红外光学系统及红外光学设备的制作方法
【专利摘要】本发明涉及使用制冷型红外焦平面探测器的热像仪用红外光学系统，属于红外光学【技术领域】。该红外光学系统是一个视场超过125°的广角镜头。传统的这类镜头的有效光阑位于杜瓦瓶的冷屏上,以便确保系统的冷屏效率达到100％，从而使系统复杂，外形尺寸偏大。内置杜瓦瓶的迷你型红外光学系统包括杜瓦瓶窗口、第一透镜、第二透镜、第三透镜和冷光栏。杜瓦瓶窗口在使用环境温度下工作；其余三片透镜与杜瓦瓶的冷指联接，在探测器温度下工作。杜瓦瓶窗口因环境温度的变化所引起的光学系统像面飘移和像质恶化是可以容忍的，因此该镜头不需要热补偿设计和调节机构。系统设计小巧，需要制冷的透镜总质量不超过2.5克，所以它的热负载很小。
【专利说明】红外光学系统及红外光学设备
【技术领域】
[0001] 本发明涉及使用制冷型红外焦平面探测器的热像仪定焦距广角光学系统，属于红 外光学【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 如图1所示，传统的制冷热像仪的红外光学系统100位于杜瓦瓶200之外。为了 限制探测器的背景辐射噪声，光学系统的冷屏效率必须达到1〇〇%。通常采用光瞳传递设计 技术，使得光学系统的出瞳与杜瓦瓶200内设置的冷屏所在位置重合，并控制光阑像差；也 可以将孔径光阑置于杜瓦瓶200内。这往往使光学系统变复杂，尺寸变大，重量增加，成本 上升。
[0003] 由于光学系统100置于杜瓦瓶200的外面，光学系统100将在环境温度下工作。制 冷热像仪的成像质量会因环境温度变化而发生变化。通常光学系统100需要采用主动或被 动热补偿技术。这会增加相应的调整机构，这也使光学系统复杂化，尺寸变大，重量增加。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供红外光学系统，以解决上述的问题。
[0005] 本发明提供了 一种红外光学系统，该红外光学系统包括杜瓦瓶窗口 1、第一透镜 2、第二透镜3、孔径光阑4和第三透镜5。
[0006] 优选地，除所述杜瓦瓶窗口外，所述第一透镜2、所述第二透镜3、所述孔径光阑4 和所述第三透镜5均安装在杜瓦瓶内，所述杜瓦瓶的工作温度为77° K
[0007] 优选地，第一透镜2设置有一个衍射面。
[0008] 优选地，杜瓦瓶窗口 1为球面透镜。
[0009] 优选地，该红外光学系统还有一个热辐射挡板，热辐射挡板位于杜瓦瓶窗口 1与 第一透镜2之间。
[0010] 优选地，第一透镜2、第二透镜3和第三透镜5的质量总和小于2. 5克。
[0011] 本发明还提供一种红外光学设备，包括上述的红外光学系统和杜瓦瓶，除所述杜 瓦瓶窗口 1外，所述第一透镜2、所述第二透镜3、所述孔径光阑4和所述第三透镜5均安装 在杜瓦瓶内。
[0012] 本发明的红外光学系统置于杜瓦瓶内，由于杜瓦瓶内的温度为恒定低温，使得光 学组件工作在恒定的低温下，因此系统的成像质量不受外界环境温度的影响，从而降低了 光学系统的复杂性，减少了光学系统的尺寸和重量。
【专利附图】
【附图说明】
[0013] 图1是传统的在杜瓦瓶外的红外光学系统结构示意图；
[0014] 图2是本发明提供的光学系统的光路示意图；
[0015] 图3是本发明提供的光学系统的多色光线的光学传递函数示意图；
[0016] 图4是本发明提供的光学系统的点列图，其中方框的尺寸为15 μ mX 15 μ m ;
[0017] 图5是本发明提供的光学系统在视场中心的点扩散函数，其中λ =3. 7_4.8μπι， Strehl 系数=0· 969 ;
[0018] 图6是本发明提供的光学系统在最大视场的点扩散函数，其中λ =3. 7-4. 8 μ m， Strehl 系数=0· 974 ;
[0019] 图7是本发明提供的光学系统在视场中心的波前差，其中波差的P-V值为 0· 0854 λ，波差的均方根值为〇· 0276 λ，λ = 4 μ m ;
[0020] 图8是本发明提供的光学系统在最大视场的波前差，波差的p-v值为0. 2274λ，波 差的均方根值为〇· 0322 λ，λ = 4 μ m ;
[0021] 图9是本发明提供的光学系统的相对照度；
[0022] 图10是本发明提供的光学系统的能量集中度；
[0023] 图11是本发明提供的光学系统的Strehl系数与视场的关系；
[0024] 图12是本发明提供的光学系统的Strehl系数与波长的关系。
【具体实施方式】
[0025] 下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
[0026] 由图2,在本发明的实施例中提供了一种红外光学系统，它安装在杜瓦瓶内，所以 红外光学系统的工作温度恒定。
[0027] 本发明提供的红外光学系统，可以置于杜瓦瓶内的有限空间，使它工作在恒定的 低温下，为77° K。在恒定的低温下工作的红外光学系统不再需要进行复杂的温度补偿设 计，这不仅仅简化了光学系统，降低了成本，还提高了光学系统的成像质量和可靠性。
[0028] 红外光学系统包括：依次设置的杜瓦瓶窗口 1、第一透镜2、第二透镜3、孔径光阑4 和第三透镜5。
[0029] 在实际应用中，杜瓦瓶窗口 1半径的选择原则是使各个视场光线的入射角尽可能 地小。这不仅有利于杜瓦瓶窗口 1上高强增透膜膜系设计和工艺控制，而且也是减小固定 和随机图像噪声所必需的。
[0030] 第一透镜2远离第二透镜3的一侧面设置有一衍射面，通过该衍射面来平衡红外 光学系统的像差。
[0031] 杜瓦瓶窗口 1为球面透镜，传统的杜瓦瓶窗口不再适用，因为广角镜头的边缘视 场光线在窗口的入射角会变得很大，这使增透膜系的设计困难，因此将杜瓦瓶窗口 1设计 成球面透镜，便于增透膜系的设计。
[0032] 该光学系统还可以包括一个热辐射挡板，热辐射挡板可以位于杜瓦瓶窗口 1与第 一透镜2之间，热辐射挡板用于阻挡外界的杂光进入光学系统内。
[0033] 第一透镜2、第二透镜3、第三透镜5的质量总和小于2. 5克。
[0034] 由于第一透镜2、第二透镜3及第三透镜5均置于杜瓦瓶内，光学系统需要微型化 大幅度减小镜片的质量，以便降低制冷器的制冷负载，使得需要增加的制冷量较小，利于制 冷器的稳定工作。
[0035] 在实际应用中，当制冷器的制冷量较小，又不打算研发新型较大制冷量的制冷器 时，还可以将第二透镜3作为杜瓦瓶窗口。此时仅有第三透镜5和它前面的孔径光阑4是 制冷器的附加制冷负载。第三透镜5的质量小于0. 5克，它带来的附加热负载非常小。
[0036] 对光线的入射角进行控制，可以有效的降低杜瓦瓶窗口 1的增透膜的残余反射 率，这对于控制系统内部的图像噪声和成像空间内强光源产生的鬼像非常有利。
[0037] 本发明提供的红外光学系统是针对中波红外镜头做的，但是该红外光学系统并不 局限于中波红外镜头，该红外光学系统完全适用于制冷型长波和短波红外系统。该红外广 角镜头可广泛使用于环境监控、搜索与跟踪、导弹和炮火预警。
[0038] 图3-图12是本发明提供的红外光学系统的性能及成像质量示意图。
[0039] 本发明还提供一种红外光学设备，包括上述的红外光学系统和杜瓦瓶，除所述杜 瓦瓶窗口 1外，所述第一透镜2、所述第二透镜3、所述孔径光阑4和所述第三透镜5均安装 在杜瓦瓶内。
【权利要求】
1. 一种红外光学系统，其特征在于，包括杜瓦瓶窗口（1)、第一透镜（2)、第二透镜（3)、 孔径光阑（4)和第三透镜（5)。
2. 根据权利要求1所述的广角红外光学系统，其特征在于，除所述杜瓦瓶窗口（1)夕卜， 所述第一透镜（2)、所述第二透镜（3)、所述孔径光阑（4)和所述第三透镜（5)均安装在杜 瓦瓶内，所述杜瓦瓶的工作温度为77° K。
3. 根据权利要求2所述的红外光学系统，其特征在于，所述第一透镜（2)设置有一个衍 射面。
4. 根据权利要求2所述的红外光学系统，其特征在于，所述杜瓦瓶窗口（1)为球面透 镜。
5. 根据权利要求2所述的红外光学系统，其特征在于，还包括一个热福射挡板；所述热 辐射挡板位于所述杜瓦瓶窗口（1)与所述第一透镜（2)之间。
6. 根据权利要求2所述的红外光学系统，其特征在于，所述第一透镜（2)、所述第二透 镜（3)和所述第三透镜（5)的质量总和小于2. 5克。
7. -种红外光学设备，包括如权利要求1-6任一项所述的红外光学系统和杜瓦瓶，除 所述杜瓦瓶窗口（1)外，所述第一透镜（2)、所述第二透镜（3)、所述孔径光阑（4)和所述第 三透镜（5)均安装在杜瓦瓶内。
【文档编号】G02B27/00GK104155009SQ201410364937
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年7月28日 优先权日:2014年7月28日
【发明者】魏明涓 申请人:武汉振光科技有限公司