大孔径小像元大靶面超宽温复合消热差热成像镜头

摘要

本发明公开了一种大孔径小像元大靶面超宽温复合消热差热成像镜头，光学系统使用一种光学材料使用二元衍射面的锗透镜。同时利用高线胀系数且自润滑的高分子量聚乙烯的材料，利用材料温度变化特性及多圈平端波纹弹簧结构设计，对温度变化时镜筒与探测器焦平面相对位移进行被动温度补偿量，实现了大相对孔径，小像元大靶面，整体被动无热化的光学系统在‑50℃~+80℃宽温度段持续良好像质的红外热成像镜头。

说明书

技术领域

本发明涉及一种红外热成像镜头消热差设计，尤其是需要大相对孔径，靶面越来越大，像元尺寸越来越小，而且工作温度范围超宽的工作场景的镜头消热差应用。

背景技术

红外光学系统所处的使用环境都在常温常压下，未考虑温度变化等因素对光学系统成像质量的影响。然而对于特殊用途的红外光学系统而言，所处的环境温度会有很大的变化。当温度改变时，由于光学材料与结构材料的热不稳定性，当环境温度变化时，光学元件的曲率、厚度和间隔将发生变化，同时元件材料的折射率也发生改变，从而引起系统焦距变化，像面发生位移，导致系统性能急剧下降，图像质量恶化。因而在军用红外光学，空间红外光学，以及极端环境及工业应用场景情况下，需要满足环境工作温度的消热差红外热成像镜头设计需求。

尤其是对于大相对孔径镜头来讲，景深相对较小。而且随着红外热成像探测器的发展，像元大小从35μm，25μm，17μm发展到现在10-12μm的像元尺寸，成像靶面从传统的160×120,320×240,384×288发展到现在640×512,1240×768甚至1280×1024阶段。所以对红外热成像消热差镜头设计需求有着更大的考验。

目前消热差热成像镜头应用大都是早期大像元尺寸设计，满足工作温度段有限，基本集中在满足大于17微米以上像元，640×512靶面尺寸探测器，系统工作温度在-20℃~﹢40℃较多。

目前采用的消热差设计主要有以下两种方式。

采用光机主动式:

这种方法通过电机控制调焦机构，在不同温度环境下进行镜头的调焦适应，以达到满足成像质量。这种方法主要问题在于尺寸庞大，需增加复杂的调焦机构，以及电机等组件。增加了系统总体尺寸以及重量。同时增加了在调焦过程中光轴一致性的因素，容易造成在调焦过程中光轴晃动等不良影响。

采用机械被动式和光学被动式:

机械被动式方法采用特殊的合金材料作为镜筒框体结构，在光学设计时考虑镜筒的膨胀系数加以整体设计，通常所选材料为反常材料，高温材料缩短，低温材料膨胀。这样才能满足通常高温时焦平面前移，缩短与镜头间隔；低温时焦平面后移，增加与镜头间隔，采用这种材料成本极高。

光学被动式通常采用锗、硒化锌、硫系玻璃等两种以上的光学材质进行设计，成本高。而且对于硫系玻璃来讲，通常由S、Se、Te三种元素与其它如有Ge、Ga、As、Sb等金属元素形成的一种无氧红外玻璃，通常采用热压等方法成型，尺寸不会很大，很难加工大口径光学元件，并且通常掺杂元素里具有砷（As）等剧毒物质，加工不友好、不环保。

对于以上两种被动设计方式的镜头设计应用在小相对孔径，例如F/1.2 F/1.4等小孔径小焦距镜头得以应用，但往往设计只能满足-20℃~+40℃的温差范围。并且设计基本只能满足在640×512靶面尺寸以下的，大于17μm像元尺寸以上的红外探测器应用。

发明内容

为了克服现有技术中不能做到大相对孔径，难以满足小像元，大靶面设计，以及不能实现-50℃~+80℃的宽温度段无电机，小尺寸的无热化红外热成像的技术问题，本发明提供一种采用特殊材料配合多套环式结构设计与采用单一锗材料进行二元光学设计向结合的方式，实现了对于相对孔径F/#=1.0，环境温度-50℃~+80℃，对于像元尺寸10微米，1280×1024阵列的大靶面红外热成像自适应被动无热化光学镜头设计，使得全温度段成像质量接近衍射极限。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

红外光学系统消热差设计要求光学元件的轴向色差为零，温度变化时光学元件产生的离焦与机械结构产生的离焦相互抵消，从而使整个系统不产生温度离焦。全折射元件组成的光学被动式消热差系统，至少需要三种以上的材料，且系统比较复杂。而本发明采用单一锗单晶材料，同时采用衍射光学元件独特的温度特性和色散特性，实现外光学系统能够用更简单的结构实现一定温度范围内的消热差设计。

光学元件的温度特性由光热膨胀系数表示，定义为透镜温度变化引起的焦距的归一化变化:

对于折射元件，采用薄透镜模型可以得到它的光热膨胀系数:

式中，α为光学元件的线膨胀系数，n为光学元件的折射率，”n

衍射元件的光热膨胀系数为:

折射元件的温度特性由材料的膨胀系数和材料的折射率温度系数决定，而衍射元件的温度特性只是由材料的膨胀系数决定而与材料的折射率温度系数无关。

衍射元件的光热膨胀系数相对于折射元件很小，但其色散因子远远大于折射元件的，可以承担系统的消色差功能。因此折衍混合红外光学系统可以利用衍射元件消色差再合理分配折射元件的光焦度进行消热差，降低了消热差红外光学系统的设计难度，简化了系统结构．使系统有很大的设计自由度。

单一采用衍射二元光学设计可以很好的优化成像质量，一定环境温度范围内能够满足小像元，大靶面的需求设计。但在大相对孔径，-50℃~+80℃的宽温度段范围内，不能够满足全温度范围的消热差设计。

依照光学设计分析，温度升高时，焦平面相对前移，需缩小镜头与焦平面之间的距离。反之，当温度降低时，焦平面相对后移，需增加焦平面与镜头之间的距离。

温度变化时像面与镜头相对位置线性变化，通过温度变化时，像面与镜头相对位置的变化长度L=ɑT，T为常温与高温或低温时的温度差值，ɑ为膨胀材料线膨胀系数。

所以需选择满足高热膨胀系数的材料，同时具备一定的润滑功能，且改材料能够满足高低温极端温度工作环境。材料选用PE-UHMW超高分子量聚乙烯，是分子量高250万的热塑性工程塑料。抗冲击性、耐腐蚀性好、优异的耐化学性能、密度比其他热塑性塑料低,摩擦系数低、适中的机械强度、刚性的耐蠕变性能，优异的机械加工性能、良好的抗高能量辐射性能。同时PE-UHMW可以在-150℃~90℃环境温度下正常工作。更为重要的是，PE-UHMW高热膨胀系数的缺点，刚好在增加镜筒整体移动量的巨大优势，可以较小长度实现较大的膨胀、压缩距离。设计采用转接环衔接方式，这样在较短的空间可以实现温度变化时膨胀或压缩的变化累加量，最大程度减小镜头尺寸。转接环采用低膨胀系数的殷钢，减少转接环节带来的自身膨胀因素。为了使镜头整体移动，需内套活动镜筒受力均匀分布，弹簧采用多圈平端波纹簧。当温度升高时，膨胀材料的累积增加，压迫与滑动镜筒连接为一体的膨胀挡圈向后移动，滑动镜筒整体后移，达到了温度升高时缩短焦平面与镜头之间距离作用。当温度降低时，膨胀材料的累积缩短，压迫与滑动镜筒连接为一体的膨胀挡圈向前移动，滑动镜筒整体前移，达到了温度降低时增加焦平面与镜头之间距离作用。膨胀材料温度变化长度与光学设计温度变化离焦量结合设计膨胀材料总体长度。

本发明的有益效果是，本发明通过采用衍射二元光学设计与多套环式被动结构自调整的消热差相结合的设计技术方式。实现体积小、重量轻、可靠性高而工作温度范超大，同时满足大相对孔径，小像元，大靶面的现代高精度红外光学系统。有效解决了现有技术通过单一锗单晶不能满足大相对孔径，小像元，大靶面红外光学系统通过被动方式达到-50℃~+80℃的宽温度段范围清晰成像的目标。

附图说明:图1是本发明示意图；

图中:1.锗透镜1;2.锗透镜2;3.锗透镜3（含二元衍射面）;4.高膨胀超高分子量聚乙烯;5.殷钢转接环;6.高膨胀超高分子量聚乙烯;7.膨胀挡圈;8.多圈平端波纹簧;9.滑动内镜筒;10.外镜筒;11.探测器成像面。

具体实施方式 :

大孔径小像元大靶面超宽温复合消热差热成像镜头包括锗透镜1，锗透镜2，含有二元衍射面的锗透镜3。通过二元衍射光学设计与多套环式被动结构自调整的消热差相结合的设计技术方式实现针对大相对孔径，小像元大靶面的红外热成像光学系统在50℃~+80℃的宽温度段范围清晰成像的目的。在使用二元衍射面锗透镜3，保证常温环境附近较小的环境温度范围能够良好成像质量前提下，通过仿真出不同环境温度下镜头整体与探测器成像面11之间的相对位移。依照所选取的高膨胀超高分子量聚乙烯线胀系数，计算出所需高线胀系数且自润滑的高分子量聚乙烯的材料长度，使用套环的方式是的轴向空间尺寸变小，做到体积最小化的目的。当温度升高时，膨胀材料4和6的长度累积增加，压迫与滑动镜筒连接为一体的膨胀挡圈7向后移动，滑动镜筒整体后移，达到了温度升高时缩短焦平面与镜头之间距离作用。当温度降低时，膨胀材料4和6的累积缩短，压迫与滑动镜筒连接为一体的膨胀挡圈7向前移动，滑动镜筒整体前移，达到了温度降低时增加焦平面与镜头之间距离作用。膨胀挡圈7与内镜筒9刚性连接，转接环5采用热胀系数趋于零的殷钢材质，对内镜筒施力的弹簧使用多圈平端波纹簧8，保证内镜筒9移动轴向压力均匀，内镜筒9与外镜筒10能够平滑移动。最终达到整体被动无热化的光学系统。