全折射被动无热化红外双波段镜头

摘要

本发明属于光学红外成像系统，尤其涉及一种全折射被动无热化红外双波段光学镜头。包括第一凸透镜片、第一凹弯月透镜片、第二凸透镜片、第二凹弯月透镜片、保护玻璃和像平面，其特征在于：在同光轴上依次安置有第一凸透镜片、第一凹弯月透镜片、第二凸透镜片、第二凹弯月透镜片、保护玻璃和像平面，将光学系统光栏直接放置在探测器的冷屏处，第一凸透镜片的前表面为非球面，第一凹弯月透镜片的前表面为非球面，第二凸透镜片的后表面为非球面。仅用常用的红外材料在不使用特殊光学元件的基础上，使光学系统既能解决光谱波段宽，色差校正困难的问题，又能解决在较大温度范围内系统无热化的问题。

说明书

技术领域

本发明属于光学红外成像系统，尤其涉及一种全折射被动无热化红外双波 段光学镜头。

背景技术

在现代军事战争中，具有全天候、高分辨率、打击精度高的军事武器显得 越来越重要，由于使用区域的不同、气候温度的改变、目标的伪装，单一波段 获取的信息自然就减弱，所以单一波段的红外探测器系统获取的信息、探测精 度已不能满足现代军事探测和军事打击的要求。而红外双波段光学系统能同时 获取中波红外和长波红外的探测信息，对于提高探测精度、识别能力、打击精 度有质的飞跃。随着精确制导技术的快速发展，对两个波段的辐射同时进行探 测已显得非常重要，对应的光学系统及其设计需求空前增长。但是红外双波段 光学系统在设计上有较大难度，由于国内在红外材料、加工能力、镀膜技术等 多方面的局限性，尤其是在不使用特殊元件及特殊材料的基础上在中波红外和 长波红外波两个波段，要同时校正各种像差。而且由于军用光学系统大都工作 在较恶劣的环境温度范围内，红外光学材料的折射率温度系数较大，环境温度 变化会造成红外光学系统产生热离焦并导致像质降低，所以要通过少数的镜片 实现全折射被动无热化非常困难。

现有技术公开的红外双波段光学系统有2003年11月12日公开专利号为 CN1455281A的中国专利，2002年6月5日公开专利号为CN1352403A的中国 专利，专利中公开的红外双波段光学装置都是通过折射衍射混合透镜来实现的， 但是衍射元件在国内的加工能力，加工精度都有局限性，成本还比较高。在2008 年8月5日公开专利号为US7408159B1的美国专利中虽然没有用到衍射元件， 但是所使用的GaAs光学材料的毒性程度至今还没完全确定。

发明内容

为了克服现有技术的缺点，本发明提供一种全折射被动无热化红外双波段 镜头，仅用常用的红外材料在不使用特殊光学元件的基础上，使光学系统既能 解决光谱波段宽，色差校正困难的问题，又能解决在较大温度范围内系统无热 化的问题。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：包括第一凸透镜片、第一凹 弯月透镜片、第二凸透镜片、第二凹弯月透镜片、保护玻璃和像平面，其特征 在于：在同光轴上依次安置有第一凸透镜片、第一凹弯月透镜片、第二凸透镜 片、第二凹弯月透镜片、保护玻璃和像平面，将光学系统光栏直接放置在探测 器的冷屏处，第一凸透镜片的前表面为非球面，第一凹弯月透镜片的前表面为 非球面，第二凸透镜片的后表面为非球面，通过第一凸透镜片、第一凹弯月透 镜片、第二凸透镜片、第二凹弯月透镜片来实现消色差和消热差。

本发明的优点，提供一种基于被动无热化的红外双波段光学镜头，该双波 段镜头在被动无热化技术的基础上，仅仅通过材料的合理选择，非球面系数的 合理优化，通过四个镜片就在中波和长波两个波段实现了系统的被动无热化， 本发明降低了对工艺水平的要求，使双波段系统设计结构更加紧凑、片数少、 透射比高、后工作距离长，具有较好的校像差特性，为红外双波段光学设计提 供了一套全新的系统。解决了为实现少片数折射红外双波段系统而使用特殊光 学元件的问题，本发明设计了一种结构简单、尺寸较小、装配容易、透过率高， 冷光阑效率100％，并且长的后工作距离有利于红外系统的装调，在成本降低的 同时可靠性还得到了提高。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明结构示意图；

图2A-2E为本发明分别在中波下-40℃、-20℃、20℃、40℃和70℃的MTF；

图3A-3E为本发明分别在长波下-40℃、-20℃、20℃、40℃和70℃的MTF。

具体实施方式

如附图所示，本发明包括第一凸透镜片1、第一凹弯月透镜片2、第二凸透 镜片3、第二凹弯月透镜片4、保护玻璃5和像平面6，其特征在于：在同光轴 上依次安置有第一凸透镜片1、第一凹弯月透镜片2、第二凸透镜片3、第二凹 弯月透镜片4、保护玻璃5和像平面6，将光学系统光栏直接放置在探测器的冷 屏处，第一凸透镜片1的前表面S1为非球面，第一凹弯月透镜片2的前表面S3 为非球面，第二凸透镜片3的后表面S6为非球面，通过第一凸透镜片1、第一 凹弯月透镜片2、第二凸透镜片3、第二凹弯月透镜片4来实现消色差和消热差。

值得一提的是，本实施例的红外双波段镜头只有四片折射镜片，没有使用 特殊光学元件，且结构简单、尺寸较小、装配容易、透过率高，冷光阑效率100％。

以下表一内容将举出本发明的实施例参数。

在表一中，曲率半径是指每个表面的曲率半径，间距是指两相邻表面间的 距离，举例来说，表面S1的间距，即表面S1至表面S2间的距离。备注栏中各 透镜所对应的厚度、玻璃材料请参同列中各间距、玻璃材料对应的数值。

表二列出了第一凸透镜片1的前表面S1、第一凹弯月透镜片2的前表面S3、 第二凸透镜片3的后表面S6的非球面系数。

非球面以面定点为基准的光轴方向的位变定义如下：

Z＝(1/R)Y^2/[1+【1-(1+K)(Y/R)^2】^1/2]+A(Y^4)+B(Y^6)+C(Y^8)+D(Y^10)

其中，Z-光轴方向的位变，Y-光轴的高，R-近轴曲率半径，K-Conic系数， A、B、C-非球面系数，^2-二次方，^4-四次方，^6-六次方，^8-八次方，^10-十 次方。

在表三中分别列出本发明的一些重要参数值。

图2A至图2E为双波段光学系统在中波时成像光学仿真数据图，其中图2A 为中波20℃光学传递函数(modulation transfer function，MTF)曲线图，且其横 轴为每毫米的线对数(line pair per millimeter)，纵轴为对比度数值，图2B为中 波-20℃的MTF曲线，图2C为中波40℃的MTF曲线，图2D为中波70℃的 MTF曲线，图2E为中波-40℃的MTF曲线。

图3A至图3E为双波段光学系统在长波时成像光学仿真数据图，其中图3A 为长波20℃的MTF曲线，图3B为长波-20℃的MTF曲线，图3C为长波40℃ 的MTF曲线，图3D为长波70℃的MTF曲线，图3E为长波-40℃的MTF曲线。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明而限制本发明所描述的技 术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的 说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或 等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖 在本发明的权利要求范围当中。