大視場中紅外波段抗熱沖擊消熱差光學系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提出的一種大視場中紅外波段抗熱沖擊消熱差光學系統(tǒng)，旨在提供一種能夠適應(yīng)-20℃～80℃溫度范圍內(nèi)快速溫度變化，在溫度變化率15℃/min時仍能清晰成像的光學系統(tǒng)。本發(fā)明通過以下述技術(shù)方案予以實現(xiàn)：在鏡筒中，入射光束通過藍寶石材料的負透鏡（3），經(jīng)硫化鋅材料的正透鏡（4），經(jīng)氟化鋇材料的第一雙凸正透鏡（5），再經(jīng)尖晶石材料的負透鏡（6）聚焦于一次像面（7），一次像面聚焦成的實像通過硫化鋅材料的第二正雙凸正透鏡（8），消除前面所成實像的殘余像差和熱差，并將一次像面經(jīng)過探測器窗口（9）和冷光闌（10）再次成像在焦面（11）上，完成成像的全過程。本發(fā)明在對同一景物成像時，不經(jīng)調(diào)焦都能清晰成像。
【專利說明】大視場中紅外波段抗熱沖擊消熱差光學系統(tǒng)
[0001]【技術(shù)領(lǐng)域】
本發(fā)明涉及一種主要用于F#2 (F#為系統(tǒng)的光圈數(shù)，即焦距與入瞳口徑之比的倒數(shù)，F(xiàn)=f/D)，波長為3.7?4.8 μ m的中波紅外制冷探測器的抗熱沖擊光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。具體而言，本發(fā)明涉及一種使用光學被動消熱差，對高低溫(一 20?+ 80°C)劇烈溫度變化(15°C /min溫度變化率)不敏感的焦距為21.5mm，對應(yīng)視場角為25° X 20°的大視場光學系統(tǒng)。
[0002]【背景技術(shù)】
光學儀器在較大溫度范圍內(nèi)使用時，鏡筒材料、光學材料的熱脹冷縮以及光學材料的折射率溫度系數(shù)會使鏡頭光焦度發(fā)生變化，產(chǎn)生離焦現(xiàn)象。為了降低溫度變化對紅外光學系統(tǒng)成像質(zhì)量的影響，需要進行無熱化設(shè)計，或稱為消熱差設(shè)計，即通過一定的機械、光學及電子等技術(shù)，補償因溫度變化產(chǎn)生的離焦，使紅外光學系統(tǒng)在一個變化范圍較大的溫度區(qū)間內(nèi)保持成像質(zhì)量的穩(wěn)定。大多數(shù)紅外透鏡材料的折射率隨溫度變化顯著，造成到達焦面位置的光程差是紅外系統(tǒng)熱效應(yīng)的主要問題。如鍺的折射率溫度系數(shù)即dn/dt為396X 10 —6/°C，而K9玻璃的dn/dt為3.6X10 —6/°C。熱效應(yīng)對紅外光學系統(tǒng)的影響中，折射率和鏡筒材料熱脹冷縮變化造成的光程差影響貢獻最大，曲率半徑貢獻次之，而透鏡中心厚度的影響最小。要保證紅外光學系統(tǒng)在較寬的溫度范圍內(nèi)常工作，就必須進行消熱差設(shè)計。目前國內(nèi)外采用的紅外系統(tǒng)消熱技術(shù)主要分為機械被動消熱差、機械(電子)主動消熱差、光學被動消熱差三類。其中，機械被動消熱差是利用對溫度敏感的機械材料或記憶合金，使透鏡產(chǎn)生軸向位移來補償溫度變化引起的像面位移；機械(電子)主動消熱差是利用溫度探測器實時測量光學系統(tǒng)所處環(huán)境的溫度，按照一定程序列表驅(qū)動電機調(diào)節(jié)焦面以補償溫度變化造成的像面位移；光學被動消熱差是利用正負透鏡材料的折射率溫度系數(shù)(dn/dT)的差異和線膨脹系數(shù)的差異相互補償不同鏡片焦距變化和鏡筒材料應(yīng)熱脹冷縮造成的像面位移。其中，光學被動補償方式由于具有結(jié)構(gòu)相對簡單、尺寸小、重量輕和系統(tǒng)可靠性高等特點而受到特別重視。
[0003]傳統(tǒng)的光學被動消熱差技術(shù)只針對溫度緩慢變化的情況，即溫升率很少高于5°C /min的情況，這時即便鏡片材料與鏡筒材料有較大的熱導率差異，但較低的溫升率使不同鏡片材料與鏡筒材料的溫度梯度較低，仍然可以選擇硅、鍺、硫化鋅和硒化鋅等傳統(tǒng)材料配合鋁合金、鋼材料和鈦合金等常規(guī)鏡筒材料相配合。然而對非常溫、常壓條件下使用的光學系統(tǒng)，比如一 20?+ 80°C溫度范圍，15°C /min溫度變化率，由于傳統(tǒng)金屬鏡筒材料的熱導率與晶體、玻璃材料透鏡的熱導率往往相差一到兩個數(shù)量級，不同晶體和玻璃透鏡材料的熱導率也相差一個數(shù)量級以上，例如硅材料的導熱率為0.2cal/g.°C.cm.s，而氟化鋇材料的導熱率為0.017cal/g.°C.cm.s,而招合金的導熱率約為2cal/g.°C.cm.s左右，線膨脹系數(shù)達到23.6--Ο_6/..當環(huán)境在I分鐘內(nèi)變化了 15°C時，120mm鏡筒在I分鐘以內(nèi)即可達到熱平衡，鏡筒長度變化了 0.04248mm ;而氟化鋇透鏡需要近兩小時才能達到熱平衡，硅材料需要10分鐘左右達到熱平衡；因此鏡筒材料與透鏡材料有較大溫度梯度，透鏡之間也有較大溫度梯度，即鏡筒材料與透鏡材料以及透鏡間的線膨脹有延遲效應(yīng)，即便采用了傳統(tǒng)的光學被動消熱差設(shè)計，在整個光機系統(tǒng)熱平衡前仍容易形成熱離焦。[0004]2008年刊載于中國文獻《紅外技術(shù)》雜志，第29卷第4期，第203-205頁，名稱為《一種緊湊的紅外消熱差光學系統(tǒng)》，其中公開的適合于中波紅外的光學鏡頭，采用了光學被動消熱差技術(shù)，雖然能夠適應(yīng)_40°C-60°C溫度范圍，但所選鏡筒材料和透鏡材料只限于溫度緩慢變化時的情況，沒有提及如何避免溫度劇烈變化(15°C /分鐘溫度變化率)造成的熱沖擊的影響。
[0005]2008年刊載于中國文獻《紅外與激光工程》雜志，第37卷增刊，第560-564頁，名稱為《新型成像導引頭光學系統(tǒng)的消熱差設(shè)計與評價》，其中公開的適合于中波紅外的光學鏡頭，采用了折衍混合系統(tǒng)進行光學被動消熱差技術(shù)，雖然能夠適應(yīng)-40°C-60°C溫度范圍，但所選鏡筒材料和鏡頭材料也只能適應(yīng)溫度緩慢變化時的情況，沒有提及如何消除溫度劇烈變化(15°C /分鐘溫度變化率)造成的熱沖擊的影響。
[0006]
【發(fā)明內(nèi)容】

本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)溫度劇烈變化，尤其是溫度變化率達到15°C /min時引起的熱像差的問題，提供一種在中波紅外(3.7 μ m-4.8 μ m)波段范圍內(nèi)，能夠適應(yīng)-20°C-80°C溫度范圍內(nèi)快速溫度變化，在溫度變化率15°C /min時仍能清晰成像，具有較好冷反射特性的抗熱沖擊和25° X20°視場的光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
[0007]為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供的一種大視場中紅外波段抗熱沖擊消熱差光學系統(tǒng)，包括:一個采用銦鋼或碳素復(fù)合材料鏡筒、從物面I將無窮遠平行光通過球罩2、透鏡組3-6、透緊貼探測器窗口 9的光闌10，聚焦到焦面11的光學系統(tǒng)，其特征在于，入射光束通過藍寶石材料的負透鏡3，經(jīng)硫化鋅材料的正透鏡4，經(jīng)氟化鋇材料的第一雙凸正透鏡5，再經(jīng)尖晶石材料的負透鏡6聚焦于一次像面7，一次像面7聚焦成的實像通過硫化鋅材料的第二正雙凸正透鏡8，消除前面所成實像的殘余像差和熱差，并將一次像面7經(jīng)過探測器窗口 9和冷光闌10再次成像在焦面11上，完成成像的全過程。
[0008]本發(fā)明相比于現(xiàn)有技術(shù)具有如下有益效果。
[0009]像質(zhì)高、工作溫度范圍寬、結(jié)構(gòu)緊湊。本發(fā)明基于光學被動消熱差原理，采用0.1110-6/℃的銦鋼或碳素復(fù)合材料鏡筒，在20°C溫差時120mm鏡筒長度改變不超過0.2 μ m，在100°c溫差時120mm鏡筒長度改變不超過1μ m ;線膨脹系數(shù)為5.6110-6/℃和折射率溫度系數(shù)dn/dT為11.2 X 10-6/°C的藍寶石材料的負透鏡3焦距在4 μ m檢測波長時為-39.1mm,在20°C溫差時的焦距變化不超過0.008mm,相對變化率不超過0.02% ;線膨脹系數(shù)為6.7110-6/℃和折射率溫度系數(shù)dn/dT為39.6 X 10-6/°C的硫化鋅材料的正透鏡4焦距在4 μ m檢測波長時為2490.69mm，在20°C溫差時的焦距變化不超過75mm，相對變化率不超過3% ;線膨脹系數(shù)為18.4110-6/℃和折射率溫度系數(shù)dn/dT為11.2 X 10-6/°C的氟化鋇材料的第一雙凸正透鏡5在4 μ m檢測波長時焦距為29.84mm,在20°C溫差時的焦距變化不超過0.03mm,相對變化率不超過0.1% ;線膨脹系數(shù)為6.97110-6/℃和折射率溫度系數(shù)dn/dT為8.5 X 10-7/°c的尖晶石材料的負透鏡6在4 μ m檢測波長時焦距為-305.06mm,在20°C溫差時的焦距變化不超過0.175mm,相對變化率不超過0.06% ;線膨脹系數(shù)為6.7110-6/℃和折射率溫度系數(shù)dn/dT為39.6 X 10-6/°C的硫化鋅材料的第二雙凸正透鏡8焦距在4 μ m檢測波長時為15.44mm，在20°C溫差時的焦距變化不超過0.02mm，相對變化率不超過0.13%。本發(fā)明在最高溫度80°C的最佳焦面與最低溫度-20°C的最佳焦面的位置變化不超過0.03mm ;根據(jù)導熱率計算，-20 V-80 V的溫度范圍，溫度變化率15℃/min時透鏡間的溫差最大不超過10°C，在透鏡3、透鏡4、透鏡5、透鏡6、透鏡8之間溫差10°C時距常溫最佳焦面的位置變化不超過0.028mm。
[0010]按照光學系統(tǒng)像差的瑞利判據(jù)，即光程差Λ It應(yīng)控制在光學系統(tǒng)的焦深范圍內(nèi)即可成完善像，即Λ1τ≤2λ (F#)2，其中λ為4μπι檢測波長，F(xiàn)#為系統(tǒng)的光圈數(shù)，F(xiàn)#=f/D,即焦距與入瞳口徑之比，本系統(tǒng)中為2，因此焦深為0.032mm，大于光學系統(tǒng)最佳焦面位置的變化量，表明該系統(tǒng)在-20-80°C的溫度范圍內(nèi)，溫度變化率15°C /min時的熱差引起的光程差仍在焦深范圍內(nèi)，可以成完善像，因此具有良好的抗熱沖擊性能。在_20°C-80°C溫度范圍以及在15°C /min溫度變化率時，在對同一景物成像時，不經(jīng)調(diào)焦都能清晰成像。
[0011]【專利附圖】

【附圖說明】
圖1是本發(fā)明中紅外波段抗熱沖擊消熱差光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造示意圖。
[0012]圖中:I物面，2球罩，3藍寶石材料的負透鏡，4硫化鋅材料的正透鏡，5氟化鋇材料的第一雙凸正透鏡，6尖晶石材料的負透鏡，7 —次像面，8硫化鋅材料的第二雙凸正透鏡，9探測器窗口，10光闌，11焦面。
【具體實施方式】
[0013]為了進一步清楚闡述本發(fā)明，下面將提供【具體實施方式】并與附圖相結(jié)合，對本技術(shù)方案進行說明，但是不應(yīng)當將其理解為對本發(fā)明的限定。
[0014]參閱圖1。以下實施例描述的一種大視場中紅外波段抗熱沖擊消熱差光學系統(tǒng)，包括:采用了 F#2，波長為3.7-4.8μπι的中波紅外制冷探測器，在線膨脹系數(shù)為0.lilO-V'C的銦鋼或碳素復(fù)合材料鏡筒中，無窮遠平行光從物面I經(jīng)尖晶石材料的球罩2，導熱率為
0.06cal/g.V.cm.S、線膨脹系數(shù)為S.eilOtC和折射率溫度系數(shù)dn/dT為11.2X10 —6/°C的藍寶石材料的負透鏡3，導熱率為0.167cal/g.°C.cm.S、線膨脹系數(shù)為6.7丨10_(VO和折射率溫度系數(shù)dn/dT為39.6 X 10 — 6/°C的硫化鋅材料的正透鏡4，導熱率為0.017cal/g.°C.cm.S、線膨脹系數(shù)為18.4--(Τ6/ 和折射率溫度系數(shù)dn/dT為11.2X 10 —6/°C的氟化鋇材料的第一雙凸正透鏡5，導熱率為0.lcal/g -0C-Cm- S、線膨脹系數(shù)為6.97--0兮C和折射率溫度系數(shù)dn/dT為8.5 X 10 — 6/°C的尖晶石材料的負透鏡6，一次像面7和導熱率為
0.167cal/g -0C-Cm- S、線膨脹系數(shù)為6.7ilO_6/°C和折射率溫度系數(shù)dn/dT為39.6X 10 —6/°C的硫化鋅材料的第二雙凸正透鏡8，經(jīng)探測器窗口 9和光闌10成像在焦面11。其中硫化鋅材料的正透鏡4朝向物面I 一側(cè)為非球面，氟化鋇材料的第一雙凸正透鏡5朝向物面I一側(cè)為非球面，硫化鋅材料的第二雙凸正透鏡8兩側(cè)均為非球面。入射光從物面I經(jīng)過球罩2進入藍寶石材料的負透鏡3、硫化鋅材料的正透鏡4、氟化鋇材料的第一雙凸正透鏡5、尖晶石材料的負透鏡6在一次像面7成實像；位于一次像面7后的硫化鋅材料的第二雙凸正透鏡8消除前面作為物鏡的藍寶石材料的負透鏡3、硫化鋅材料的正透鏡4、氟化鋇材料的第一雙凸正透鏡5、尖晶石材料的負透鏡6和球罩2所成實像即一次像面7的殘余像差和熱差，并將一次像面7經(jīng)過探測器窗口 9和冷光闌10再次成像在焦面11上，完成成像的全過程，同時冷光闌10前面的光學鏡片:藍寶石材料的負透鏡3、硫化鋅材料的正透鏡4、氟化鋇材料的第一雙凸正透鏡5、尖晶石材料的負透鏡6、一次像面7、硫化鋅材料的第二雙凸正透鏡8將冷光闌10所成像限制在藍寶石材料的透鏡3和靠近球罩2 —側(cè)的位置，控制全系統(tǒng)的通光孔徑。[0015]基于光學被動消熱差原理，采用0.lilOtC的銦鋼或碳素復(fù)合材料鏡筒，在20°C溫差時120mm鏡筒長度改變不超過0.2 μ m ;線膨脹系數(shù)為5.6--Ο_6/?和折射率溫度系數(shù)即dn/dT為11.2X10 —6/°C的藍寶石材料的負透鏡3焦距在4 μ m檢測波長時為-39.1mm，在20°C溫差時的焦距變化不超過0.008mm，相對變化率不超過0.02% ;線膨脹系數(shù)為6.7? 10_(7℃和折射率溫度系數(shù)dn/dT為39.6 X 10 — 6/°C的硫化鋅材料的正透鏡4焦距在4 μ m檢測波長時為2490.69mm，在20°C溫差時的焦距變化不超過75mm，相對變化率不超過3% ;線膨脹系數(shù)為18.4--Ο__6/℃和折射率溫度系數(shù)dn/dT為11.2X 10 — 6/°C的氟化鋇材料的第一雙凸正透鏡5在4μ m檢測波長時焦距為29.84mm，在20°C溫差時的焦距變化不超過0.03mm，相對變化率不超過0.1% ;線膨脹系數(shù)為6.97?丨0_(7 C和折射率溫度系數(shù)dn/dT為8.5X 10 — 6/°C的尖晶石材料的負透鏡6在4μ m檢測波長時焦距為-305.06mm，在20°C溫差時的焦距變化不超過0.175mm,相對變化率不超過0.06% ;線膨脹系數(shù)為6.7丨1 (TiVO和折射率溫度系數(shù)dn/dT為39.6 X 10 — 6/°C的硫化鋅材料的第二雙凸正透鏡8焦距在4 μ m檢測波長時為15.44mm,在20°C溫差時的焦距變化不超過0.02mm，相對變化率不超過0.13%。本系統(tǒng)在最高溫度80°C的最佳焦面與最低溫度_20°C的最佳焦面的位置變化不超過0.03mm;根據(jù)導熱率計算，_20°C-80°C的溫度范圍，溫度變化率15°C /min時透鏡間的溫差最大不超過10°C，在透鏡3、透鏡4、透鏡5、透鏡6、透鏡8之間溫差10°C時距常溫最佳焦面的位置變化不超過
0.028mm。
[0016]按照光學系統(tǒng)像差的瑞利判據(jù)，即光程差Λ It應(yīng)控制在光學系統(tǒng)的焦深范圍內(nèi)即可成完善像，即Λ1τ≤2λ (F#)2，其中λ為4μπι檢測波長，F(xiàn)#為系統(tǒng)的光圈數(shù)，F(xiàn)#=f/D,即焦距與入瞳口徑之比，本系統(tǒng)中為2，因此焦深為0.032mm，大于光學系統(tǒng)最佳焦面位置的變化量，表明該系統(tǒng)在-20-80°C的溫度范圍內(nèi)，溫度變化率15°C /min時的熱差引起的光程差仍在焦深范圍內(nèi)，可以成完善像，因此具有良好的抗熱沖擊性能，在_20°C-80°C溫度范圍以及在15°C /min溫度變化率時，在對同一景物成像時，不經(jīng)調(diào)焦都能清晰成像。
[0017]探測器窗口 9，光闌10和焦面11均為F#2的制冷型中波紅外探測器的一部分，波段范圍為3.7-4.8 μ m，像元尺寸為30 μ mX30 μ m，像元數(shù)為320X256，其中F#即為光圈數(shù)是入瞳口徑與焦距之比的倒數(shù)，即F=f/D。本系統(tǒng)焦距21.5mm，視場角25°丨2u從物鏡3靠近物面I的一面頂點到探測器窗口 9靠近物面I的一面總長不超過115_。
[0018]球罩2采用尖晶石材料，靠近物面I 一側(cè)曲率半徑為131.5_，厚度為6.5_，靠近焦面11 一側(cè)曲率半徑為125mm。
[0019]第四片透鏡即采用尖晶石材料的尖晶石材料的負透鏡6可由藍寶石材料的負透鏡代替。采用尖晶石材料的球罩2，可由藍寶石材料的球罩或熱壓氟化鎂材料的球罩或硫化鋅材料的球罩代替。
[0020]以上所述的僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施例。應(yīng)當指出，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干變形和改進，比如，上述描述的相關(guān)材料的具體數(shù)據(jù)，可以根據(jù)不同的具體物質(zhì)和環(huán)境而改變，材料替換等這些變更和改變應(yīng)視為屬于本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種大視場中紅外波段抗熱沖擊消熱差光學系統(tǒng)，包括:一個采用銦鋼或碳素復(fù)合材料鏡筒、從物面(I)將無窮遠平行光依次通過球罩(2)、透鏡組(3?6)、透緊貼探測器窗口(9)的光闌(10)，聚焦到焦面(11)的光學系統(tǒng)，其特征在于，入射光束通過藍寶石材料的負透鏡(3)，經(jīng)硫化鋅材料的正透鏡(4)，經(jīng)氟化鋇材料的第一雙凸正透鏡(5)，再經(jīng)尖晶石材料的負透鏡(6)聚焦于一次像面(7)，一次像面(7)聚焦成的實像通過硫化鋅材料的第二正雙凸正透鏡(8)，消除前面所成實像的殘余像差和熱差，并將一次像面(7)經(jīng)過探測器窗口( 9 )和冷光闌(10 )再次成像在焦面(11)上，完成成像的全過程。
2.如權(quán)利要求1所述的大視場中紅外波段抗熱沖擊消熱差光學系統(tǒng)，其特征在于，冷光闌(10)前面的光學系統(tǒng)(3?8)將冷光闌(10)所成像限制在負透鏡(3)靠近球罩(2) —偵_附近，控制全系統(tǒng)的通光孔徑。
3.如權(quán)利要求1所述的大視場中紅外波段抗熱沖擊消熱差光學系統(tǒng)，其特征在于，藍寶石材料的透鏡(3)為彎月負透鏡。
4.如權(quán)利要求1所述的大視場中紅外波段抗熱沖擊消熱差光學系統(tǒng)，其特征在于，硫化鋅材料的正透鏡(4)為彎月正透鏡，朝向物面(I) 一側(cè)為非球面。
5.如權(quán)利要求1所述的大視場中紅外波段抗熱沖擊消熱差光學系統(tǒng)，其特征在于，氟化鋇材料的第一雙凸正透鏡(5)，朝向物面(I) 一側(cè)為非球面。
6.如權(quán)利要求1所述的大視場中紅外波段抗熱沖擊消熱差光學系統(tǒng)，其特征在于，硫化鋅材料的第二雙凸正透鏡(8)，兩側(cè)均為非球面。
7.如權(quán)利要求1所述的大視場中紅外波段抗熱沖擊消熱差光學系統(tǒng)，其特征在于，在150C /min溫度變化率條件下因鏡筒熱脹冷縮、透鏡折射率變化、曲率半徑變化和厚度變化引起的球罩(2)?焦面(11)之間的光程差Δ It≤2 λ (F#)2,其中λ為檢測波長，F(xiàn)#為系統(tǒng)的光圈數(shù)。
8.如權(quán)利要求7所述的大視場中紅外波段抗熱沖擊消熱差光學系統(tǒng)，其特征在于，F(xiàn)#=f/D，焦距f與入瞳口徑D之比為2。
9.如權(quán)利要求1所述的大視場中紅外波段抗熱沖擊消熱差光學系統(tǒng)，其特征在于，用尖晶石材料的負透鏡(6)可由藍寶石材料的負透鏡代替。
10.如權(quán)利要求1所述的大視場中紅外波段抗熱沖擊消熱差光學系統(tǒng)，其特征在于，尖晶石材料的球罩(2)可由藍寶石材料的球罩或熱壓氟化鎂材料的或硫化鋅材料代替。
【文檔編號】G02B13/14GK103439786SQ201310306535
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年7月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月22日
【發(fā)明者】鄧鍵, 彭曉樂, 鐘小兵, 鄭昌盛, 陳代中, 劉勤 申請人:西南技術(shù)物理研究所