[实用新型]-60℃～+80℃红外超宽温消热差光学系统

说明书

技术领域：

本专利属于红外热成像领域，具体涉及一种-60℃～+80℃红外超宽温消热差光学系统。

背景技术：

典型的红外光学系统通常要求在-40℃～+60℃之间具有稳定可靠的光学性能。而红外光学系统的成像质量受温度变化影响较大。具体来讲，温度变化对红外光学系统成像质量的影响主要表现在：1)温度变化引起红外光学材料与介质折射率的变化，2)温度变化引起光学元件曲率半径和中心厚度的变化，3)温度变化引起光学系统中机械材料伸缩带来的光学元件间隔的变化。上述变化会导致最佳像面偏离，造成成像质量显著下降，图像模糊不清，对比度下降。

由于红外光学材料的折射率温度系数dn/dT通常远大于可见光光学材料，因此，环境温度对红外光学系统的像质影响更加明显。如何在各种环境条件下保持红外光学系统的成像质量与稳定性成为亟待解决的重要问题。

另外，制冷型探测器的像元尺寸通常较小，这就使得相比于与非制冷型探测器匹配的红外光学系统而言，与制冷型探测器匹配的红外光学系统的衍射限更难达到，温度变化带来的像质下降更加明显且更难补偿。

另外，红外光学材料种类受限，材料的尺寸也严重受限。对于采用制冷型探测器的红外光学系统来说，为了实现100％冷光阑匹配，需要将光学系统的出瞳与探测器杜瓦结构内的冷光阑进行精确匹配。如果是一次成像光学系统，则其入瞳位置无法控制，通常会造成第一片镜片口径过大，无法找到合适材料进行加工的情况。为此，本光学系统采用的是二次成像的结构型式，在控制出瞳位于制冷型探测器的冷光阑处的同时，控制入瞳位置在第一片镜片之前，使得镜片尺寸可控。

本专利利用光学材料热特性之间的差异，通过合理搭配红外光学材料，寻找光焦度分配方式，巧妙设计光路结构，使得红外光学系统实现自动温度补偿的目标。本发明设计出一种-60℃～+80℃红外超宽温消热差光学系统，在-60℃～+80℃超宽温度范围内之间，无须调焦，像质均接近衍射极限，有效提高了红外镜头的环境适应性。

发明内容：

本专利的目的在于，提供一种-60℃～+80℃红外超宽温消热差光学系统，解决现有系统存在的不能在宽温度范围内保持成像质量稳定清晰的问题。

本专利提出了一个七片折射式的-60℃～+80℃红外超宽温消热差光学系统，用于制冷型红外探测器。该系统冷光阑效率100％，可以较好地抑制杂散光。该系统基于光学系统被动式无热化理论计算初始结构，克服了红外光学材料种类有限的不利因素，通过巧妙搭配红外光学材料，实现了宽温度范围消热差的设计目标。

本专利是通过以下技术方案实现的：用于红外成像的光学系统从物方至像方按顺序由第一透镜(1)，第二透镜(2)，第三透镜(3)，第四透镜(4)，第五透镜(5)，第六透镜(6)，第七透镜(7)，杜瓦窗口(8)，孔径光阑(9)组成。该光学系统以红外探测器的冷光阑为其孔径光阑。来自物方的光束依次通过第一透镜(1)，第二透镜(2)，第三透镜(3)，第四透镜(4)，第五透镜(5)，第六透镜(6)，第七透镜(7)，杜瓦窗口(8)，孔径光阑(9)，在像面(10)上成像。

第一透镜(1)是硫系玻璃材料制成的球面透镜，第二透镜(2)是锗球面透镜，第三透镜(3)是硫化锌球面透镜，第四透镜(4)是用硫系玻璃材料制成的球面透镜，第五透镜(5)是用硫系玻璃材料制成的球面透镜，第六透镜(6)是用锗材料制成的非球面透镜，其第一面为椭球面，第二面为标准球面，第七透镜(7)是用硫化锌球面透镜，杜瓦窗口(8)是锗平行平板。

本光学系统在口径较小的第六片透镜上使用了圆锥曲面非球面来进一步消除像差与消除热差，优化像质，实现无热化的设计目标，控制了加工成本。

其中第一透镜(1)、第二透镜(2)、第三透镜(3)共同组成了物镜，光阑位于第一透镜(1)之前，负责将无限远处入射的平行光汇聚到中间像面处。第四透镜(4)、第五透镜(5)、第六透镜(6)、第七透镜(7)共同组成了中继成像系统，光阑位于探测器冷光阑(9)的位置，负责将中间像面处的有限共轭物点再次成像到探测器焦平面上。物镜和中继成像系统可以在-60℃～+80℃宽温度范围之间实现像差的自动补偿。