一种适用于宽温度范围的中波红外无热化光学镜头的制作方法

本发明属于光学系统设计技术领域，涉及一种适用于宽温度范围的中波红外无热化光学镜头。

背景技术：

透射式红外光学系统像面的漂移对温度非常敏感，一般当温度变化5℃以上像质就会衰减，从而导致光学系统无法成清晰像；对于140℃的温度带宽，光学系统的像面离焦量会达到毫米量级，此时探测器将无法获取图像。为消除温度的影响，红外镜头设计中常采用无热化设计方法。无热化设计包括主动无热化设计和被动无热化设计。主动无热化设计需要在光学系统中加入测温系统和调焦机构，由此增加了系统的体积和复杂性。被动无热化设计方法不需要测温系统和调焦机构，只依靠光学自身成像原理和光学材料及机械结构材料的热特性匹配来消除温度影响。

在透射式中波红外光学镜头无热化设计方面，目前国内也有部分采用被动无热化设计方法，授权公告号cn201096959“广角光学被动消热差红外光学镜头”采用了被动无热化设计方法，但温度范围仅为-40℃～+60℃，；公开号cn1455282a“红外折射衍射三片式减热差光学成像系统结构”利用衍射光学元件实现被动无热化，温度范围可达-80℃～+280℃，但视场仅为5°。在国外，us5504628a“passiveathermalizationofoptics”和ep0553583a1“infraredcamerawithauto－athermalisedopticalsystem”虽然采用了被动无热化设计，但视场较小。

技术实现要素：

(一)发明目的

本发明的目的是：提供一种适用于超声速环境的中波红外光学镜头，省却了测温调焦机构，可在超声速条件下清晰成像，其工作波段为3.5μm～5.0μm，采用被动无热化设计，在-40℃～+80℃温度范围内可正常工作。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种适用于超声速环境的中波红外光学镜头，其包括：沿光轴方向由前至后同轴布置的光学头罩1、第一透镜2、第二透镜3、第三透镜4、第四透镜5、第五透镜6和第六透镜7；第一透镜2、第二透镜3和第五透镜6为球面透镜，第一透镜2为凸凹透镜，第二透镜3为凸凹透镜，第五透镜6为双凸透镜；第三透镜4、第四透镜5和第六透镜7为非球面透镜，第三透镜4的前表面为非球面，后表面为凸面，第四透镜5前表面为非球面，后表面为凹面，第六透镜7的前表面为非球面，后表面为凹面。

其中，所述光学头罩1的光学材料为蓝宝石，前后两表面的半径范围依次为109mm～110.5mm和105mm～105.5mm，通光口径范围依次为φ120mm～φ125mm和φ108mm～φ122mm，光学厚度范围为5mm～6mm。

其中，所述第一透镜2的光学材料为锗，前后两表面的半径范围依次为63.3mm～64.3mm和340mm～344mm，通光口径范围依次为φ37mm～φ37.5mm和φ36mm～φ36.5mm，光学厚度范围为5.0mm～6.0mm。

其中，所述第二透镜3的光学材料为硫化锌，前后两表面的半径范围依次为104mm～105mm和36.5mm～37.5mm，通光口径范围依次为φ34mm～φ34.5mm和φ30mm～φ30.5mm，光学厚度范围为4.0mm～5.0mm。

其中，所述第三透镜4的光学材料为硒化锌，前表面为非球面，非球面系数为a＝-4.214834e-6，b＝-1.609390e-9，c＝-4.315333e-13，d＝5.003890e-16，前表面半径范围为36mm～37mm，通光口径范围为φ36.5mm～φ37mm，后表面半径范围为200mm～205mm，通光口径范围为φ36.5mm～φ37mm，厚度范围为8.0mm～9.0mm。

其中，所述第四透镜5的光学材料为硒化锌，前表面为非球面，非球面系数为a＝-2.464387e-4，b＝5.153175e-6，c＝-1.030664e-7，d＝7.638917e-10，前表面半径范围为12mm～13mm，通光口径范围为φ15.5mm～φ16mm，后表面半径范围为16mm～17mm，通光口径范围为φ13.5mm～φ14mm，厚度范围为4.0mm～5.0mm。

其中，所述第五透镜6的光学材料为硅，前后两表面的半径范围依次为8.5mm～9.5mm和13mm～14mm，通光口径范围依次为φ15.5mm～φ16.5mm和φ24.0mm～φ25.0mm，光学厚度范围为7.5mm～8.5mm。

其中，所述第六透镜7的光学材料为硒化锌，前表面为非球面，非球面系数为a＝-1.917096e-5，b＝-3.615536e-8，c＝1.140794e-11，d＝1.481582e-13，前表面半径范围为19mm～20mm，通光口径范围为φ23.5mm～φ24mm，后表面半径范围为79mm～80mm，通光口径范围为φ22.5mm～φ23mm，厚度范围为4.5mm～5.5mm。

其中，所述光学头罩1和第一透镜2之间的距离变化范围为17.5mm～17.6mm；第一透镜2和第二透镜3之间的距离变化范围为1.0mm～1.1mm；第二透镜3和第三透镜4之间的距离变化范围为5.0mm～5.1mm；第三透镜4和第四透镜5之间的距离变化范围为33.4mm～33.5mm；第四透镜5和第五透镜6之间的距离变化范围为6.0mm～6.1mm；第五透镜6和第六透镜7之间的距离变化范围为0.5mm～0.6mm。

(三)有益效果

上述技术方案所提供的适用于超声速环境的中波红外光学镜头，由光学头罩、三片球面透镜和三片非球面透镜组成，在-55℃～85℃的宽温度范围内实现被动无热化，省却了测温调焦机构，提高了光学传递函数，提高了系统可靠性，同时该镜头的设计视场达到了13°。

附图说明

图1为一种适用于宽温度范围的中波红外无热化光学镜头的系统图。

图2为一种适用于宽温度范围的中波红外无热化光学镜头头在+20℃下的光学传递函数值图。

图3为一种适用于宽温度范围的中波红外无热化光学镜头在-40℃下的光学传递函数值图。

图4为一种适用于宽温度范围的中波红外无热化光学镜头在+80℃下的光学传递函数值图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本发明适用于超声速环境的中波红外光学镜头的技术性能指标为：

中波红外成像子系统：工作波段：3.5μm～5.0μm；

视场：10°(俯仰)×8°(航向)；

对角线视场：12.8°；

焦距：f＝60mm；

f数：2.0；

工作温度范围：-55℃～+85℃；

光学系统总效率：不小于80％。

参照图1所示，本发明适用于超声速环境的中波红外光学镜头包括：沿光轴方向由前至后同轴布置的光学头罩1、第一透镜2、第二透镜3、第三透镜4、第四透镜5、第五透镜6和第六透镜7；第一透镜2、第二透镜3和第五透镜6为球面透镜，第一透镜2为凸凹透镜，第二透镜3为凸凹透镜，第五透镜6为双凸透镜；第三透镜4、第四透镜5和第六透镜7为非球面透镜，第三透镜4的前表面为非球面，后表面为凸面，第四透镜5前表面为非球面，后表面为凹面，第六透镜7的前表面为非球面，后表面为凹面。

光学头罩1的光学材料为蓝宝石，前后两表面的半径范围依次为109mm～110.5mm和105mm～105.5mm，通光口径范围依次为φ120mm～φ125mm和φ108mm～φ122mm，光学厚度范围为5mm～6mm。

第一透镜2的光学材料为锗，前后两表面的半径范围依次为63.3mm～64.3mm和340mm～344mm，通光口径范围依次为φ37mm～φ37.5mm和φ36mm～φ36.5mm，光学厚度范围为5.0mm～6.0mm。

第二透镜3的光学材料为硫化锌，前后两表面的半径范围依次为104mm～105mm和36.5mm～37.5mm，通光口径范围依次为φ34mm～φ34.5mm和φ30mm～φ30.5mm，光学厚度范围为4.0mm～5.0mm。

第三透镜4的光学材料为硒化锌，前表面为非球面，非球面系数为a＝-4.214834e-6，b＝-1.609390e-9，c＝-4.315333e-13，d＝5.003890e-16，前表面半径范围为36mm～37mm，通光口径范围为φ36.5mm～φ37mm，后表面半径范围为200mm～205mm，通光口径范围为φ36.5mm～φ37mm，厚度范围为8.0mm～9.0mm。

第四透镜5的光学材料为硒化锌，前表面为非球面，非球面系数为a＝-2.464387e-4，b＝5.153175e-6，c＝-1.030664e-7，d＝7.638917e-10，前表面半径范围为12mm～13mm，通光口径范围为φ15.5mm～φ16mm，后表面半径范围为16mm～17mm，通光口径范围为φ13.5mm～φ14mm，厚度范围为4.0mm～5.0mm。

第五透镜6的光学材料为硅，前后两表面的半径范围依次为8.5mm～9.5mm和13mm～14mm，通光口径范围依次为φ15.5mm～φ16.5mm和φ24.0mm～φ25.0mm，光学厚度范围为7.5mm～8.5mm。

第六透镜7的光学材料为硒化锌，前表面为非球面，非球面系数为a＝-1.917096e-5，b＝-3.615536e-8，c＝1.140794e-11，d＝1.481582e-13，前表面半径范围为19mm～20mm，通光口径范围为φ23.5mm～φ24mm，后表面半径范围为79mm～80mm，通光口径范围为φ22.5mm～φ23mm，厚度范围为4.5mm～5.5mm。

光学头罩1和第一透镜2之间的距离变化范围为17.5mm～17.6mm；第一透镜2和第二透镜3之间的距离变化范围为1.0mm～1.1mm；第二透镜3和第三透镜4之间的距离变化范围为5.0mm～5.1mm；第三透镜4和第四透镜5之间的距离变化范围为33.4mm～33.5mm；第四透镜5和第五透镜6之间的距离变化范围为6.0mm～6.1mm；第五透镜6和第六透镜7之间的距离变化范围为0.5mm～0.6mm。

实施例

光学头罩1的光学材料为蓝宝石，前后两表面的半径依次为110mm和105mm，通光口径依次为φ120mm和φ108mm，光学厚度为5mm；

第一透镜2的光学材料为锗，前后两表面的半径依次为63.3mm和344mm，通光口径依次为φ37.5mm和φ36mm，光学厚度为6.0mm；

第二透镜3的光学材料为硫化锌，前后两表面的半径依次为104.3mm和36.8mm，通光口径依次为φ34.5mm和φ30mm，光学厚度为4.9mm；

第三透镜4的光学材料为硒化锌，前表面为非球面，非球面系数为a＝-4.214834e-6，b＝-1.609390e-9，c＝-4.315333e-13，d＝5.003890e-16，前表面半径为36.7mm，通光口径为φ37mm，后表面半径为204.7mm，通光口径为φ36.8mm，厚度为8.6mm；

第四透镜5的光学材料为硒化锌，前表面为非球面，非球面系数为a＝-2.464387e-4，b＝5.153175e-6，c＝-1.030664e-7，d＝7.638917e-10，前表面半径为12.8mm，通光口径为φ16mm，后表面半径为16.7mm，通光口径范围为φ14mm，厚度范围为4.95mm；

第五透镜6的光学材料为硅，前后两表面的半径依次为8.96mm和13.13mm，通光口径依次为φ16.5mm和φ25.0mm，光学厚度为7.9mm；

第六透镜7的光学材料为硒化锌，前表面为非球面，非球面系数为a＝-1.917096e-5，b＝-3.615536e-8，c＝1.140794e-11，d＝1.481582e-13，前表面半径为19.3mm，通光口径为φ23.8mm，后表面半径为79.63mm，通光口径为φ23mm，厚度为4.9mm；

光学头罩1和第一透镜2之间的距离为17.5mm；

第一透镜2和第二透镜3之间的距离为1.0mm；

第二透镜3和第三透镜4之间的距离为5.0mm；

第三透镜4和第四透镜5之间的距离为33.4mm；

第四透镜5和第五透镜6之间的距离为6.1mm；

第五透镜6和第六透镜7之间的距离为0.6mm。

图2～图4为光学镜头在+20℃、-55℃和+85℃温度下，利用codev光学设计软件制作的最佳实施例光学传递函数值图，设计输入为波长5.0μm、4.25μm和3.5μm，半视场为0°、3.2°、4.48°和6.4°，f数为2.0。由于正方向视场和负方向视场的像质相同，因此输入时仅取正方向视场即可。图中横坐标表示空间频率，纵坐标表示光学传递函数值。

表1为适用于超声速环境的中波红外光学镜头成像质量情况，可以看出该光学镜头在-55℃～+85℃温度范围内，从中心视场到边缘视场的成像质量优良，即整个图像都非常清晰。

表1红外光学镜头成像质量(mtf@16lp/mm)

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。