一种大相对孔径长焦距非制冷红外无热化光学系统的制作方法

本实用新型属于非制冷红外成像技术领域，具体涉及一种大相对孔径长焦距非制冷红外无热化光学系统。

背景技术：

随着技术的发展进步，非制冷红外系统的像元尺寸不断减小、灵敏度不断提高，而其价格却逐步降低。此外，因其不需要制冷机，系统可靠性高、能够实现小型化，所以越来越广泛应用于安防监控、车载等领域。

然而，非制冷红外系统的温度分辨率较低、探测能力较差，为提高系统的温度分辨率和目标探测能力，要求红外光学系统具有大相对孔径和长焦距。

现有非制冷红外镜头的焦距较短，对目标的分辨能力较低且体积大、重量重。本实用新型在于提供一种大相对孔径长焦红外无热化光学系统，实现了大相对孔径、长焦距，同时能够在宽温度范围内进行成像的红外光学系统。

申请号为201510396800.4的中国专利申请文件中公开了一种大口径长焦距折反式非制冷红外成像系统，该系统未进行无热化设计。在实际应用中，温度变化时会引起红外光学元件的曲率、厚度、折射率发生变化，造成的系统离焦，使得红外光学系统的成像质量下降对于大孔径系统成像质量的影响尤为严重，甚至不能清晰成像。此外，该系统采用一次成像设计的方式不能有效抑制杂散光对光学系统成像的影响。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的不足，本实用新型提供一种大相对孔径的长焦红外光学系统，在系统体积不增大的情况下，采用卡式系统通过光线的多次反射来增长光程，进而实现光学系统的长焦化，利用二次成像，在减小系统前端口径的同时能够有效抑制杂散光对系统成像质量的影响。

为了实现上述目的，本实用新型采用的具体方案为：

一种大相对孔径长焦距非制冷红外无热化光学系统，在光线传播方向上设置于焦平面的前方，由同轴设置的卡式系统和二次成像系统组成，所述卡式系统包括并列设置的主反射镜和次反射镜，光线依次经过主反射镜和次反射镜的反射之后会聚到一次成像点上，所述二次成像系统将一次成像点成像在焦平面上，所述一次成像点位于主反射镜与次反射镜之间；在光线传播方向上，所述二次成像系统由前后同轴设置的第一正月牙形透镜、第二正月牙形透镜、折 /衍混合透镜、活动透镜和负月牙形透镜组成。

优选地，第一正月牙形透镜和第二正月牙形透镜均弯向物方，活动透镜和负月牙形透镜均弯向像方。

优选地，所述折/衍混合透镜包括负月牙形的透镜本体，透镜本体弯向物方，透镜本体的出射面设置为非球面叠加衍射面。

优选地，所述非球面叠加衍射面的方程为：

其中c₅为曲率，r₅为垂直光轴方向的径向坐标，k₅为二次曲线常数，A₅为四阶非球面系数、B₅为六阶非球面系数、C₅为八阶非球面系数；HOR为衍射级次，C₁、C₂、C₃为衍射面系数，λ₀为设计中心波长。

优选地，所述主反射镜和次反射镜的材质为铝。

优选地，所述第一正月牙形透镜、第二正月牙形透镜和活动透镜的材质为单晶锗。

优选地，所述折/衍混合透镜和负月牙形透镜的材质为硒化锌。

优选地，所述活动透镜沿轴向移动用于调整像面的位置。

优选地，取光学系统的焦距为f；所述主反射镜的焦距f₁满足0.76＜f₁/f＜0.78；所述次反射镜的焦距f₂满足-4.17＜f₂/f＜-1.87；所述第一正月牙形透镜的焦距f₃满足0.13＜f₃/f＜0.15；所述第二正月牙形透镜的焦距f₄满足0.10＜f₄/f＜0.13；所述第一正月牙形透镜和所述第二正月牙形透镜的组合焦距f₃₄满足0.08＜f₃₄/f＜0.1；所述折/衍混合透镜的焦距f₅满足-0.74＜f₅/f＜-0.46；所述活动透镜的焦距f₆满足0.09＜f₆/f＜0.13；所述负月牙形透镜的焦距f₇满足-0.65＜f₇/f＜-0.38；所述折/衍混合透镜、活动透镜和负月牙形透镜的组合焦距f₅₆₇满足0.09＜f₅₆₇/f＜0.12。

有益效果：

1、本实用新型采用卡式系统，通过主反射镜和次反射镜的配合，在系统体积不变的情况下利用光线的多次折射来增加光程，从而增加光学系统的焦距，实现长焦化；

2、通过二次成像，可抑制杂散光对系统成像效果的影响，有效提高图像质量；

3、通过合理选取主反射镜、次反射镜的光焦度及间隔，实现系统中心遮拦≤0.3，有效提高了光能利用率，降低了由于中心遮拦对光学系统像质的影响；

4、通过设置活动透镜，可以利用移动活动透镜来微调光学系统像面的位置，在不同物距条件下将光学系统像面调整到探测器焦平面位置，从而补偿由于被观测目标距离的变化所引起光学系统离焦。同时还能够与光学无热化相结合，补偿温度变化造成的像面移动，减少纯光学无热化所需的透镜数量，降低了镜头的复杂程度；

5、采用光学被动无热化与机械主动无热化相结合的方式实现系统在-40℃至+60℃温度范围内由于温度变化所引起的像面离焦补偿；

6、利用衍射元件具有负色散、负热膨胀系数的特点，通过折/衍混合元件光焦度的合理分配和匹配，降低了红外光学系统由于温度变化所引起的离焦量，减小了温度补偿机构的补偿量，有效简化了光学系统结构，从而减轻了重量、缩小系统体积。

附图说明

图1是本实用新型的光路图；

图2是本实用新型在-40℃情况下的传递函数图；

图3是本实用新型在20℃情况下的传递函数图；

图4是本实用新型在60℃情况下的传递函数图；

图5是本实用新型的场曲畸变图；

图6是本实用新型衍射元件相位周期和径向距离的关系示意图。

附图标记：1、主反射镜，2、次反射镜，3、第一正月牙形透镜，4、第二正月牙形透镜，5、折/衍混合透镜，6、活动透镜，7、负月牙形透镜，8、焦平面。

具体实施方式

下面根据附图具体说明本实用新型的实施方式。

如图1所示，图中的光线传播方向为左侧箭头的方向，一种大相对孔径长焦距非制冷红外无热化光学系统，在光线传播方向上设置于焦平面8的前方，由同轴设置的卡式系统和二次成像系统组成，其中卡式系统用于对光线进行会聚压缩，完成一次成像，二次成像系统用于抑制杂散光对系统整体成像的影响，提高成像质量。

卡式系统包括并列设置的主反射镜1和次反射镜2，光线依次经过主反射镜1和次反射镜2的反射之后会聚到一次成像面上，一次像位于主反射镜1与次反射镜2之间。

二次成像系统将一次像成像在焦平面8上，在光线传播方向上，二次成像系统由前后同轴设置的第一正月牙形透镜3、第二正月牙形透镜4、折/衍混合透镜5、活动透镜6和负月牙形透镜7组成。

光学系统的总焦距为f，则各个透镜的焦距满足如下条件：

主反射镜1的焦距f₁满足0.76＜f₁/f＜0.78；次反射镜2的焦距f₂满足-4.17＜f₂/f＜-1.87；第一正月牙形透镜3的焦距f₃满足0.13＜f₃/f＜0.15；第二正月牙形透镜4的焦距f₄满足0.10＜f₄/f＜0.13；第一正月牙形透镜3和第二正月牙形透镜4的组合焦距f₃₄满足0.08＜f₃₄/f＜0.1；折/衍混合透镜5的焦距f₅满足-0.74＜f₅/f＜-0.46；活动透镜6的焦距f₆满足0.09＜f₆/f＜0.13；负月牙形透镜7的焦距f₇满足-0.65＜f₇/f＜-0.38；折/衍混合透镜5、活动透镜6和负月牙形透镜7的组合焦距f₅₆₇满足0.09＜f₅₆₇/f＜0.12。

优选地，第二正月牙形透镜4的入射面为非球面，采用Asphere面型，其方程为：

其中c₄为曲率，r₄为垂直光轴方向的径向坐标，k₄为二次曲线常数，A₄为四阶非球面系数、B₄为六阶非球面系数、C₄为八阶非球面系数、D₄为十阶非球面系数。

进一步地，第二正月牙形透镜4入射面方程中各个参数如表1所示。

表1

折/衍混合透镜5包括负月牙形的透镜本体，透镜本体弯向物方，透镜本体的出射面设置为非球面叠加衍射面，即透镜本体的出射面为非球面，在非球面基底上利用金刚石车削加工出连续浮雕结构形成衍射面，其方程为：

其中c₅为曲率，r₅为垂直光轴方向的径向坐标，k₅为二次曲线常数，A₅为四阶非球面系数、B₅为六阶非球面系数、C₅为八阶非球面系数；HOR为衍射级次，C₁、C₂、C₃为衍射面系数，λ₀为设计中心波长。优选地，各个参数如表2所示。

表2

衍射面的膨胀系数满足：

透镜本体的膨胀系数满足：

其中为透镜材料的膨胀系数，n和n₀分别为透镜材料和环境介质的折射率，为材料的折射率温度系数。

优选地，各个透镜的形状、尺寸参数和材质如表3所示，表中曲率半径、厚度和间隔的单位均为mm，抛物面和非球面的曲率半径指的是顶点处的曲率半径。

表3

本实用新型实现的技术指标如下。

适配探测器像元尺寸：17μm；

工作波段：8μm～12μm；

F^#：1；

焦距：500mm；

中心遮拦：≤0.3；

光学总长与焦距比：≤0.64。

经过仿真实验，如图2至4所示，选用的像元尺寸为17μm，像素数为640×512的非制冷探测器对应空间频率为30lp/mm时，本实用新型在-40℃、20℃、+60℃条件下的传递函数最低为0.5；如图5所示，本实用新型畸变在大小视场均小于1％。如图6所示，折/ 衍混合透镜5的环带数为3，边缘环带之间的尺寸为574μm，可以通过金刚石车削加工得到。

以上仅是本实用新型的较佳实施例而己，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许改动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。