CN114137699A - 一种小型高分辨率无热化中波红外光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及红外光学系统技术领域，具体涉及一种小型高分辨率无热化中波红外光学系统。采用二次成像的结构形式，二次成像组件能够压缩前组透镜口径，满足100％冷光阑效率，使用一片锗基底衍射元件，极大的简化结构,第一片透镜有效口径38mm，绝对长度170mm，能够达到较好的成像质量，系统包括前组和后组，其中前组包括4片透镜，后组包括3片透镜，透镜材料全为红外光学系统常用材料硅和锗，通过不同材料的搭配、常规透镜和衍射元件的搭配，实现‑30℃～+60℃温度范围内的无热化，本发明光学镜头焦距为150mm，F数为4。本发明镜头适用于高分辨率1280×1024中波制冷探测器；具有紧凑、小体积、无热化和高分辨率等特点，全温段范围具有良好的成像质量。

Description

一种小型高分辨率无热化中波红外光学系统

技术领域

本发明涉及红外光学系统技术领域，具体涉及一种小型高分辨率无热化中波红外光学系统。

背景技术

红外热像仪不受雾、雨等不良气候条件的影响，可全天候工作，且采用被动工作模式，抗干扰能力强，近年来，在军事和民用领域都有较大的发展。制冷型红外系统具有非制冷型红外系统不可比拟的优势，主要体现在作用距离和成像效果上，因此，在要求较高的使用场景，如军事和航天领域，制冷型热像仪应用广泛。

随着温度的变化，光学系统的参数(r、d、n)会发生改变而产生离焦，像质下降明显。因此，对于较宽的温度范围，需要采用温度补偿措施。总的来说，温度补偿有两种方式：一种通过调焦进行温度补偿，当环境温度变化时，采用人眼观察或温度传感器反馈的方式，手动或自动调节某组镜片的轴向位置，实现温度补偿；另外一种是光学被动无热化温度补偿，该方式利用不同材质热系数不同的原理，实现光学系统不同部分正负热离焦相互补偿，实现在宽温度内不调焦而成像质量不变。对比之下，光学被动无热化温度补偿更有优势。

传统的被动无热化光学系统结构复杂，且成像能力有限。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种小型高分辨率无热化中波红外光学系统，具有紧凑、小体积、无热化和高分辨率等特点，全温段范围具有良好的成像质量。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种小型高分辨率无热化中波红外光学系统，其特征在于，从物方到像方共七片透镜，依次包括前组和后组，其中：

前组包括前组透镜一、前组透镜二、前组透镜三、前组透镜四等共四片透镜，后组包括后组透镜一、后组透镜二、后组透镜三共三片透镜；

物方成像光束依次经过前组透镜一、前组透镜二、前组透镜三、前组透镜四后一次成像，再经过后组透镜一、后组透镜二、后组透镜三二次成像在探测器上；

温度变化时，通过不同材料硅和锗的搭配、常规透镜和衍射元件的搭配，实现-30℃～+60℃温度范围内的无热化，全温度段内清晰成像。

进一步的，所述七片透镜材料均取红外光学系统常用的材料硅和锗，光线入射方向为物方，光线出射方向为像方，前组透镜一为一片凸面向物方的弯月形硅正透镜，前组透镜二为一片双凹锗负透镜，前组透镜三为一片凸面向物方的弯月形锗正透镜，前组透镜四为一片凸面向像方的弯月形硅负透镜，后组透镜一为一片双凸硅正透镜，后组透镜二为一片双凹锗负透镜，后组透镜三为一片凸面向物方的弯月形硅正透镜。

进一步的，该光学系统的镜头焦距为150mm，F数为4。

进一步的，前组透镜二的第一面为锗基底的非球面衍射面，前组透镜三的第一面、前组透镜四的第一面、后组透镜二的第二面分别为非球面。

进一步的，沿光轴方向，在-30℃～+60℃温度范围内，其前组透镜一第一面顶点到像面的距离保持为170.00mm，距离不发生改变，全温段范围内成像清晰，无任何机械调焦补偿机构，适于加工和装调。

进一步的，该光学系统的镜头分辨率高，适用于像元数1280×1024、像元大小15×15μm的高分辨率大靶面中波制冷探测器。

本发明与现有技术相比具有以下主要的优点：

1、该光学系统基于不同材质复杂面型对成像效果的影响，使用一片基于锗基底的衍射元件，利用锗衍射透镜与普通锗透镜热差相反的性质，对热差和色差进行良好的校正，极大的简化系统，减少光学系统的透镜数量，提高系统透过率，压缩系统长度，绝对长度仅为170mm，光机结构紧凑，重量轻。

2、该光学系统采用二次成像的结构形式，不仅满足100％冷光阑效率，并且能够压缩前组透镜口径。

3、该光学系统严格控制冷反射效应，即控制探测器经过透镜各个面反射后最终成像在探测器靶面上的RMS值大小，不会出现鬼像。

附图说明

图1为本发明的光学系统示意图；

图中，1-前组透镜一，2-前组透镜二，3-前组透镜三，4-前组透镜四，5-后组透镜一，6-后组透镜二，7-后组透镜三；

图2为本发明的光学系统常温二维图；

图3为本发明的光学系统-30℃低温二维图；

图4为本发明的光学系统60℃高温二维图；

图5为本发明的光学系统常温16lp/mm时MTF图；

图6为本发明的光学系统-30℃低温16lp/mm时MTF图；

图7为本发明的光学系统60℃高温16lp/mm时MTF图；

图8为本发明的光学系统常温点列图；

图9为本发明的光学系统-30℃低温点列图；

图10为本发明的光学系统60℃高温点列图；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。

一、光学系统结构

根据本发明实施的一种小型高分辨率无热化中波红外光学系统，如图1所示，包括前组和后组，其中前组包括前组透镜一1、前组透镜二2、前组透镜三3、前组透镜四4等共四片透镜，后组包括后组透镜一5、后组透镜二6、后组透镜三7共三片透镜，物方成像光束依次经过前组透镜一1、前组透镜二2、前组透镜三3、前组透镜四4后一次成像，再经过后组透镜一5、后组透镜二6、后组透镜三7后二次成像在探测器上。

本系统的七片透镜均共轴布置，极大的简化系统，减少光学系统的透镜数量，提高系统透过率，压缩系统长度，绝对长度仅为170mm，光机结构紧凑，重量轻。

进一步的，本系统所使用的透镜材料均取红外光学系统常用的材料硅和锗，光线入射方向为物方，光线出射方向为像方，前组透镜一1为一片凸面向物方的弯月形硅正透镜，前组透镜二2为一片双凹锗负透镜，前组透镜三3为一片凸面向物方的弯月形锗正透镜，前组透镜四4为一片凸面向像方的弯月形硅负透镜，后组透镜一5为一片双凸硅正透镜，后组透镜二6为一片双凹锗负透镜，后组透镜三7为一片凸面向物方的弯月形硅正透镜。

本发明的小型高分辨率无热化中波红外光学系统，焦距为150mm，F数为4。

二、具体原理

物方的成像光束依次经过前组透镜一1、前组透镜二2、前组透镜三3、前组透镜四4后一次成像，再经过后组透镜一5、后组透镜二6、后组透镜三7后二次成像在探测器上，光学系统焦距150mm。

本系统利用不同材质热系数不同的原理，前组透镜一1采用一片凸面向物方的弯月形硅正透镜；前组透镜二2采用一片双凹锗负透镜，其第一面为锗基底的非球面衍射面，非球面系数为K＝0，A＝-4.01×10^-6，B＝-9.15×10^-9，衍射面系数为C1＝0.95×10^-4，C2＝3.87×10^-8；前组透镜三3采用一片凸面向物方的弯月形锗正透镜，第一面为非球面，非球面系数为A＝4.05×10^-7，B＝-1.96×10^-10；前组透镜四4采用一片凸面向像方的弯月形硅负透镜，第一面为非球面，非球面系数为A＝-7.03×10^-7，B＝9.75×10^-9；后组透镜一5采用一片双凸硅正透镜；后组透镜二6采用一片双凹锗负透镜，第二面为非球面，A＝6.89×10^-7，B＝1.05×10^-10组透镜三7采用一片凸面向物方的弯月形硅正透镜。

本系统共采用了三片常规透镜、三片非球面透镜，一片非球面带衍射面透镜，通过不同透镜材质的搭配，以及常规透镜和衍射透镜的搭配，利用锗衍射透镜与普通锗透镜热差相反的性质，对热差和色差进行良好的校正，实现光学系统不同部分正负热离焦相互补偿，实现在宽温度内不调焦而成像质量不变。在-30℃～+60℃温度范围内，其前组透镜一第一面顶点到像面的距离保持为170.00mm，距离不发生改变，全温段范围内成像清晰，无任何机械调焦补偿机构，适于加工和装调。

进一步地，本系统的镜头采用二次成像的结构形式，不仅满足100％冷光阑效率，并且能够压缩前组透镜口径。

进一步地，本发明实施例中，前组透镜一1第一面顶点沿光路方向距离一次像点的距离为107.7mm，一次像点距离探测器靶面的距离为62.3mm。

三、实验验证

图2为本发明的光学系统常温二维图；

图3为本发明的光学系统低温-30℃二维图；

图4为本发明的光学系统高温60℃二维图；

进一步的，由图2～图4可知，在-30℃～+60℃温度范围内，不改变各透镜位置和镜头焦距的情况下，温度变化对本光学系统二维路径影响不大。

图5为本发明的光学系统常温在16lp/mm各视场的传递函数曲线；

图6为本发明的光学系统低温-30℃在16lp/mm时各视场的传递函数曲线；

图7为本发明的光学系统高温60℃在16lp/mm时各视场的传递函数曲线；

进一步的，由图5～图7可知，在-30℃～+60℃温度范围内，不改变各透镜位置和镜头焦距的情况下，温度变化对各视场的传递函数曲线影响不大。

图8为本发明的光学系统常温时各视场的弥散斑大小；

图9为本发明的光学系统低温-30℃各视场的弥散斑大小；

图10为本发明的光学系统高温60℃各视场的弥散斑大小；

进一步的，由图8～图9可知，在-30℃～+60℃温度范围内，不改变各透镜位置和镜头焦距的情况下，温度变化对各视场的弥散斑大小影响不大。

因此，验证了本发明的光学系统在-30℃～+60℃温度范围内，全温段范围内能够保证成像清晰。

本发明的基于锗基底衍射面的小型高分辨率无热化中波红外光学系统，使用一片锗基底衍射元件，极大简化了系统，使得光学系统绝对长度仅为170mm，采用二次成像的结构形式，系统满足100％冷光阑效率，光机结构紧凑、重量轻，具有良好的应用前景，尤其适用于吊舱类光电设备。

中波红外光学系统常用材料为硅、锗、硒化锌等，对于一般的中波红外光学系统，前固定组口径较大，优先选用密度小的硅材料，同时前组对像差优化贡献最大，使用复杂面型能够获得更好成像效果，硅材料具有脆硬等物理特性，加工过程中刀具和材料之间的振动往往很容易出现崩边等问题，表面光洁度以及面型精度也很难控制，因此选择在锗、硒化锌等软材料上制作衍射面，本发明使用一片基于锗基底的衍射元件，利用锗衍射透镜与普通锗透镜热差相反的性质，对热差和色差进行良好的校正，利用锗衍射面进行折/衍混合光学系统设计，可以减少光学系统的透镜片数，进而减轻系统重量，提高系统透过率。因此，本发明在前组采用锗基底非球面和衍射面进行像差校正，获得了良好的成像效果。

综上所述，本发明的小型高分辨率无热化中波红外光学系统，采用二次成像，使用一片基于锗基底的衍射面，压缩前组透镜口径，满足100％冷光阑效率，像差得到良好的校正，系统包括前组和后组，在-30℃～+60℃温度范围内，通过不同材料、折衍元件混合搭配，保持其前组透镜一第一面顶点到像面的距离保持为170.00mm，达到无热化的目的，本发明具有紧凑、小体积、轻重量、高分辨率、无热化等特点，全温段具有良好的成像质量。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种小型高分辨率无热化中波红外光学系统，其特征在于，设有共轴的七片透镜，所述透镜从物方到像方分为前组和后组，其中：

前组由前组透镜一、前组透镜二、前组透镜三、前组透镜四组成；

后组由后组透镜一、后组透镜二、后组透镜三组成；

物方成像光束依次经过前组透镜一、前组透镜二、前组透镜三、前组透镜四后一次成像，再经过后组透镜一、后组透镜二、后组透镜三二次成像在探测器上；

所述七片透镜采用硅或锗材质相搭配，所述七片透镜包含三片常规透镜、三片非球面透镜和一片非球面带衍射面透镜，用于补偿不同温度下，光学系统像面漂移，实现-30℃～+60℃全温度段内清晰成像。

2.根据权利要求1所述的一种小型高分辨率无热化中波红外光学系统，其特征在于，所述前组透镜一为一片凸面向物方的弯月形硅正透镜，前组透镜二为一片双凹锗负透镜，前组透镜三为一片凸面向物方的弯月形锗正透镜，前组透镜四为一片凸面向像方的弯月形硅负透镜，后组透镜一为一片双凸硅正透镜，后组透镜二为一片双凹锗负透镜，后组透镜三为一片凸面向物方的弯月形硅正透镜。

3.根据权利要求2所述的一种小型高分辨率无热化中波红外光学系统，其特征在于，所述前组透镜二的第一面为锗基底的非球面衍射面。

4.根据权利要求2所述的一种小型高分辨率无热化中波红外光学系统，其特征在于，所述前组透镜三的第一面、前组透镜四的第一面均为非球面。

5.根据权利要求2所述的一种小型高分辨率无热化中波红外光学系统，其特征在于，所述后组透镜二的第二面为非球面。

6.根据权利要求1所述的一种小型高分辨率无热化中波红外光学系统，其特征在于，所述光学系统的镜头焦距为150mm，F数为4。

7.根据权利要求1所述的一种小型高分辨率无热化中波红外光学系统，其特征在于，所述前组透镜一第一面顶点到像面的距离保持为170.00mm，在-30℃～+60℃温度范围内，所述距离不发生改变。

8.根据权利要求1～7所述的一种小型高分辨率无热化中波红外光学系统，其特征在于，所述光学系统适用于像元数1280×1024、像元大小15×15μm的高分辨率大靶面中波制冷探测器。

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