一种制冷型中波红外消热差光学镜头

技术领域

本发明涉及一种中波红外光学镜头，具体涉及一种制冷型中波红外消热差光学镜头。

背景技术

红外成像技术已经在航空航天、安防搜救、工业生产等领域起到了不可替代的作用，环境适应性强和结构紧凑是其发展方向。由于红外光学材料的折射率温度系数较大，环境温度变化会引起红外光学系统的焦距、像面位置及像差的变化，使成像质量下降。为了能在宽温度变化环境中工作，得到较好的成像质量，消热差研究和设计非常必要。光学系统消热差设计是指在光学系统优化设计时，将温度引起的热像差连通几何像差一并进行消除，从而使光学系统能够在大的温度变化范围内成像良好。目前，消热差方法主要有机电主动式、机械被动式和光学被动式。

机电主动式，通过热传感器的自动探测环境的温度变化，再由处理器实时计算出温度变化引起的像面位移，并控制电机带动透镜产生轴向位移。这种方法采用了热传感器，能够处理系统温度的梯度变化，准确求解温度与像面位移的关系。但这种方式需要电源、控制电路以及执行机械机构，将增加系统的体积、质量，同时导致系统的可靠性降低。

机械被动式，主要通过选择对温度变化敏感的材料或记忆合金，用产生透镜的轴向位移补偿温度变化引起的像面位移，该方式的缺点是可靠性一般，且系统重量重。

光学被动式消热差方法以其质量小、无功耗、可靠性高等特点已成为光学系统消热差的首选方法，通过匹配透镜与镜头结构件的热性能消除热差。而现有光学被动式消热差方法多用于长波红外光学系统或非制冷型中波红外光学系统中，使得光学系统结构相对复杂、视场较小、成像质量较差。

发明内容

为了解决现有光学系统的消热差设计，存在体积大、质量重、可靠性低；或者结构相对复杂、视场较小、材料种类多、制造成本高、成像质量较差的技术问题，本发明提供了一种制冷型中波红外消热差光学镜头。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种制冷型中波红外消热差光学镜头，其特殊之处在于：包括镜筒以及设置在镜筒内的中波红外光学系统，所述中波红外光学系统包括从物面至像面依次同轴设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；

所述镜筒的材料为铝；

所述第一透镜为一个正光焦度弯向像方的弯月硅透镜；

所述第二透镜为一个负光焦度双凹锗透镜；

所述第三透镜为一个正光焦度弯向物方的弯月硅透镜；

所述第四透镜为一个正光焦度双凸硒化锌透镜；

定义透镜光线入射面为前表面，光线出射面为后表面；第二透镜的前表面、第二透镜的后表面、第四透镜的前表面均为高次非球面。

进一步地，所述第一透镜的厚度为6.5mm，其前表面为球面，曲率半径为40.71；后表面为球面，曲率半径为71.16；

所述第二透镜的厚度为3.56mm，其前表面的曲率半径为-98.21，非球面系数为A＝-5.235742e

所述第三透镜的厚度为6.04mm，其前表面为球面，曲率半径为-29.14；后表面为球面，曲率半径为-31.77；

所述第四透镜的厚度为4.75mm，其前表面的曲率半径为112.21，非球面系数为A＝-1.551753e

进一步地，所述第一透镜后表面到第二透镜前表面之间的距离为7.74mm；

所述第二透镜后表面到第三透镜前表面之间的距离为4.46mm

所述第三透镜后表面到第四透镜前表面之间的距离为0.51mm。

进一步地，所述中波红外光学系统最大口径Φ41mm。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明中波红外光学系统以经典的cooke式结构作为设计原型，采用一次成像系统，无穷远目标经中波红外光学系统直接成像于探测器靶面，该光学系统结构简单紧凑，透过率高，成像质量好。为了消除温度的影响，保持像面位置和像质的稳定，本发明中波红外光学系统采用光学被动消热差技术，通过Ge、Si、ZnSe三种光学材料以及铝结构材料相互匹配设计来达到消热差和消色差的目的，从而使光学镜头的成像质量在工作环境温度范围内始终保持良好的水平。

2、本发明中波红外光学系统选用一次成像系统，相比于二次成像系统，具有结构简单、筒长短、光学零件数量少等优点，以及加工、装配时需要调整和控制的环节相对较少，更容易保证高成像质量。

3、本发明中波红外光学系统选用透射式一次成像系统，且采用光学被动消热差技术，使得系统结构简单，视场大，无中心遮拦，装调容易，易保证高成像质量，有利于提高作用距离。

4、本发明光学镜头全视场畸变小于0.8％，工作环境温度在-40℃～50℃变化时，中波红外光学系统的成像质量基本不发生变化，系统无需调焦。

5、本发明中波红外光学系统焦距40mm，相对孔径1/2，视场角28.74°，光谱范围3μm～5μm，工作环境温度范围-40℃～+50℃，具有结构简单，透过率高，成像质量好等优点。

附图说明

图1为本发明制冷型中波红外消热差光学镜头的中波红外光学系统结构示意图(未示出镜筒)；

图2为本发明制冷型中波红外消热差光学镜头的中波红外光学系统光路图；

图3a为空间频率为20lp/mm、中波红外光学系统在20℃时的MTF曲线图；

图3b为空间频率为20lp/mm、中波红外光学系统在-40℃时的MTF曲线图；

图3c为空间频率为20lp/mm、中波红外光学系统在+50℃时的MTF曲线图；

图4a为中波红外光学系统在20℃时的包围圆能量图；

图4b为中波红外光学系统在-40℃时的包围圆能量图；

图4c为中波红外光学系统在+50℃时的包围圆能量图；

图5a为中波红外光学系统在20℃时的球差、场曲和畸变曲线图；

图5b为中波红外光学系统在-40℃时的球差、场曲和畸变曲线图；

图5c为中波红外光学系统在+50℃时的球差、场曲和畸变曲线图；

其中，附图标记如下：

1-第一透镜，2-第二透镜，3-第三透镜，4-第四透镜，51-探测器窗口，52-探测器靶面，53-探测器冷屏。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

如图1和图2所示，一种制冷型中波红外消热差光学镜头，包括镜筒以及设置在镜筒内的中波红外光学系统，光学系统消热差设计是指在光学系统优化设计时，将温度引起的热像差连同几何像差一并进行消除，从而使光学系统能够在大的温度变化范围内成像良好。本发明中波红外光学系统采用光学被动消热差技术，通过匹配光学材料归化热差系数和光学机械结构件材料的热膨胀系数，使各影响因素的热离焦量互相补偿，从而使中波红外光学系统的成像质量在工作环境温度范围内始终保持良好的水平。

中波红外光学系统由4片透镜组成，包括从物面至像面依次同轴设置的第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3和第四透镜4，第一透镜1为一个正光焦度弯向像方的弯月硅透镜，第二透镜2为一个负光焦度双凹锗透镜，第三透镜3为一个正光焦度弯向物方的弯月硅透镜，第四透镜4为一个正光焦度双凸硒化锌透镜。其中，第二透镜2的前表面和后表面均为高次非球面，第四透镜4的前表面为高次非球面。

本实施例中波红外光学系统选用一次成像系统，与二次成像系统相比，一次成像系统具有结构简单、筒长短、光学零件数量少等优点，以及加工、装配时需要调整和控制的环节相对较少，更容易保证高成像质量。本实施例光学系以经典的cooke式结构作为设计原型，采用Ge、Si、ZnSe三种材料配合进行消热差设计，同时镜筒材料为铝。

针对制冷型中波红外光学系统，由于探测器中有一冷屏，因而中波红外光学系统必须考虑出瞳与冷屏的匹配问题，本实施例直接将孔径光阑后置于探测器冷屏53处从而解决此问题。

本实施例中波红外光学系统中各透镜参数见下表1。

表1中波红外光学系统中各透镜具体参数

表中：单位：mm，第四透镜4到探测器窗口51的距离为5mm。

本实施例中波红外光学系统包含三个高次非球面，中波红外光学系统总长67.26mm(中波红外光学系统第一面至探测器靶面52)，最大口径Φ41mm；焦距40mm，相对孔径1/2，视场角28.74°，光谱范围3μm～5μm，工作环境温度范围-40℃～+50℃，中波红外光学系统适用于分辨率640×512，像元尺寸25μm×25μm，冷屏距25.7mm的制冷型中波红外热像仪，冷屏效率100％。

图3a、3b、3c为空间频率为20lp/mm，中波红外光学系统分别在20℃、-40℃、+50℃时的MTF曲线图。光学传递函数曲线能全面描述系统的成像质量，是衡量系统成像质量最重要的指标。根据选用的探测器像元尺寸(25μm×25μm)可知，相机的分辨率为20lp/mm，因此，设计时按20lp/mm的空间频率进行评价。在空间频率20lp/mm时，温度为20℃时，轴上视场传递函数大于0.75，轴外0.7视场的子午传递函数大于0.72，轴外0.7视场的弧矢传递函数大于0.65；温度为-40℃时，轴上视场传递函数大于0.61，轴外0.7视场的子午传递函数大于0.67，轴外0.7视场的弧矢传递函数大于0.77；温度为+50℃时，轴上视场传递函数大于0.77，轴外0.7视场的子午传递函数大于0.71，轴外0.7视场的弧矢传递函数大于0.59。系统在环境温度-40℃～+50℃范围内的传函均接近衍射极限，系统的成像质量较好，完全满足实际使用要求。

图4a、4b、4c为中波红外光学系统分别在20℃、-40℃、+50℃时的包围圆能量图。包围圆能量曲线能反映出各个视场能量的会聚程度。温度为20℃时，轴上视场约有80％的能量集中在探测器的1个像元内；温度为-40℃时，轴上视场约有70％的能量集中在探测器的1个像元内；温度为+50℃时，轴上视场约有85％的能量集中在探测器的1个像元内。中波红外光学系统的能量集中度较好。

图5a、5b、5c为中波红外光学系统分别在20℃、-40℃、+50℃时的球差、场曲和畸变曲线图。对一个轴上物点来说，它只有两种像差——球差和轴向色差，通常把这两种像差画在一个像差曲线图上，纵坐标代表光束口径，横坐标代表球差和轴向色差。为了表示轴外物点的成像清晰度，一般用像散曲线来表示。曲线中t、s分别代表子午和弧矢场曲，t、s之间的位置之差即为像散。温度为20℃时，0.7视场畸变为-0.34％，全视场畸变为-0.71％；温度为-40℃时，0.7视场畸变为-0.35％，全视场畸变为-0.74％；温度为+50℃时，0.7视场畸变为-0.34％，全视场畸变为-0.70％。系统成像质量良好，满足实际使用要求。

因此，本实施例中波红外光学系统选用透射式一次成像系统，且采用光学被动消热差技术，系统结构简单，视场大，无中心遮拦，装调容易，易保证高成像质量，有利于提高作用距离。从成像清晰度、能量集中度及成像失真度等方面对中波红外光学系统的成像质量进行综合评价，中波红外光学系统的传函MTF接近衍射极限，轴上视场均有85％的能量集中在探测器的2个像元内，全视场畸变小于0.8％，当工作环境温度在-40℃～50℃变化时，中波红外光学系统的成像质量基本不发生变化，系统无需调焦。

以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴。