一种长焦光学被动消热差非制冷长波红外光学系统的制作方法

1.本发明属于光学设计技术领域，涉及一种低成本、长焦光学被动消热差非制冷长波红外光学系统。


背景技术：

2.由于红外光学系统独特的探测优势，非制冷探测器技术的不断发展和日益成熟，长波红外非制冷光学系统在各个领域得到了广泛的应用。但是由于红外光学系统独特的材料，红外光学系统经在较大温度范围内使用时，工作温度的剧烈变化会对红外光学材料及机械材料产生热变形，导致光学系统的焦距变化、像面漂移、成像质量下降。因此需要对红外光学系统进行消热差设计，目前的消热差方式主要有：机电主动式、机械被动式和光学被动式。光学被动式通过合理分配光焦度和光学材料，实现焦面位置与镜筒长度变化的匹配，从而在规定温度范围内保证镜头的成像质量。具有重量轻、结构简单，更适合红外光学系统的需求，但传统的折射光学系统中只能通过改变曲面的曲率或使用不同的材料来校正像差，需要至少三种以上的材料，使得透镜数量增加，系统结构复杂。
3.中国专利公报公开了一种“用于非制冷长波红外成像的光学被动消热差光学系统”(公开号：cn216696831u)，使用了4片非球面透镜，降低了红外系统的透过率，且增加了加工成本。现有的另一种实现光学被动消热差的方法是在光学系统中采用二元光学衍射元件形成折衍混合系统，利用二元光学衍射元件的负色散的色散系数和较大的温度补偿特性来消除光学系统热差，但是光学系统通过采用多个衍射面，一方面会严重降低系统效率，造成光学系统能量不足，如中国专利公报公开的一种“基于折衍混合透镜的三片式被动消热差长波红外光学系统”(cn115639662a)，该系统通过采用2个折衍混合透镜，另一方面会增加加工成本，不利于产品的推广，没有价格优势。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是提供一种成本低，结构简单的长焦光学被动消热差非制冷长波红外光学系统。
5.为了解决上述技术问题，本发明的长焦光学被动消热差非制冷长波红外光学系统，从物方到像方由沿光轴方向同光轴依次设置的第一弯月正透镜、孔径光阑、弯月负透镜、第二弯月正透镜组成；第一弯月正透镜凸面面向物侧，朝像面一侧为偶次球面，朝像面一侧为非球面；弯月负透镜凸面面向物侧，为球面透镜；第二弯月正透镜凸面面向物侧，朝物面一侧为偶次非球面，朝像面一侧为球面；第一弯月正透镜和第二弯月正透镜均采用硫系玻璃材料。
6.所述第一弯月正透镜前表面有效孔径为96-102mm，后表面有效孔径为82.9-96.2mm；孔径光阑的有效孔径为80.1mm-85.8mm；弯月负透镜前表面有效孔径为73.7mm-78.43mm，后表面有效孔径为52.26mm-55.77mm；第二弯月正透镜前表面有效孔径为53.59mm-60.1mm，后表面有效孔径为48.7mm-55.2mm。
7.所述的第一弯月正透镜和第二弯月正透镜材料优选irg206。
8.所述的弯月负透镜材料采用znse。
9.所述的第一弯月正透镜前后表面曲率半径分别为80.15-100.43mm、160-180.88mm；弯月负透镜前后表面曲率半径分别为84.37-95.14mm、35.77-45.46mm；第二弯月正透镜前后表面曲率半径分别为80.12-86.99mm、289.73-301.54mm。
10.所述的第一弯月正透镜后表面的圆锥系数k＝0，高次非球面系数a4、a6、a8分别为2.817e-005～7.237e-06、-5.749e-010～-1.375e-15、3.254e-017～9.723e-015，第二弯月正透镜前表面的圆锥系数k＝0，高次非球面系数a4、a6、a8分别为3.101e-008～3.245e-006、1.785e-012～3.74e-010、2.107e-15～3.046e-13。
11.所述的第一弯月正透镜厚度为13-16mm，弯月负透镜厚度为15.76-20.32mm，第二弯月正透镜厚度为12.4-18.97mm。
12.所述的第一弯月正透镜与弯月负透镜之间的空气间隔为8.9-20.6mm，弯月负透镜与第二弯月正透镜之间的空气间隔为35.75-45.08mm。
13.所述的第一弯月正透镜与光阑之间的空气间隔为6.7-12.3mm。
14.本发明的有益效果：
15.本发明通过在光学系统中采用最大口径的第一弯月正透镜为非球面硫系玻璃透镜，最大限度地利用硫系玻璃的低成本、低折射率系数和好的色散性能、以及非球面的良好的校正像差、减少光学系统元件的能力，解决温度改变发生的系统焦移，更好的实现消热差的目的，达到最佳的成像效果。能够在8-14um长波红外波段，在-40℃～+60℃温度范围内具有良好的成像质量和消热差效果。采用非球面硫系玻璃消热差，不仅能在较大视场内得到接近衍射极限的成像质量，很宽的温度工作范围，而且材料少，结构简单，体积小，重量轻。
16.本发明采用硫系玻璃作为非球面透镜，硫系玻璃相对于传统的锗等，具有低成本、低折射率系数和好的色散性能，在不降低光学系统成像质量的情况下，该系统仅采用两个非球面透镜和一个球面透镜，极大的降低了光学系统的加工制造成本。
17.本发明采用了2种光学材料，合理分配组合消热差，结构简单紧凑，透镜片数少，具有良好的成像质量和无热效果。去除了现有技术中的平面保护窗口，共用3个光学元件，仅有2个光学元件为非球面，通过透镜材料组合和光焦度分配，配合镜筒材料的热胀冷缩，实现光学被动消热差效果。系统工作温度在-40℃～+60℃环境下，各个温度下的系统传递函数mtf值在空间截止频率30lp/mm处均大于0.4，具有低成本、高像质、工作温度范围宽、结构紧凑、重量轻，成像分辨率高、良好的成像质量、体积小、系统透过率高、调制传递函数mtf接近衍射极限等优点。
18.本发明适用于像元数为640
×
512、像元尺寸为17um的非制冷长波红外焦平面探测器。当采用铝合金镜筒时，通过透镜材料的配对组合与镜筒材料线膨胀系数与长度的匹配，顺序排列，在-40℃～+60℃温度范围内，无须调焦，在空间截止频率30lp/mm时mtf均值变化不超过10％。
附图说明
19.图1是本发明的整体结构示意图。
20.图2是本发明实施例1的20℃时的mtf曲线。
21.图3是本发明实施例1的20℃时的点列图。
22.图4是本发明实施例1的-40℃时mtf曲线。
23.图5是本发明实施例1的-40℃时点列图。
24.图6是本发明实施例1的60℃时mtf曲线。
25.图7是本发明实施例1的60℃时点列图。
26.图8为本发明实施例2的20℃光学传递函数(30lp/mm)。
27.图9为本发明实施例3的20℃光学传递函数(30lp/mm)。
28.图10为本发明实施例4的20℃光学传递函数(30lp/mm)。
29.图11为本发明实施例5的20℃光学传递函数(30lp/mm)。
具体实施方式
30.下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
31.在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义的理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况具体理解上述术语在本发明中的具体含义。
32.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或者仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”、“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
33.在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或者位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
34.如图1所示，本发明的长焦光学被动消热差非制冷长波红外光学系统，从物方到像方由沿光轴方向同光轴依次设置的第一弯月正透镜1、孔径光阑i、弯月负透镜2、第二弯月正透镜3组成，非制冷长波红外探测器保护窗口4同光轴设置在第二弯月正透镜3后方。无穷远平行光从物面依次进入第一弯月正透镜孔径光阑i、弯月负透镜2、第二弯月正透镜3、非制冷长波红外探测器保护窗口4，平衡系统热差、色差和单色像差，最后成像在探测器焦面，完成成像的全过程。
35.所述第一弯月正透镜1具有正光焦度，凸面面向物侧，朝物面一侧为球面，朝像面一侧为偶次非球面；弯月负透镜2具有负光焦度，凸面面向物侧，为球面透镜；第二弯月正透镜3具有正光焦度，凸面面向物侧，朝物面一侧为偶次非球面，朝像面一侧为球面。
36.所述第一弯月正透镜1和第二弯月正透镜3均采用低成本的硫系玻璃材料，优选
irg206。弯月负透镜2采用znse。
37.所述第一弯月正透镜1包括前表面s11与后表面s12，所述弯月负透镜2包括前表面s21与后表面s22，所述第二弯月正透镜3包括前表面s31与后表面s32，其中第一弯月正透镜后表面s12、第二弯月正透镜前表面s31为偶次非球面，其余均为球面；非制冷长波红外探测器保护窗口4包括前表面s41与后表面s42。
38.所述光学系统偶次非球面的公式由下式确定：
[0039][0040]
式中：z表示偶次非球面沿光轴方向在高度为r时的位置距离非球面顶点的矢高，c表示表面顶点的曲率半径，k表示圆锥系数，a4、a6、a8、表示高次非球面系数。
[0041]
实施例1
[0042]
各光学元件参数见表1-1，偶次非球面系数见表1-2，其中ti为第i个光学元件厚度，di为第i个光学元件与下一光学元件的空气间隔。
[0043]
表1-1
[0044][0045]
表1-2
[0046]
表面ka4a6a8s1206.817e-005-1.315e-0153.254e-014s3103.101e-0081.785e-0121.107e-015
[0047]
本实施例的总长小于110mm，系统的有效焦距为100mm，f数为1.1，视场角14
°
，系统畸变《1％，透过光线的波长范围在8um～14um，适配非制冷长波红外探测器的分辨率为640
×
512像素，像元间距为17微米。
[0048]
所述的非制冷红外焦平面探测器保护窗口材料为ge，厚度为1mm。
[0049]
所述光学系统的镜筒材料为铝合金材料。
[0050]
图2～图7为光学系统20℃、-40℃、60℃各自对应的光学传递函数(30lp/mm)、点列图。从图中可以判断出光学系统大、小视场中，与视场、孔径有关的轴向球差、垂轴球差、轴
向色差、垂轴色差、慧差、场曲、畸变七种像差，及对应的高级像差得到了很好的校正，成像清晰无明显变形。光学系统在常温20℃下，光学系统传递函数(30lp/mm)大于0.5接近衍射极限，在-40℃下，光学系统传递函数(30lp/mm)大于0.45，在60℃工作下，光学系统传递函数(30lp/mm)大于0.46。
[0051]
实施例2
[0052]
各光学元件参数见表2-1，偶次非球面系数见表2-2：
[0053]
表2-1
[0054][0055]
表2-2
[0056]
表面ka4a6a8s1201.137e-007-3.342e-0124.274e-016s3102.069e-0072.401e-0111.209e-014
[0057]
本实施例的总长小于124mm，系统的有效焦距为100mm，f数为1，视场角14
°
，系统畸变《1％，透过光线的波长范围在8um～14um，适配非制冷长波红外探测器的分辨率为640
×
512像素，像元间距为17微米。
[0058]
所述的非制冷红外焦平面探测器保护窗口材料为ge，厚度为1mm。
[0059]
所述光学系统的镜筒材料为铝合金材料。
[0060]
图8为实施例2光学系统20℃光学传递函数(30lp/mm)。从图中可以判断出光学系统大、小视场中，与视场、孔径有关的轴向球差、垂轴球差、轴向色差、垂轴色差、慧差、场曲、畸变七种像差，及对应的高级像差得到了很好的校正，成像清晰无明显变形。在常温20℃下，光学系统的传递函数(30lp/mm)接近衍射极限，全视场下传递函数大于0.5。光学系统在-40℃工作情况下，光学系统传递函数(30lp/mm)大于0.41；在60℃工作下，传递函数(30lp/mm)大于0.45。实施例3
[0061]
各光学元件参数见表3-1，偶次非球面系数见表3-2：
[0062]
表3-1
[0063][0064]
表3-2
[0065]
表面ka4a6a8s1201.147e-006-4.342e-0117.274e-015s3101.137e-0082.201e-0122.239e-013
[0066]
本实施例的总长小于134mm，系统的有效焦距为100mm，f数为1，视场角14
°
，系统畸变《1％，透过光线的波长范围在8um～14um，适配非制冷长波红外探测器的分辨率为640
×
512像素，像元间距为17微米。
[0067]
所述的非制冷红外焦平面探测器保护窗口材料为ge，厚度为1mm。
[0068]
图9为实施例3的光学系统20℃光学传递函数(30lp/mm)。从图中可以判断出光学系统大、小视场中，与视场、孔径有关的轴向球差、垂轴球差、轴向色差、垂轴色差、慧差、场曲、畸变七种像差，及对应的高级像差得到了很好的校正，成像清晰无明显变形。在常温20℃下，光学系统的传递函数(30lp/mm)接近衍射极限，全视场下传递函数大于0.5。光学系统在-40℃工作情况下，光学系统传递函数(30lp/mm)大于0.4；在60℃工作下，传递函数(30lp/mm)大于0.43。
[0069]
实施例4
[0070]
各光学元件参数见表4-1，偶次非球面系数见表4-2：
[0071]
表4-1
[0072][0073]
表4-2
[0074]
表面ka4a6a8s1205.867e-007-6.952e-0129.77e-016s3108.761e-0079.409e-0117.176e-014
[0075]
本实施例的总长小于130mm，系统的有效焦距为100mm，f数为1，视场角14
°
，系统畸变《1％，透过光线的波长范围在8um～14um，适配非制冷长波红外探测器的分辨率为640
×
512像素，像元间距为17微米。
[0076]
所述的非制冷红外焦平面探测器保护窗口材料为ge，厚度为1mm。
[0077]
图10为实施例4的光学系统20℃光学传递函数(30lp/mm)。从图中可以判断出光学系统大、小视场中，与视场、孔径有关的轴向球差、垂轴球差、轴向色差、垂轴色差、慧差、场曲、畸变七种像差，及对应的高级像差得到了很好的校正，成像清晰无明显变形。在常温20℃下，光学系统的传递函数(30lp/mm)接近衍射极限，全视场下传递函数大于0.5。光学系统在-40℃工作情况下，光学系统传递函数(30lp/mm)大于0.42；在60℃工作下，传递函数(30lp/mm)大于0.41。
[0078]
实施例5
[0079]
各光学元件参数见表5-1，偶次非球面系数见表5-2：
[0080]
表5-1
[0081][0082]
表5-2
[0083]
表面ka4a6a8s1207.237e-006-5.749e-0109.723e-010s3103.245e-0063.74e-0103.046e-013
[0084]
本实施例的总长小于134mm，系统的有效焦距为100mm，f数为1，视场角14
°
，系统畸变《1％，透过光线的波长范围在8um～14um，适配非制冷长波红外探测器的分辨率为640
×
512像素，像元间距为17微米。
[0085]
所述的非制冷红外焦平面探测器保护窗口材料为ge，厚度为1mm。
[0086]
图11为实施例5光学系统20℃光学传递函数(30lp/mm)。从图中可以判断出光学系统大、小视场中，与视场、孔径有关的轴向球差、垂轴球差、轴向色差、垂轴色差、慧差、场曲、畸变七种像差，及对应的高级像差得到了很好的校正，成像清晰无明显变形。在常温20℃下，光学系统的传递函数(30lp/mm)接近衍射极限，全视场下传递函数大于0.5。光学系统在-40℃工作情况下，光学系统传递函数(30lp/mm)大于0.41；在60℃工作下，传递函数(30lp/mm)大于0.45。
[0087]
上述五个实施例中，弯月负透镜还采用过zns，成像效果差异较小。
[0088]
实验过程中，所述第一弯月正透镜1和第二弯月正透镜3还采用过ig6等别的硫系材料但是效果mtf小于0.3；而本发明所提出的irg206与znse组合和irg206与zns组合，光学传递函数均大于0.4，接近衍射极限。
[0089]
本发明通过在光学系统中采用最大口径的透镜为硫系玻璃透镜，最大限度地利用低成本的硫系玻璃以及其低折射率系数和好的色散性能、同时利用非球面的良好的校正像差、减少光学系统元件的能力，和较大的温度补偿特性，解决在较大的温度改变情况下发生的系统焦移，更好的实现消热差的目的，达到最佳的成像效果。
[0090]
综上所述，以上仅为本发明的较佳的实施例，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种长焦光学被动消热差非制冷长波红外光学系统，其特征在于：从物方到像方由沿光轴方向同光轴依次设置的第一弯月正透镜、孔径光阑、弯月负透镜、第二弯月正透镜组成；第一弯月正透镜凸面面向物侧，朝像面一侧为偶次球面，朝像面一侧为非球面；弯月负透镜凸面面向物侧，为球面透镜；第二弯月正透镜凸面面向物侧，朝物面一侧为偶次非球面，朝像面一侧为球面；第一弯月正透镜和第二弯月正透镜均采用硫系玻璃材料。2.根据权利要求1所述的长焦光学被动消热差非制冷长波红外光学系统，其特征在于：所述第一弯月正透镜前表面有效孔径为96-102mm，后表面有效孔径为82.9-96.2mm；孔径光阑的有效孔径为80.1mm-85.8mm；弯月负透镜前表面有效孔径为73.7mm-78.43mm，后表面有效孔径为52.26mm-55.77mm；第二弯月正透镜前表面有效孔径为53.59mm-60.1mm，后表面有效孔径为48.7mm-55.2mm。3.根据权利要求1所述的长焦光学被动消热差非制冷长波红外光学系统，其特征在于：所述的第一弯月正透镜和第二弯月正透镜材料采用irg206。4.根据权利要求1所述的长焦光学被动消热差非制冷长波红外光学系统，其特征在于：所述的弯月负透镜材料采用znse。5.根据权利要求1所述的长焦光学被动消热差非制冷长波红外光学系统，其特征在于：所述的第一弯月正透镜前后表面曲率半径分别为80.15-100.43mm、160-180.88mm；弯月负透镜前后表面曲率半径分别为84.37-95.14mm、35.77-45.46mm；第二弯月正透镜前后表面曲率半径分别为80.12-86.99mm、289.73-301.54mm。6.根据权利要求1所述的长焦光学被动消热差非制冷长波红外光学系统，其特征在于：所述的第一弯月正透镜后表面的圆锥系数k＝0，高次非球面系数a4、a6、a8分别为2.817e-005～7.237e-06、-5.749e-010～-1.375e-15、3.254e-017～9.723e-015，第二弯月正透镜前表面的圆锥系数k＝0，高次非球面系数a4、a6、a8分别为3.101e-008～3.245e-006、1.785e-012～3.74e-010、2.107e-15～3.046e-13。7.根据权利要求1所述的长焦光学被动消热差非制冷长波红外光学系统，其特征在于：所述的第一弯月正透镜厚度为13-16mm，弯月负透镜厚度为15.76-20.32mm，第二弯月正透镜厚度为12.4-18.97mm。8.根据权利要求1所述的长焦光学被动消热差非制冷长波红外光学系统，其特征在于：所述的第一弯月正透镜与弯月负透镜之间的空气间隔为8.9-20.6mm，弯月负透镜与第二弯月正透镜之间的空气间隔为35.75-45.08mm。9.根据权利要求1所述的长焦光学被动消热差非制冷长波红外光学系统，其特征在于：所述的第一弯月正透镜与光阑之间的空气间隔为6.7-12.3mm。

技术总结
本发明涉及一种长焦光学被动消热差非制冷长波红外光学系统，该系统从物方到像方由沿光轴方向同光轴依次设置的第一弯月正透镜、孔径光阑、弯月负透镜、第二弯月正透镜组成；第一弯月正透镜凸面面向物侧，朝像面一侧为偶次球面，朝像面一侧为非球面；弯月负透镜凸面面向物侧，为球面透镜；第二弯月正透镜凸面面向物侧，朝物面一侧为偶次非球面，朝像面一侧为球面；第一弯月正透镜和第二弯月正透镜均采用硫系玻璃材料。本发明使用材料少，结构简单，体积小，重量轻。重量轻。重量轻。


技术研发人员：段文举 李垚 罗晓霞 赵华鹤
受保护的技术使用者：长春精仪光电技术有限公司
技术研发日：2023.04.26
技术公布日：2023/7/25