一种适用于超声速环境的中波红外光学镜头的制作方法

本发明属于光学系统设计技术领域，涉及一种适用于超声速环境的中波红外光学镜头。

背景技术：

红外成像制导技术因其制导精度高、抗干扰能力强、隐蔽性好、效费比高、结构紧凑、机动灵活等优点，已经在现代武器装备中得到了广泛应用。超声速飞行已成为制导武器设计的一个重要指标，当飞行马赫数为1.3≤ma≤5.0时，称为超声速飞行，此时光学头罩与气流之间会发生强烈的相互作用，产生气动热，光学头罩温度急剧升高，导致头罩内外表面产生温度梯度，并使光学头罩产生热变形和热应力，从而影响红外成像镜头的分辨率及成像质量。因此，气动热效应对成像性能的影响及其消除方式，已成为国内外研究的重点。

目前国内的研究重点主要集中在超声速条件下光学头罩基底材料的选择和制备，气动热效应下高速飞行器光学头罩热(光)传输机理的研究，以及相应数学模型的建立上。从光学设计角度出发，从原理上解决气动热效应对光学镜头性能的影响，目前国内还未有公开的研究成果及相应的专利文献。

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，实现在超声速条件下清晰成像，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，省却测温调焦机构。

(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：沿光路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、第六透镜7和第七透镜8；第一透镜2为凸凹透镜，第二透镜3为凸凹透镜，第三透镜4为凸凹透镜，第四透镜5为凹凸透镜，第五透镜6为双凸透镜，第六透镜7为双凹透镜，第七透镜8为双凸透镜。

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115.3mm～117.3mm和47.5mm～48.5mm，通光口径范围依次为φ32mm～φ32.5mm和φ31mm～φ31.5mm，光学厚度范围为4.5mm～5.5mm。

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64.5mm～65.5mm和31.1mm～32.1mm，通光口径范围依次为φ30mm～φ30.5mm和φ28mm～φ28.5mm，光学厚度范围为5.5mm～6.5mm。

其中，所述第三透镜4的光学材料为硅，前后两表面的半径范围依次为10.5mm～11.5mm和7.5mm～8.5mm，通光口径范围依次为φ16.5mm～φ17mm和φ8.5mm～φ9mm，光学厚度范围为7.5mm～8.5mm。

其中，所述第四透镜5的光学材料为锗，前后两表面的半径范围依次为8.5mm～9.5mm和13.1mm～14.1mm，通光口径范围依次为φ10.2mm～φ11.2mm和φ16.5mm～φ17.5mm，光学厚度范围为6.5mm～7.5mm。

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42.5mm～43.5mm和230.5mm～235.5mm，通光口径范围依次为φ25.5mm～φ26.5mm和φ24.0mm～φ25.0mm，光学厚度范围为4.5mm～5.5mm。

其中，所述第六透镜7的光学材料为硒化锌，前后两表面的半径范围依次为76.5mm～77.5mm和144.4mm～145.4mm，通光口径范围依次为φ22mm～φ22.5mm和φ21mm～φ21.5mm，光学厚度范围为4.5mm～5.5mm。

其中，所述第七透镜8的光学材料为硅，前后两表面的半径范围依次为38.5mm～39.5mm和47.5mm～48.5mm，通光口径范围依次为φ21.5mm～φ22mm和φ21.5mm～φ22mm，光学厚度范围为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9mm～9.1mm；第一透镜2和第二透镜3之间的距离变化范围为0.4mm～0.5mm；第二透镜3和第三透镜4之间的距离变化范围为25.6mm～25.7mm；第三透镜4和第四透镜5之间的距离变化范围为6.7mm～6.8mm；第四透镜5和第五透镜6之间的距离变化范围为11.7mm～11.8mm；第五透镜6和第六透镜7之间的距离变化范围为2.5mm～2.6mm；第六透镜7和第七透镜8之间的距离变化范围为1.6mm～1.7mm。

(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，采用被动无热化设计，在-40℃～+80℃温度范围内可正常工作，并且省却了测温调焦机构，简化了结构。

附图说明

图1为一种适用于超声速环境的中波红外光学镜头的系统图。

图2为一种适用于超声速环境的中波红外光学镜头在+20℃下的光学传递函数值图。

图3为一种适用于超声速环境的中波红外光学镜头在-40℃下的光学传递函数值图。

图4为一种适用于超声速环境的中波红外光学镜头在+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：-40℃～+80℃；

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：沿光路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、第六透镜7和第七透镜8；第一透镜2为凸凹透镜，第二透镜3为凸凹透镜，第三透镜4为凸凹透镜，第四透镜5为凹凸透镜，第五透镜6为双凸透镜，第六透镜7为双凹透镜，第七透镜8为双凸透镜。

根据光路走向，规定图中所有光学元件左侧表面为前表面，右侧表面为后表面。

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115.3mm～117.3mm和47.5mm～48.5mm，通光口径范围依次为φ32mm～φ32.5mm和φ31mm～φ31.5mm，光学厚度范围为4.5mm～5.5mm。

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64.5mm～65.5mm和31.1mm～32.1mm，通光口径范围依次为φ30mm～φ30.5mm和φ28mm～φ28.5mm，光学厚度范围为5.5mm～6.5mm。

第三透镜4的光学材料为硅，前后两表面的半径范围依次为10.5mm～11.5mm和7.5mm～8.5mm，通光口径范围依次为φ16.5mm～φ17mm和φ8.5mm～φ9mm，光学厚度范围为7.5mm～8.5mm。

第四透镜5的光学材料为锗，前后两表面的半径范围依次为8.5mm～9.5mm和13.1mm～14.1mm，通光口径范围依次为φ10.2mm～φ11.2mm和φ16.5mm～φ17.5mm，光学厚度范围为6.5mm～7.5mm。

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42.5mm～43.5mm和230.5mm～235.5mm，通光口径范围依次为φ25.5mm～φ26.5mm和φ24.0mm～φ25.0mm，光学厚度范围为4.5mm～5.5mm。

第六透镜7的光学材料为硒化锌，前后两表面的半径范围依次为76.5mm～77.5mm和144.4mm～145.4mm，通光口径范围依次为φ22mm～φ22.5mm和φ21mm～φ21.5mm，光学厚度范围为4.5mm～5.5mm。

第七透镜8的光学材料为硅，前后两表面的半径范围依次为38.5mm～39.5mm和47.5mm～48.5mm，通光口径范围依次为φ21.5mm～φ22mm和φ21.5mm～φ22mm，光学厚度范围为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9mm～9.1mm；第一透镜2和第二透镜3之间的距离变化范围为0.4mm～0.5mm；第二透镜3和第三透镜4之间的距离变化范围为25.6mm～25.7mm；第三透镜4和第四透镜5之间的距离变化范围为6.7mm～6.8mm；第四透镜5和第五透镜6之间的距离变化范围为11.7mm～11.8mm；第五透镜6和第六透镜7之间的距离变化范围为2.5mm～2.6mm；第六透镜7和第七透镜8之间的距离变化范围为1.6mm～1.7mm。

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115.3mm和47.5mm，通光口径依次为φ32mm和φ31mm，光学厚度为4.5mm；

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64.5mm和31.1mm，通光口径依次为φ30mm和φ28mm，光学厚度范围为5.5mm；

第三透镜4的光学材料为硅，前后两表面的半径依次为10.5mm和7.5mm，通光口径依次为φ16.5mm和φ8.5mm，光学厚度为7.5mm；

第四透镜5的光学材料为锗，前后两表面的半径依次为9.5mm和14.1mm，通光口径依次为φ11.2mm和φ16.5mm，光学厚度范围为7.5mm；

第五透镜6的光学材料为硅，前后两表面的半径依次为42.5mm和230.5mm，通光口径依次为φ26.5mm和φ24.0mm，光学厚度为5.5mm；

第六透镜7的光学材料为硒化锌，前后两表面的半径依次为76.5mm和145.4mm，通光口径依次为φ22.5mm和φ21.5mm，光学厚度为5mm；

第七透镜8的光学材料为硅，前后两表面的半径依次为39.5mm和47.5mm，通光口径依次为φ22mm和φ21.5mm，光学厚度为5.5mm；

光学头罩1和第一透镜2之间的距离为9.1mm；

第一透镜2和第二透镜3之间的距离为0.5mm；

第二透镜3和第三透镜4之间的距离为25.6mm；

第三透镜4和第四透镜5之间的距离为6.7mm；

第四透镜5和第五透镜6之间的距离为11.7mm；

第五透镜6和第六透镜7之间的距离为2.6mm；

第六透镜7和第七透镜8之间的距离为1.6mm。

图2～图4为光学镜头在+20℃、-40℃和+80℃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-40℃～+80℃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。