[实用新型]广角光学被动消热差红外光学镜头

说明书

技术领域

本实用新型属于适用于工作环境温度变化大的军事或空间光学仪器，尤其是一种广角光学被动消热差红外光学镜头。

二、背景技术

红外光学镜头是整个红外热成像系统中主要的组成部分，用于汇聚红外辐射能量和控制成像质量。通常设计的红外光学镜头，都是考虑在一般条件即常温、常压条件下使用，未考虑温度变化等因素对光学系统成像质量的影响。然而环境温度对红外光学系统有极其严重的影响，由于光学材料与结构材料的热不稳定性，当环境温度变化时，光学元件的曲率、厚度和间隔将发生变化，同时元件材料的折射率也发生改变，从而引起系统焦距变化，像面发生位移，导致系统性能急剧下降，图像质量恶化。

因此，军用红外光学或空间光学镜头的设计应充分考虑温度变化对光学质量带来的影响，使光学系统能承受大范围温度变化(典型值为-40～+60℃)，保持光学性能的稳定性。研究如何使红外光学系统在要求的温度范围内具有稳定的性能，使其具有较好的可靠性，即消热技术，对军用红外光学仪器的研究具有十分重要的意义。目前国内外采用的红外系统消热技术可分为三类：

1)、机械被动消热技术。通过采用对温度敏感的机械结构材料，使透镜产生轴向位移来补偿温度变化引起的像面位移。

2)、机电主动消热技术。利用温度传感器将探测的温度信息传给处理器，由处理器实时计算温度变化引起的像面位移，通过电机驱动透镜轴向位移。

3)、光学被动消热技术。利用光学材料热特性之间的差异，通过不同特性材料的合理组合来消除温度影响。

机械被动消热与机电主动消热技术都会使系统复杂化，体积增大，重量增加，可靠性降低。而光学被动消热技术由于具有重量轻、体积小、不需供电、可靠性高等优点，是特殊军用或空间光学系统消热设计的主要途径，也是三种消热技术中难度最大的技术。

三、发明内容

本实用新型的目的是提供一种广角光学被动消热差红外光学镜头，仅采用硅、锗两种常用红外材料，未使用衍射面，可在-40℃～+60℃温度范围内获得良好、稳定的成像质量，成像质量接近衍射极限，并具有100％冷光阑效率。解决了军用或空间光学仪器在恶劣温度环境下系统性能急剧下降，图像质量恶化，提高红外热像仪的性能，同时具有结构简单，体积小，重量轻，成本低，可靠性高等优点。

本实用新型的目的通过以下技术方案实现：广角光学被动消热差红外光学镜头由第一透镜、第二透镜和第三透镜三片折射式红外透镜组成，工作波段为3～5μm，利用红外光学材料热特性之间的差异，通过合理选择透镜材料、分配光焦度，在保证成像质量的同时，使整个光学系统像面位置随温度的变化量与仪器壳体温度的变化量一致，在设计的温度范围内具有稳定的性能。为了便于与制冷型焦平面探测器结构相匹配，采取反远距型设计获取较长的后工作距离，其中第一透镜、第二透镜和第三透镜依次为负-负-正光焦结构、光学材料为硅-锗-锗。为了利于消球差、慧差、像散等像差、大幅度提高像质，第二透镜的后表面和第三透镜的前表面采用非球面；所述的非球面全部安置在锗材料上。

本实用新型经实践证明：系统结构简单、体积小、重量轻、可靠性高、成本低，在-40℃～+60℃温度范围成像质量稳定。尤其在高温(＞+40℃)或低温(＜-20℃)环境下效果尤其明显，有效的扩展了红外热像仪的工作温度范围。

四、附图说明

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细地描述。

图1是本实用新型的光学原理图。

图2是本实用新型用于热成像系统的布局示意图。

五、具体实施方式

结合附图，对本实用新型进行详细描述。

参照图1，本实用新型由第一透镜1、第二透镜2和第三透镜3三片折射式红外透镜组成，工作波段为3～5μm，它具备温度补偿功能，无需调焦，没有运动元件；4为红外探测器窗口，5为探测器焦面。

由于目前衍射元件的加工及检测技术还不够成熟，为了达到实用化，未采用衍射面，第二透镜的后表面和第三透镜的前表面采用非球面；为了适合目前的加工工艺，非球面全部安置在锗材料上。

参照图1，光学材料为硅-锗-锗，为了在沙尘、盐雾侵蚀等恶劣环境下工作，第一透镜的前表面可镀类金刚石等超硬膜层来保护。

参照图2，是本实用新型用于热成像系统的基本实施方案，由红外光学镜头部分、电子组件部分6和红外探测器与制冷机组件部分7组成。