一種紅外攝遠光學系統技術方案

本發明專利技術紅外攝遠物鏡領域，具體地來講為一種紅外攝遠光學系統。包括：第一透鏡，為彎月球面負透鏡，物方表面為凸面，另一方表面為凹面；第二透鏡，為正透鏡，一側緊鄰所述第一透鏡的凹面，另一側表面為凹面；第三透鏡，為球面負透鏡，入光一側表面為凸面，另一側表面為凹面；第四透鏡，為負透鏡，入光一側表面為凸面，另一側表面為凹面。本發明專利技術校正了攝遠物鏡的高級像差和色差，有效地縮短系統長度，提高了成像質量。像面穩定，像質良好。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術紅外攝遠物鏡領域，具體地來講為一種紅外攝遠光學系統。
技術介紹
近年來紅外成像技術已成為目標探測技術發展的方向之一，低成本的非制冷熱成像技術也隨著紅外熱成像技術發展起來。非制冷探測器具有穩定性好、低功耗、小體積等優點，但其噪聲等效溫差(NETD)較高。研究大相對孔徑紅外光學系統可以克服長波紅外非制冷探測器靈敏度較低的不足。紅外成像光學系統受溫度變化的影響非常明顯，光學系統在不同溫度下成像質量的好壞對目標探測具有較大的影響。工作環境溫度的變化會引起光學元件物理特性的變化(即半徑、厚度、空氣間隔等)，透鏡的折射率也隨之變化，這些影響會導致系統失焦或元件偏差。紅外材料的折射率溫度系數較大，遠大于可見光材料，可導致像面漂移。在工作溫度發生變化時，熱離焦量將遠大于焦深。為了降低或消除對光學系統成像質量的影響，必須考慮消除熱差。
技術實現思路
本專利技術所要解決的技術問題在于提供一種紅外攝遠光學系統，，在寬溫度范圍內成像質量穩定。本專利技術是這樣實現的，一種紅外攝遠光學系統，該系統包括：第一透鏡，為彎月球面負透鏡，物方表面為凸面，另一方表面為凹面；第二透鏡，為正透鏡，一側緊鄰所述第一透鏡的凹面，另一側表面為凹面；第三透鏡，為球面負透鏡，入光一側表面為凸面，另一側表面為凹面；第四透鏡，為負透鏡，入光一側表面為凸面，另一側表面為凹面。進一步地，在所述第二透鏡的凹面設置衍射面。進一步地，所述光學系統滿足F數為2～3，視場角為5°～7°，焦距為100mm～250mm，工作總長為160mm～200mm。進一步地，所述第一透鏡為硫化鋅材料透鏡；所述第二透鏡為硒化鋅材料透鏡；所述第三透鏡為鍺材料透鏡、所述第四透鏡為鍺材料透鏡。本專利技術與現有技術相比，有益效果在于：本專利技術在寬溫度范圍內成像質量穩定。引入衍射元件，現了無熱化，滿足成像質量的要求。校正了攝遠物鏡的高級像差和色差，有效地縮短系統長度，提高了成像質量。像面穩定，像質良好。本專利技術所設計的紅外攝遠光學系統也可用于其他紅外觀瞄系統。附圖說明圖1為本專利技術實施例提供的光學系統的結構示意圖；圖2為本專利技術實施提供的衍射面的特征參量曲線；圖3為本專利技術實施提供的色差曲線，圖3a為-40攝氏度，圖3b為10攝氏度；圖3c為20攝氏度，圖3d為60攝氏度；圖4為本專利技術實施提供的衍射能量分布曲線；圖5為本專利技術實施提供的17lp/mm處調制傳遞函數隨溫度變化曲線。具體實施方式為了使本專利技術的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合實施例，對本專利技術進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本專利技術，并不用于限定本專利技術。參見圖1，紅外攝遠光學系統，該系統包括：第一透鏡，為彎月球面負透鏡，物方表面為凸面，另一方表面為凹面；第二透鏡，為正透鏡，一側緊鄰所述第一透鏡的凹面，另一側表面為凹面；第三透鏡，為球面負透鏡，入光一側表面為凸面，另一側表面為凹面；第四透鏡，為負透鏡，入光一側表面為凸面，另一側表面為凹面。光學系統滿足F數為2～3，視場角為5°～7°，焦距為100mm～250mm，工作總長為160mm～200mm。進一步地，所述第一透鏡為硫化鋅材料透鏡；所述第二透鏡為硒化鋅材料透鏡；所述第三透鏡為鍺材料透鏡、所述第四透鏡為鍺材料透鏡。在所述第二透鏡的凹面設置衍射面，與折射式光學系統相比，系統采用折衍混合的方案能夠充分利用衍射元件的特性不僅可以對系統波前進行校正同時還可以對系統的溫度以及色差等進行補償。本專利技術實施例中，為了校正系統的色差和消熱差，物鏡選用三種不同的材料。使用正負透鏡組合的方法，校正系統的色差。因此，物鏡組采用4片透鏡“負、正、負、負”的結構形式。本實施例中光學系統的參數見表1：同時，本專利技術實施例光學系統中，可以通過不同材料組合校正色差。負光焦度的Ge透鏡結合前組ZnS透鏡和ZnSe透鏡進行消色差，但1片Ge透鏡還不足以補償系統的色差，因此使用2片Ge透鏡平衡校正色差。4片透鏡材料依次選用ZnS(硫化鋅)、ZnSe(硒化鋅)、Ge(鍺)、Ge(鍺)。本專利技術利用不同光學材料之間熱特性的差異，通過不同特性材料互相搭配組合補償熱離焦來消除溫度對光學系統的不利影響。光學系統在一定溫度(-40℃～60℃)范圍內變化時像面及像質保持穩定良好，達到同時消熱差和消色差的目的。本實施例中，在大相對孔徑折射式系統中引入體積小且薄而輕、高衍射效率、多設計自由度、良好熱穩定性和獨特色散特的衍射光學元件，有利于實現系統的消熱差和色差校正，降低了設計難度。本實施例中，根據高級像差系數正比于初級像差系數以及在初級像差較大的表面上優先選用特殊面型的原則。在攝遠物鏡的第3面(第二透鏡的前表面)上設置衍射面，透鏡基底材料選用硒化鋅，并采用1階衍射。歸一化半徑為100mm。衍射系數：A1＝-484.113，A2＝976.245。本實施例中系統的F數為2.2，視場角為7°，焦距為200mm，工作總長為160mm，占空比小，結構緊湊。本系統由4片透鏡組成，將孔徑光闌密接于第一透鏡前表面，有利于減小系統的孔徑。衍射面置于第第二透鏡的前表面，校正了第第三透鏡的球面負透鏡和第一透鏡片彎月球面負透鏡產生的較大的球差；前2片透鏡和第3片的球面負透鏡像差相互平衡，校正了球差、彗差和軸向色差。如圖2所示，衍射面的特征參量曲線。曲線A表示衍射面上的線性頻率隨實際徑向坐標的變化，曲線B表示衍射面上的相位隨徑向坐標r的變化，以周期數(periods)表示。衍射面的線頻率最大為0.23643mm，對應最小周期線寬為4.33571mm。如果每周期刻蝕16個臺階，對應的最小特征尺寸為0.27mm，該衍射面滿足金剛石加工的工藝要求。如圖3a、3b、3c、3d的色差曲線所示，在各溫度情況下本專利技術光學系統色差得到較好校正，僅留下少量的二級光譜色差，從圖中可以得出，在-40℃時二級光譜色差最大，在0.707帶大小約為0.07mm，但其數值較小可以滿足系統消色差的要求。圖4為20℃時衍射能量分布曲線(-40℃和60℃的曲線與20℃時的曲線類似，不再列出)，在彌散斑RMS直徑25μm范圍內能量集中度大于80％，探測器單個像元尺寸30μm，由此可見，系統在寬溫度范圍內成像質量穩定。調制傳遞函數(ModulationTransferFunction，MTF)是實際像與理想像之間調制度之比相對空間頻率的函數，用于評價光學系統性能的主要手段。如圖5所示，在截止頻率17lp/mm處，各溫度全視場的調制傳遞函數均大于0.45，均接近衍射極限。系統的焦深為Δ＝±2λF2＝±96.8μm，系統的最大離焦量為-40℃時38.914μm，離焦量在焦深范圍以內，在-40℃～+60℃工作溫度范圍內系統最佳像面移動量不大。結果表明本實施例光學系統實現了無熱化，滿足成像質量的要求。以上所述僅為本專利技術的較佳實施例而已，并不用以限制本專利技術，凡在本專利技術的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本專利技術的保護范圍之內。本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種紅外攝遠光學系統，其特征在于，該系統包括：第一透鏡，為彎月球面負透鏡，物方表面為凸面，另一方表面為凹面；第二透鏡，為正透鏡，一側緊鄰所述第一透鏡的凹面，另一側表面為凹面；第三透鏡，為球面負透鏡，入光一側表面為凸面，另一側表面為凹面；第四透鏡，為負透鏡，入光一側表面為凸面，另一側表面為凹面。

【技術特征摘要】
1.一種紅外攝遠光學系統，其特征在于，該系統包括：第一透鏡，為彎月球面負透鏡，物方表面為凸面，另一方表面為凹面；第二透鏡，為正透鏡，一側緊鄰所述第一透鏡的凹面，另一側表面為凹面；第三透鏡，為球面負透鏡，入光一側表面為凸面，另一側表面為凹面；第四透鏡，為負透鏡，入光一側表面為凸面，另一側表面為凹面。2.按照權利要求1所述的紅外攝遠光學系統，其特征在于，在所述...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張婉怡，李偉，李玉瑤，劉喆，張欣婷，李曉奇，于玥，
申請(專利權)人：長春理工大學光電信息學院，
類型：發明
國別省市：吉林;22