，材料均为硫系材料。


2.据权利要求1所述的一种低畸变大相对孔径制冷型无热化红外广角光学系统，其特征在于，所述第一正透镜的规化热差系数为T203；T203应满足条件：T203<5×10-5。


3.根据权利要求1所述的一种低畸变大相对孔径制冷型无热化红外广角光学系统，其特征在于，所述前固定镜组的焦距为f300，红外广角光学系统焦距为fL，f300和fL满足条件：|f300/fL|<4.6。


4.根据权利要求3所述的一种低畸变大相对孔径制冷型无热化红外广角光学系统，其特征在于，所述前固定镜组的焦距为f300，红外广角光学系统焦距为fL，f300和fL满足条件：3.7<|f300/fL...

【专利技术属性】
技术研发人员：许求真，高良，
申请(专利权)人：昆明云锗高新技术有限公司，
类型：发明
国别省市：云南;53