透射式非制冷被動消熱差長波紅外光學系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提出的一種透射式非制冷被動消熱差長波紅外光學系統(tǒng)，旨在提供一種硫系玻璃口徑較小，能夠在8μm～12μm長波紅外波段，用于非制冷長波紅外探測器的具有光學被動消熱差性能的光學系統(tǒng)。本發(fā)明通過以下述技術(shù)方案予以實現(xiàn)：無窮遠平行光從物面經(jīng)球罩進入口徑最大的一片彎月正透鏡(3)形成匯聚光，匯聚光進入彎月負透鏡(4)降低匯聚角度并校正部分色差、熱差和單色像差，通過純球面的第二彎月正透鏡(5)增加匯聚角，由其后凹面負透鏡(6)平衡熱差和減小像差并減小光線匯聚角，進入匹茲萬結(jié)構(gòu)的后組即雙凸正透鏡(7)進一步平衡系統(tǒng)殘余的熱差、色差和單色像差，并成像在探測器焦面(8)，完成成像的全過程。
【專利說明】透射式非制冷被動消熱差長波紅外光學系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種透射式非制冷被動消熱差長波紅外光學系統(tǒng)，尤其是能夠在8 μ m?12 μ m長波紅外波段，-45?60°C溫度范圍內(nèi)具有光學被動消熱差性能的透射式光學系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]光學儀器經(jīng)在較大溫度范圍內(nèi)使用時，鏡筒材料、光學材料的熱脹冷縮以及光學材料的溫度折射率系數(shù)會使鏡頭光焦度發(fā)生變化，產(chǎn)生離焦現(xiàn)象，使成像質(zhì)量惡化。尤其是紅外光學系統(tǒng)，由于常用的紅外光學材料，如鍺材料的折射率溫度系數(shù)dn/dT高達386X 10-6/K，是可見光玻璃dn/dT的近80倍，在環(huán)境溫度有較大變化時，紅外光學材料的折射率變化較大；因普鏡筒材料普遍采用線膨脹系數(shù)為23.6X 10_6/K的鋁合金，當環(huán)境溫度有較大變化時也會造成較大的熱離焦；而光學元件因材料本身的線膨脹系數(shù)，在環(huán)境溫度有較大變化時的曲率和厚度、非球面系數(shù)等都會發(fā)生變化。以上效果使紅外光學系統(tǒng)產(chǎn)生熱離焦，即熱差，導致系統(tǒng)成像質(zhì)量變差。因此需要對紅外光學系統(tǒng)進行消熱差設計，主要通過一定的機械、光學及電子等技術(shù)，使紅外光學系統(tǒng)在一個變化范圍較大的溫度區(qū)間內(nèi)保持成像質(zhì)量的穩(wěn)定。目前的消熱差方式主要有:機電主動式、機械被動式和光學被動式。光學被動式通過合理分配光焦度和光學材料，實現(xiàn)焦面位置與鏡筒長度變化的匹配，從而在規(guī)定溫度范圍內(nèi)保證鏡頭的成像質(zhì)量。
[0003]現(xiàn)有透射式長波紅外非制冷消熱差光學系統(tǒng)，為了獲得較好的光學被動式消熱差和消色差性能，大量采用折射率溫度系數(shù)較低，色散性能較好的硫系玻璃作為透鏡材料，尤其是在口徑最大的透鏡上采用硫系玻璃材料消熱差和色差性能較為顯著。但硫系玻璃是一種微晶化的玻璃材料，其光學均勻性、條紋度、應力雙折射等性能較不穩(wěn)定，運用于大口徑透鏡上容易降低光學系統(tǒng)的成像質(zhì)量；同時其理化性能較差，在大口徑透鏡上加工非球面和膜層鍍制難度較大。另一種實現(xiàn)光學被動消熱差的方法是在光學系統(tǒng)中采用二元光學衍射元件形成折衍混合系統(tǒng)，利用二元光學衍射元件負的色散系數(shù)和較大的溫度補償特性來消除光學系統(tǒng)熱差。但二元光學衍射元件只對特定的波長有較高的衍射效率，隨著波段的不斷變寬，其衍射效率急劇下降，造成光學系統(tǒng)能量不足；且衍射光學元件難以檢測，對加工要求較高。
[0004]發(fā)表于中文期刊《應用光學》第32卷第6期(2011年11月)的《大相對孔徑長波紅外光學系統(tǒng)無熱化設計》，介紹了一個應用于長波紅外波段采用非制冷探測器F#1的光學鏡頭，其口徑最大的第一片光學鏡片米用了 AMTIRl的硫系玻璃材料,且第一面為非球面。由于硫系玻璃是一種微晶化的玻璃材料，其光學均勻性、條紋度、應力雙折射等性能較不穩(wěn)定，運用于大口徑透鏡上容易降低光學系統(tǒng)的成像質(zhì)量；同時其理化性能較差，在大口徑透鏡上加工非球面和膜層鍍制難度較大。
[0005]發(fā)表于中文期刊《紅外技術(shù)》第30卷第10期(2008年10月)的《長波紅外光學系統(tǒng)無熱化設計》，介紹了一個應用于長波紅外波段采用非制冷探測器F#1的折衍混合光學系統(tǒng)，為消熱差，在硒化鋅透鏡上采用了二元光學衍射面。由于二元光學衍射元件只對特定的波長有較高的衍射效率，隨著波段的不斷變寬，其衍射效率急劇下降，造成光學系統(tǒng)能量不足；且衍射光學元件難以檢測，對加工要求較高。
[0006]發(fā)表于中文期刊《光子學報》第36卷第I期(2007年I月)的《8?12 μ m波段折/衍混合反攝遠系統(tǒng)消熱差設計》，介紹了一個應用于長波紅外波段采用非制冷探測器F#2的折衍混合光學系統(tǒng)，為消熱差，在鍺材料透鏡的平面部分加工了二元光學衍射面。由于二元光學衍射元件只對特定的波長有較高的衍射效率，隨著波段的不斷變寬，其衍射效率急劇下降，造成光學系統(tǒng)能量不足；且衍射光學元件難以檢測，對加工要求較高。且該系統(tǒng)F#2，光學系統(tǒng)艾利斑較大，難以在長波紅外非制冷探測器上產(chǎn)生較高的信噪比。
[0007]以上介紹的現(xiàn)有長波紅外消熱差光學系統(tǒng)，要么采用了大口徑的硫系玻璃材料作為透鏡，并在透鏡面上加工非球面配合全系統(tǒng)消熱差，要么采用二元光學衍射面作為消熱差的主要手段。對應的不足之處，要么是二元光學面在光學系統(tǒng)的加工、檢測和方面較為困難，要么是大口徑硫系玻璃透鏡材料的性能不穩(wěn)定，光學系統(tǒng)的加工、鍍膜有一定難度，且像質(zhì)容易受到大口徑硫系玻璃透鏡材料非均勻性的影響，如果要獲得較好光學性能如非光學均勻性、條紋度、應力雙折射等參數(shù)的大口徑硫系玻璃材料，則價格較為昂貴。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處，提供一種沒有二元光學衍射面，硫系玻璃口徑較小，即較小口徑則較容易保證條紋度、光學均勻性、應力雙折射等光學參數(shù)性能，能夠在8 μ m?12 μ m長波紅外波段，在_45?60°C溫度范圍內(nèi)具有良好的成像質(zhì)量和消熱差效果，采用光學被動消熱差方式光學鏡頭的長波紅外光學系統(tǒng)。
[0009]為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供的一種透射式非制冷被動消熱差長波紅外光學系統(tǒng)，包括:硒化鋅材料的第一彎月正透鏡3、硫化鋅材料的彎月負透鏡4、硫系玻璃GASIRl材料的第二彎月正透鏡5、鍺材料的凹面負透鏡6和硒化鋅材料的雙凸正透鏡7，其特征在于:采用變形的匹茲萬結(jié)構(gòu)，第一彎月正透鏡3?凹面負透鏡6為匹茲萬結(jié)構(gòu)的前組，入瞳置于第一彎月正透鏡3靠近物面I 一側(cè)的面上，無窮遠平行光從物面I經(jīng)球罩2進入口徑最大的彎月正透鏡3形成匯聚光，匯聚光進入彎月負透鏡4降低匯聚角度并校正部分色差、熱差和單色像差，通過純球面的第二彎月正透鏡5增加匯聚角，由其后凹面負透鏡6平衡熱差和減小像差，凹面負透鏡6減小了匯聚角的光線進入變形的匹茲萬結(jié)構(gòu)正光焦度的后組即雙凸正透鏡7進一步平衡系統(tǒng)殘余的熱差、色差和單色像差，并成像在探測器焦面8，完成成像的全過程。
[0010]本發(fā)明相比于現(xiàn)有技術(shù)具有如下有益效果:
[0011]本發(fā)明采用現(xiàn)有常用透鏡材料和鏡筒配和完成光學被動消熱差，沒有二元光學衍射面。本發(fā)明采用傳統(tǒng)的光學被動消熱差原理，利用不同透鏡材料的組合配對實現(xiàn)消色差和光學系統(tǒng)的光學被動消熱差，因而毋須利用二元光學衍射面負的色散系數(shù)消色差，以及二元光學衍射面較大的溫度補償特性來消除光學系統(tǒng)熱差。由于不存在衍射效率和加工檢測較難的問題。避免了現(xiàn)有技術(shù)光學系統(tǒng)能量不足，衍射光學元件難以檢測，對加工要求較高的問題。
[0012]硫系玻璃口徑較小。本發(fā)明米用了 一片純球面的硫系玻璃GASIRl,除去球罩,置于光學系統(tǒng)的第三片，而口徑最大的第一片透鏡采用了傳統(tǒng)的硒化鋅材料球面透鏡。由于硫系玻璃是一種微晶化的玻璃材料，其光學均勻性、條紋度、應力雙折射等性能較不穩(wěn)定，運用于大口徑透鏡上容易降低光學系統(tǒng)的成像質(zhì)量；同時其理化性能較差，在大口徑透鏡上加工非球面和膜層鍍制難度較大。由于本發(fā)明采用口徑較小的硫系玻璃，能夠避免硫系玻璃口徑較大均勻性不好的難題，以及在理化性能不高的大口徑硫系玻璃上加工非球面和鍍膜的問題。
[0013]本發(fā)明采用了 4種光學材料合理分配組合消熱差、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、透鏡片數(shù)少(五片)。該系統(tǒng)在一 45?60°C溫度范圍內(nèi)，最大離焦量小于I倍焦深，空間截止頻率301p/mm處，光學調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)值大于0.5，接近衍射極限。分析結(jié)果表明:該系統(tǒng)具有良好的成像質(zhì)量和無熱效果。所設計的系統(tǒng)除去球罩共用5個光學元件。光學系統(tǒng)通過透鏡材料組合和光焦度分配，配合鏡筒材料的熱脹冷縮，實現(xiàn)光學被動消熱差效果。系統(tǒng)工作溫度在-45°C?60°C環(huán)境下，各個溫度下的系統(tǒng)傳遞函數(shù)(MTF)值在空間截止頻率301p/_處均大于0.5，具有高像質(zhì)、工作溫度范圍寬、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，成像分辨率高、良好的成像質(zhì)量、視場大且體積小、系統(tǒng)透過率高、相對孔徑大、調(diào)制傳遞函數(shù)MTF接近衍射極限等優(yōu)點。本發(fā)明適用于像元數(shù)為1024X768，像元尺寸為17 μ m的非制冷長波紅外焦平面探測器。當采用鋁合金鏡筒時，通過透鏡材料的配對組合與鏡筒材料線膨脹系數(shù)a L和長度L的匹配，順次排列，在_45°C?60°C溫度范圍內(nèi)，毋須調(diào)焦，在空間截止頻率301p/mm時MTF均值變化不超過10%。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明透射式非制冷被動消熱差長波紅外光學系統(tǒng)的構(gòu)造示意圖
[0015]圖中:1物面，2球罩，3第一彎月正透鏡，4彎月負透鏡，5第二彎月正透鏡，6凹面負透鏡，7雙凸正透鏡，8焦面。
【具體實施方式】
[0016]為了進一步清楚闡述本發(fā)明，下面將提供【具體實施方式】并與附圖相結(jié)合，對本技術(shù)方案進行說明，但是不應當將其理解為對本發(fā)明的限定。
[0017]參閱圖1所描述的一種透射式非制冷被動消熱差長波紅外光學系統(tǒng)，從無窮遠物面I到探測器焦面8，采用了變形的匹茲萬結(jié)構(gòu)，包括:匹茲萬結(jié)構(gòu)中正光焦度的前組，即硫化鋅材料的球罩2，硒化鋅材料的第一彎月正透鏡3，硫化鋅材料的彎月負透鏡4，硫系玻璃GASIRl材料的第二彎月正透鏡5和鍺材料的凹面負透鏡6 ;匹茲萬結(jié)構(gòu)中正光焦度的正光焦度的后組，即硒化鋅材料的雙凸正透鏡7，共采用了 4種材料。鏡筒材料可以為普通鋁合金材料，也可以為線膨脹系數(shù)更低的鈦合金或者不銹鋼或者普通鋼材料，此時消熱差性能更好。其中，本發(fā)明所采用的透鏡材料在8?12 μ m波段的光學特性如表I所示:
[0018]表I本發(fā)明所采用的透鏡材料在8?12 μ m波段的光學特性
[0019]
【權(quán)利要求】
1.一種透射式非制冷被動消熱差長波紅外光學系統(tǒng)，包括:硒化鋅材料的第一彎月正透鏡(3)、硫化鋅材料的彎月負透鏡(4)、硫系玻璃GASIRl材料的第二彎月正透鏡(5)、鍺材料的凹面負透鏡(6)和硒化鋅材料的雙凸正透鏡(7)，其特征在于:采用變形的匹茲萬結(jié)構(gòu)，第一彎月正透鏡(3)?凹面負透鏡(6)為匹茲萬結(jié)構(gòu)的前組，入瞳置于第一彎月正透鏡(3)靠近物面(I) 一側(cè)的面上，無窮遠平行光從物面(I)經(jīng)球罩⑵進入口徑最大的彎月正透鏡(3)形成匯聚光，匯聚光進入彎月負透鏡(4)降低匯聚角度并校正部分色差、熱差和單色像差，通過純球面的第二彎月正透鏡(5)增加匯聚角，由其后的凹面負透鏡(6)平衡熱差和減小像差，凹面負透鏡(6)減小了匯聚角的光線進入變形的匹茲萬結(jié)構(gòu)正光焦度的后組即雙凸正透鏡(7)進一步平衡系統(tǒng)殘余的熱差、色差和單色像差，并成像在探測器焦面(8)，完成成像的全過程。
2.如權(quán)利要求1所述的透射式非制冷被動消熱差長波紅外光學系統(tǒng)，其特征在于，全系統(tǒng)的鏡筒材料為鋁合金材料。
3.如權(quán)利要求1所述的透射式非制冷被動消熱差長波紅外光學系統(tǒng)，其特征在于，第二彎月正透鏡(5)所用硫系玻璃GASIRl材料對應國內(nèi)牌號為SIGl和IRG202。
4.如權(quán)利要求1所述的透射式非制冷被動消熱差長波紅外光學系統(tǒng)，其特征在于，第二彎月正透鏡(5)用國內(nèi)牌號為IRG201的硫系玻璃材料即對應美國牌號為AMTIRl的硫系玻璃材料代替。
5.如權(quán)利要求1所述的透射式非制冷被動消熱差長波紅外光學系統(tǒng)，其特征在于，為獲得較大的視場角，在硫化鋅材料的彎月負透鏡(4)靠近物面(I) 一側(cè)的鏡面形為非球面。
6.如權(quán)利要求1所述的透射式非制冷被動消熱差長波紅外光學系統(tǒng)，其特征在于，為獲得較大的視場角，在彎月負透鏡(6)靠近物面(I) 一側(cè)的鏡面形為非球面。
7.如權(quán)利要求1所述的透射式非制冷被動消熱差長波紅外光學系統(tǒng)，其特征在于，雙凸正透鏡(7)靠近物面(I) 一側(cè)的鏡面形為非球面。
【文檔編號】G02B13/14GK103995344SQ201410255839
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年6月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月10日
【發(fā)明者】鄧鍵, 郭立新, 李華, 秦忠洋, 吳曄 申請人:西南技術(shù)物理研究所