长波长焦非制冷无热化红外光学系统技术方案

本发明专利技术涉及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；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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及长波长焦非制冷无热化红外光学系统，属于光学

技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术的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X—Σν^Φ^ ο,其中为光学元件的总面数；,为光学元件的光焦度.为近轴光线hmir # 22在光学元件上的入射高度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;￡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= 2af,与基底材料的折射率无关，其中1Z^l为衍射元件的热膨胀系数；i^f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Cl=-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。本专利技术的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，本专利技术在 宽广温度范围内-40°C +60°C成像质量较高，中心视场251p/mm处MTF值不小于0. 55，边 缘视场，251p/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是本专利技术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°C均勻温度环境下的该系统的调制传递函数MTF评价； 图4是20°C均勻温度环境下该系统的调制传递函数MTF评价； 图5是60°C均勻温度环境下该系统的调制传递函数MTF评价。具体实施方式本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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＊（ｈ↓［ｉ］↑［２］ｘ↓［ｉ］φ↓［ｉ］）－α↓［ｋ］Ｌ＝０，其中ｎ为光学元件的总面数；φ↓［ｉ］为光学元件的光焦度；ｈ↓［ｉ］为近轴光线在光学元件上的入射高度；ｘ↓［ｉ］为光学元件的光热膨胀系数；α↓［ｉ］为光学系统外部结构的线膨胀系数；Ｌ为镜筒的长度。

【技术特征摘要】
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、曲率半径满足公式麗—0,其中为光学元件的总面数；,为光学元件的光焦度；为近轴光线2.根据权利要求1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...

【专利技术属性】
技术研发人员：王希军，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所，
类型：发明
国别省市：41[中国|河南]