一种小型化高分辨率宽温无热化红外光学系统技术方案

本发明专利技术公开了一种小型化高分辨率宽温无热化红外光学系统，由从物方至像方依次同轴设置的第一弯月形正透镜、双凹负透镜、第二弯月形正透镜和弯月形负透镜组成；其中，第一弯月形正透镜、第二弯月形正透镜和弯月形负透镜均弯向像方设置。该光学系统能够适配1280

【技术实现步骤摘要】
一种小型化高分辨率宽温无热化红外光学系统


[0001]本专利技术涉及非制冷红外光学系统
，具体的涉及一种小型化高分辨率宽温无热化红外光学系统。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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/℃，而K9玻璃的温度系数值则只有2.8
×
10
‑6/℃。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。
[0004]红外系统无热化设计方法主要有三种：第一种是机械被动补偿方法，机械被动补偿方法是利用对温度敏感的机械材料或者记忆合金，使一个或一组透镜产生轴向位移，从而补偿由于温度变化引起的像面位移。这种方法需要计算不同温度下最佳相面的位置，根据最佳相面的位移，通过结构材料的不同伸缩量补偿最佳像面的位移；第二种是电子主动补偿法，电子主动补偿法是利用温度传感器探测出温度的变化量，然后计算出温度变化引起的像面位移，借助电机驱动透镜产生轴向位移，以达到补偿效果；第三种是光学被动补偿法，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。
[0005]利用折/衍混合元件研制的光学系统，由于衍射光学元件具有负色散特性、负温度特性、可实现对光波面的任意相位调制，与普通光学元件配合，在改善系统成像质量、减小系统体积和重量以及降低成本等方面具有无可比拟的优势。
[0006]大面阵规模的红外探测器需要适配大靶面的红外光学镜头，否则系统输出的红外图像会出现四角发亮现象。因此，设计红外光学系统时，其靶面大小应该不小于所选红外探测器的靶面尺寸。
[0007]现有光学被动无热化长波红外光学系统采用单晶锗、硒化锌、硫化锌等红外材料，这些常规红外材料的温度系数较大，因此为实现系统在宽温范围内工作，造成光学系统的镜片数量比较多、结构相对复杂，不利于小型化设计。

技术实现思路

[0008]本专利技术提供一种小型化高分辨率宽温无热化红外光学系统。该光学系统采用了低温度系数的硫系玻璃，在保证适配1280
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1024高分辨率长波非制冷型探测器的同时能够在
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55℃～+70℃宽温范围内均良好成像；由于系统镜片数量比较少，且无需复杂的温度补偿机构，因此实现了小型化。
[0009]为了实现上述目的，本专利技术采用的具体方案为：一种小型化高分辨率宽温无热化红外光学系统，由从物方至像方依次同轴设置的第一弯月形正透镜、双凹负透镜、第二弯月形正透镜和弯月形负透镜组成；其中，第一弯月形正透镜、第二弯月形正透镜和弯月形负透镜均弯向像方设置。
[0010]进一步地，所述的第一弯月形正透镜所采用的材料为单晶锗；双凹负透镜、第二弯月形正透镜和弯月形负透镜所采用的材料均为硫系玻璃IRG206。
[0011]进一步地，令光学系统的焦距为f，则本专利技术光学系统所包含的各个透镜的有效焦距满足以下条件：第一弯月形正透镜的有效焦距f1满足:1.0≤f1/f≤1.2；双凹负透镜的有效焦距f2满足：
‑
0.7≤f2/f≤
‑
0.6；第二弯月形正透镜的有效焦距f3满足：0.55≤f3/f≤0.65；弯月形负透镜的有效焦距f4满足：
‑
2.9≤f4/f≤
‑
2.7。
[0012]进一步地，第一弯月形正透镜与双凹负透镜之间于光轴上的距离为T12，双凹负透镜与第二弯月形正透镜之间于光轴上的距离为T23，双凹负透镜于光轴上的厚度为CT2，则T12、T23和CT2满足：3.2≤(T12+T23)/CT2≤3.6。
[0013]进一步地，双凹负透镜朝向像方一侧表面为非球面，双凹负透镜朝向像方一侧表面满足面型方程：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为六阶非球面系数、C为八阶非球面系数、D为十阶非球面系数。
[0014]进一步地，双凹负透镜朝向像方一侧表面的非球面系数分别为：k＝0，A＝
‑
2.598806e
‑
006，B＝
‑
1.788164e
‑
009，C＝2.378721e
‑
012，D＝0。
[0015]进一步地，弯月形负透镜朝向物方一侧表面采用衍射非球面，弯月形负透镜朝向物方一侧表面满足面型方程：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为六阶非球面系数、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。
[0016]进一步地，弯月形负透镜朝向物方一侧表面的非球面系数分别为：k＝0，A＝
‑
1.733180e
‑
005，B＝
‑
3.923963e
‑
008，C＝4.173116e
‑
011，HOR＝1，C1＝0.00016023，C2＝
‑
5.00616326e
‑
007，C3＝0。
[0017]进一步地，所述的光学系统实现的技术参数为：工作波段：8μm～12μm；F
#
：1.0；焦距：45mm；视场：19.4
°×
15.5
°
，像面直径：Φ19.7mm，工作温度范围：
‑
55℃～+70℃；其中，F
#
计算公式为f/D，f为光学系统的焦距，D为入射光瞳直径。
[0018]进一步地，所述光学系统适配的探测器为1280
×
1024非制冷红外探测器，像元尺寸为12μ本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种小型化高分辨率宽温无热化红外光学系统，其特征在于，由从物方至像方依次同轴设置的第一弯月形正透镜、双凹负透镜、第二弯月形正透镜和弯月形负透镜组成，其中，第一弯月形正透镜、第二弯月形正透镜和弯月形负透镜均弯向像方设置。2.根据权利要求1所述的一种小型化高分辨率宽温无热化红外光学系统，其特征在于，所述的第一弯月形正透镜所采用的材料为单晶锗；双凹负透镜、第二弯月形正透镜和弯月形负透镜所采用的材料均为硫系玻璃IRG206。3.根据权利要求1所述的一种小型化高分辨率宽温无热化红外光学系统，其特征在于，令光学系统的焦距为f，则本发明光学系统所包含的各个透镜的有效焦距满足以下条件：第一弯月形正透镜的有效焦距f1满足:1.0≤f1/f≤1.2；双凹负透镜的有效焦距f2满足：
‑
0.7≤f2/f≤
‑
0.6；第二弯月形正透镜的有效焦距f3满足：0.55≤f3/f≤0.65；弯月形负透镜的有效焦距f4满足：
‑
2.9≤f4/f≤
‑
2.7。4.根据权利要求1所述的一种小型化高分辨率宽温无热化红外光学系统，其特征在于，第一弯月形正透镜与双凹负透镜之间于光轴上的距离为T12，双凹负透镜与第二弯月形正透镜之间于光轴上的距离为T23，双凹负透镜于光轴上的厚度为CT2，则T12、T23和CT2满足：3.2≤(T12+T23)/CT2≤3.6。5.根据权利要求1所述的一种小型化高分辨率宽温无热化红外光学系统，其特征在于，双凹负透镜朝向像方一侧表面为非球面，双凹负透镜朝向像方一侧表面满足面型方程：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为六阶非球面系数、C为八阶非球面系数、D为十阶非球面系数。6.根据权利要求5所述的一种小型化高分辨率宽温无热化红外光学系统，其特征在于，双凹负透镜朝向像方一侧表面的非球面系数分别为：k＝0，A＝
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2.598806e
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00...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴海清，李鹏飞，张昉，
申请(专利权)人：凯迈洛阳测控有限公司，
类型：发明
国别省市：