基于光学被动无热化原理的中波红外光学系统及设计方法与流程

本发明属于红外热成像技术领域，具体涉及一种基于光学被动无热化原理的中波红外光学系统设计方法。

背景技术：

随着红外成像技术的不断发展，红外系统越来越广泛地应用于军事领域与空间探测领域，而工作于这些领域的红外系统往往需要经受恶劣工作环境的严峻考验。一般军用红外光学系统的工作温度范围是-40℃～60℃，而用于空间探测的红外光学系统，其工作温度范围会更大，温度的变化会导致光学元件以及机械结构参数发生变化，如透镜曲率半径、材料折射率以及透镜厚度等。如果不进行光学系统的无热化设计，系统的性能会随工作温度的变化而受到严重的影响，甚至会造成整个红外系统无法正常工作，因此必须采取一定的方法消除光学系统的热差以使其具有较高的稳定性与可靠性。

目前国内常用的光学系统无热化技术大致分为三类：机械补偿法、光学被动补偿法和光机混合补偿法。机械补偿法的实质是依靠某种机构轴向移动一片或几片透镜来实现像面漂移的补偿。根据实现位移机构的不同，机械补偿法又分为机械被动式补偿法与机械主动式补偿法。机械被动式补偿法主要依靠不同膨胀系数的镜筒材料的组合来实现像面漂移的补偿，采用此类方法进行无热化设计的光学系统需要采用多层镜筒结构，使得整个系统的体积和重量明显增大，不适用于军用红外系统设计；机械主动式补偿法主要依靠机电设备驱动镜片位移来实现像面的稳定，其结构较为复杂，且存在运动部件，不适用于对可靠性与体积重量有严格限制的系统设计之中。光学被动补偿法又称为热差互补原理，利用光学材料与镜筒材料之间热特性的差异并合理进行光学材料的搭配与组合从而消除热差，实现无热化设计。这种方法具有结构简单、可靠性高、体积小与重量轻等优点，被常用于各类红外光学系统的无热化设计之中。光机混合补偿法利用光学材料的合理组合消除光学系统的大部分热差，再由相对简单机械机构消除剩余热差从而实现整个系统的无热化，该方法虽然同时具有机械补偿法与光学被动补偿法的优点，相对于传统的机械补偿法可以使机械位移量缩小一个数量级，但系统设计难度大且如何稳定光轴也是较难解决的问题。

基于光学被动补偿法结构简单、可靠性高、体积小与重量轻等优点，越来越多的学者对光学被动补偿法展开研究。但是在目前已报道的相关研究文献中，光学系统结构多采用三片或四片分离式结构，整个光学系统的透过率不高。在某些军事应用领域如红外导引头设计领域，系统对透过率的要求甚至要高于对像质的要求，因此这些文献当中所设计的红外光学系统不一定能够应用于某些对透过率要求高的军事领域。

目前与本发明接近的已有专利是《光机结合被动消热差的长焦距长波红外物镜》(申请公布号：cn102778748a)。该专利所涉及的光学系统虽然仅使用两片透镜实现了无热化设计，但是其引入了至少一片衍射面和一片非球面，使得加工成本较为高昂。另外由于其采用长波红外光学材料，其设计方案并不能用于中波红外光学系统设计之中。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于光学被动无热化原理的中波红外光学系统及设计方法，可以降低系统的体积与重量，提高系统透过率，满足军用红外系统的需要。

一种中波红外光学系统，包括沿光线传播方向上依次按顺序同轴排列的负透镜(1)、正透镜(2)与接收像面(3)；

所述负透镜(1)为负弯月形透镜，凸面朝向物方向；所述正透镜(2)为正弯月形透镜，凹面朝向接收像面(3)的方向；

所述中波红外光学系统的工作波段为3.3μm～4.7μm，工作温度为-40℃～60℃。

较佳的，负透镜(1)的光学材料为单晶锗，正透镜(2)的光学材料为硅。

较佳的，负透镜(1)的前表面(1.1)为二次非球面，负透镜(1)的后表面(1.2)为球面；正透镜(2)的前表面(2.1)与后表面(2.2)均为球面。

一种中波红外光学系统的设计方法，包括如下步骤：

步骤1、建立以光学材料热差与色差系数为方程组系数，光焦度为未知数的非其次方程组：

式(1)中：k为透镜组中透镜的数量，取2；hi为归一化后的近轴光线在各个透镜上的投射高度，为归一化后各个光学透镜的光焦度，为归一化后的系统总光焦度，ωi为透镜所选材料的归一化色差系数，θi为透镜所选材料的归一化热差系数，δfb为由色差引起的透镜组焦距偏离量，为由温差变化引起的透镜组焦距变化量；

步骤2、对所述步骤1的方程组(1)进行化简，令：

对于双分离式结构进行进一步的化简：

其中，式(2)中a和b中间计算参数；

步骤3、求解(3)式，得到该方程组有解的条件为：

步骤4、针对常用的中波红外光学材料，获得各个光学材料的色差系数与热差系数曲线bus；在该曲线图中找到色差系数与热差系数近似满足方程(4)两种的光学材料，由此确定所述中波红外光学系统中两个透镜的材料；

步骤5、根据步骤4确定的两个透镜的光学材料，将参数代入到方程(3)中，通过求解方程，得到两个透镜各自的材料以及归一化光焦度。

本发明具有如下有益效果：

(1)本发明的中波红外光学系统，仅用两片透镜和一片非球面就实现了光学系统在-40℃～60℃范围内的无热化设计，具有体积小、重量轻与透过率高等优点，具有较大的相对孔径与较大的视场角，像面稳定，成像质量良好，全视场调制传递函数mtf在奈奎斯特频率16.7lp/mm处大于0.7，接近衍射极限，因此有利于在提高军用红外系统的可靠性与稳定性的同时降低研发成本。

(2)本发明的中波红外光学系统设计方法，从光学被动补偿法的原理出发，建立以光学材料热差与色差系数为方程组系数，光焦度为方程组未知数的非其次方程组，通过讨论方程组的解确定光学材料的合理搭配并进一步确定每一片透镜所应分配的光焦度，可以简化光学系统的设计过程。

附图说明

图1是本发明光学系统结构示意图。

图2(a)是本发明光学系统在20℃下的mtf图，图2(b)是本发明光学系统在20℃下的点列图。

图3(a)是本发明光学系统在-40℃下的mtf图，图3(b)是本发明光学系统在-40℃下的点列图。

图4(a)是本发明光学系统在60℃下的mtf图，图4(b)是本发明光学系统在60℃下的点列图。

图5是本发明所使用的“t-c”图，图中横坐标为材料的归一化色差系数，纵坐标为材料的归一化热差系数。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明的技术解决方案是：从光学被动补偿法的原理出发，建立以光学材料热差与色差系数为方程组系数，透镜组光焦度为方程组未知数的非其次方程组，通过讨论方程组的解确定光学材料的合理搭配并进一步确定每一片透镜所应分配的光焦度。

通过求解所述非其次方程组，确定采用负透镜在前，正透镜在后的双分离式光学结构，其中负透镜材料选用单晶锗(ge)，正透镜选用硅(si)。由于单晶锗在4μm的折射率为4.0247，归一化热差系数为130×10^-6/℃，硅在4μm的折射率为3.4253，归一化热差系数为63×10^-6/℃，因此负透镜应尽可能分配较小的光焦度，正透镜应分配较大的光焦度以保证两片透镜所产生的热差可以互相补偿。在确定光学系统的初始结构参数之后，在负透镜的前表面加入一片二次非球面，用于校正系统的球差、彗差与象散。匹兹伐尔场曲通过设置适当的透镜间距与增大正透镜中心厚度予以校正。

如图1所示，本发明所涉及的一种基于光学被动无热化原理的中波红外光学系统由负透镜1、正透镜2与接收像面3组成。

本发明的一个实施方案为：光学系统工作波段3.3μm～4.8μm，工作温度范围-40℃～60℃，光学系统相对孔径f#＝2，视场角ω＝±3.7°，系统有效焦距f＝24mm，探测器靶面大小为320×256，像元尺寸大小为30μm。

根据光学被动补偿法原理可列出非齐次方程组(1)：

式(1)中：k为透镜组中透镜的数量，取2；hi为归一化后的近轴光线在各个透镜上的投射高度，为归一化后各个光学透镜的光焦度，为归一化后的系统总光焦度，ωi为透镜所选材料的归一化色差系数，θi为透镜所选材料的归一化热差系数，δfb为由色差引起的透镜组焦距偏离量，为由温差变化引起的透镜组焦距变化量。

从方程组(1)可以看出，通过合理搭配光学材料并分配合适的光焦度就可以实现光学系统的无热化设计。为求解式(1)，对其进行化简，令：

对于双分离式结构可进行进一步的化简：

式(2)中，a和b是为化简式(2)所设定的中间计算参数，无具体含义，其他参数同式(1)相同。

求解(3)式可得出，只有满足的光学材料才能使方程组有解。由于中波红外波段的光学材料数量较为有限，因此可将常用的中波红外光学材料的色差系数与热差系数标注在笛卡尔坐标系中构成“温差系数-色差系数”图，直观地进行光学材料的选择，如图5所示。

从图5可以看出严格满足的光学材料组合并不存在，近似满足该条件的光学材料组合为锗(ge)与硅(si)，因此选择锗与硅作为透镜的光学材料。为了简化初始结构的求解过程，假设光学系统为密接透镜组，将各项参数带入(3)式求解出第一片透镜应选用锗，其归一化光焦度为第二片透镜应选用si，其归一化光焦度为

由于锗与硅的组合并不严格满足会存在残余的色差或热差。同时考虑到光学系统的相对孔径与视场角较大，在负透镜前表面引入一片非球面以补偿残余的色差或热差，同时用于校正系统的球差、彗差与象散。经反复优化之后的光学结构如图1所示，20℃下的mtf和点列图如图2(a)和2(b)所示，-40℃下的mtf点列图如图3(a)和2(b)所示，60℃下的mtf点列图如图4(a)和2(b)所示。从图中可以看出，光学系统在-40℃～60℃范围内像面稳定，成像质量良好，基本不受温度变化的影响。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，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。