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

本发明属于光学设计，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：

1、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。

2、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。

技术实现思路

1、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。

2、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。

3、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。

4、所述的第一弯月正透镜和第二弯月正透镜材料优选irg206。

5、所述的弯月负透镜材料采用znse。

6、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。

7、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。

8、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。

9、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。

10、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。

11、本发明的有益效果：

12、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。

13、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。

14、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。

15、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％。

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。

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：
技术公布日：2024/1/13