[发明专利]大视场中红外波段抗热冲击消热差光学系统

说明书

本发明提出的一种大视场中红外波段抗热冲击消热差光学系统，旨在提供一种能够适应‑20℃～80℃温度范围内快速温度变化，在温度变化率15℃/min时仍能清晰成像的光学系统。本发明通过以下述技术方案予以实现：在镜筒中，入射光束通过蓝宝石材料的负透镜（3），经硫化锌材料的正透镜（4），经氟化钡材料的第一双凸正透镜（5），再经尖晶石材料的负透镜（6）聚焦于一次像面（7），一次像面聚焦成的实像通过硫化锌材料的第二正双凸正透镜（8），消除前面所成实像的残余像差和热差，并将一次像面经过探测器窗口（9）和冷光阑（10）再次成像在焦面（11）上，完成成像的全过程。本发明在对同一景物成像时，不经调焦都能清晰成像。

技术领域

本发明涉及一种主要用于F#2（F#为系统的光圈数，即焦距与入瞳口径之比的倒数，F=f/D），波长为3.7～4.8μm的中波红外制冷探测器的抗热冲击光学系统结构。具体而言，本发明涉及一种使用光学被动消热差，对高低温（－20～＋80℃）剧烈温度变化（15℃/min温度变化率）不敏感的焦距为21.5mm，对应视场角为25°×20°的大视场光学系统。

背景技术

光学仪器在较大温度范围内使用时，镜筒材料、光学材料的热胀冷缩以及光学材料的折射率温度系数会使镜头光焦度发生变化，产生离焦现象。为了降低温度变化对红外光学系统成像质量的影响，需要进行无热化设计，或称为消热差设计，即通过一定的机械、光学及电子等技术，补偿因温度变化产生的离焦，使红外光学系统在一个变化范围较大的温度区间内保持成像质量的稳定。大多数红外透镜材料的折射率随温度变化显著，造成到达焦面位置的光程差是红外系统热效应的主要问题。如锗的折射率温度系数即dn/dt为396×10－6/℃，而K9玻璃的dn/dt为3.6×10－6/℃。热效应对红外光学系统的影响中，折射率和镜筒材料热胀冷缩变化造成的光程差影响贡献最大，曲率半径贡献次之，而透镜中心厚度的影响最小。要保证红外光学系统在较宽的温度范围内常工作，就必须进行消热差设计。目前国内外采用的红外系统消热技术主要分为机械被动消热差、机械（电子）主动消热差、光学被动消热差三类。其中，机械被动消热差是利用对温度敏感的机械材料或记忆合金，使透镜产生轴向位移来补偿温度变化引起的像面位移；机械（电子）主动消热差是利用温度探测器实时测量光学系统所处环境的温度，按照一定程序列表驱动电机调节焦面以补偿温度变化造成的像面位移；光学被动消热差是利用正负透镜材料的折射率温度系数（dn/dT）的差异和线膨胀系数的差异相互补偿不同镜片焦距变化和镜筒材料应热胀冷缩造成的像面位移。其中，光学被动补偿方式由于具有结构相对简单、尺寸小、重量轻和系统可靠性高等特点而受到特别重视。

传统的光学被动消热差技术只针对温度缓慢变化的情况，即温升率很少高于5℃/min的情况，这时即便镜片材料与镜筒材料有较大的热导率差异，但较低的温升率使不同镜片材料与镜筒材料的温度梯度较低，仍然可以选择硅、锗、硫化锌和硒化锌等传统材料配合铝合金、钢材料和钛合金等常规镜筒材料相配合。然而对非常温、常压条件下使用的光学系统，比如－20～＋80℃温度范围，15℃/min温度变化率，由于传统金属镜筒材料的热导率与晶体、玻璃材料透镜的热导率往往相差一到两个数量级，不同晶体和玻璃透镜材料的热导率也相差一个数量级以上，例如硅材料的导热率为0.2cal/g·℃·cm·s，而氟化钡材料的导热率为0.017cal/g·℃·cm·s，而铝合金的导热率约为2cal/g·℃·cm·s左右，线膨胀系数达到当环境在1分钟内变化了15℃时，120mm镜筒在1分钟以内即可达到热平衡，镜筒长度变化了0.04248mm；而氟化钡透镜需要近两小时才能达到热平衡，硅材料需要10分钟左右达到热平衡；因此镜筒材料与透镜材料有较大温度梯度，透镜之间也有较大温度梯度，即镜筒材料与透镜材料以及透镜间的线膨胀有延迟效应，即便采用了传统的光学被动消热差设计，在整个光机系统热平衡前仍容易形成热离焦。