一种大相对孔径消热差制冷型中波红外光学系统及其应用的制作方法

本发明属于中波红外成像光学系统，具体涉及一种大相对孔径消热差制冷型中波红外光学系统，以及其用于中波制冷型探测器。

背景技术：

1、随着空间和军事技术的发展，红外光学系统的使用越来越广泛，恶劣的工作环境对光学系统的性能的要求越来越高。相比于非制冷型红外光学系统，制冷型红外光学系统有着更高的灵敏度。光学系统相对孔径越大，光学系统获取的能力越多，能量分辨率越高，进入到光学系统的能量越大，因此需要提高系统的通光孔径。

2、红外玻璃材料对温度的变化有着较大的敏感性，即光学玻璃材料在较大温差下发生改变，进而导致焦距发生变化，光学性能发生明显下降。因此，需要对红外光学系统进行消热差设计，即通过一定补偿方法或者设计方法，使得光学系统焦距不会随着较大温差变化或者变化很小。

3、大相对孔径制冷型中波红外光学系统消除热差比较难。光学被动式消热差补偿是根据玻璃材料热系数之间的差异，采用不同热系数的材料以减小较大温差对光学性能（焦距、像面位置等）的影响，该方法无需采用其他机械结构补偿，简化了系统结构。

4、因此，相比于其他消热差技术，光学被动式消热差技术的应用在大相对孔径制冷型中波红外光学系统越来越广泛。

技术实现思路

1、针对现有技术中的上述不足，本发明的目的之一提供一种大相对孔径消热差制冷型中波红外光学系统，具有大相对孔径、消热差和紧凑性等特点，通过光学被动式消热差补偿技术，保持光学系统在较大的温差范围内具有良好的光学性能。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种大相对孔径消热差制冷型中波红外光学系统，从物方到像方依次包括透镜一、透镜二、透镜三和透镜四共四片透镜，物方成像光束依次通过透镜一、透镜一、透镜一和透镜四后成像在探测器上；所述的透镜一是一片双凸硅球面负透镜，透镜二是一片凹面向像方的弯月形锗正透镜，透镜三是一片双凹硅球面负透镜，透镜四是一片双凹硅球面负透镜。

3、所述的一种大相对孔径消热差制冷型中波红外光学系统，其透镜一焦距46mm＜ f1＜49mm，透镜二焦距-12mm＜ f2＜-9mm，透镜三焦距19mm＜ f3＜22mm，透镜四焦距28mm＜ f4＜30mm。

4、所述的一种大相对孔径消热差制冷型中波红外光学系统，其透镜一和透镜二距离为13.98mm，透镜二和透镜三距离为3.7mm，透镜三和透镜四距离为13.07，透镜四与像面之间距离为25.4365 mm。

5、所述的一种大相对孔径消热差制冷型中波红外光学系统，其透镜一材料为硅，厚度为5mm，透镜二材料为锗，厚度为3mm，透镜三材料为硅，厚度为4.5mm，透镜四材料为硅，厚度为3.2mm。

6、所述的一种大相对孔径消热差制冷型中波红外光学系统，其焦距为29mm，f数为2，总长为71.8898mm。

7、本发明的目的之二提供一种大相对孔径消热差制冷型中波红外光学系统用于像元大小15×15μm，像元数640×512的中波制冷型探测器。

8、本发明产生的有益效果是：本发明光学系统基于不同材料热系数不同对成像效果不同影响的原理，采用光学被动式补偿方法，仅使用四片镜头，其中只有一面采用非球面，不仅对热差和色差进行良好的校正，提高了环境适应性，而且极大的简化系统，提高系统透过率，减小了系统长度，使得光机结构简单化和轻量化，极大降低了系统的加工和装调，达到了减轻系统体积和重量的目的。同时，大相孔径光学系统获取的能量多，成像质量更优。

技术特征：

1.一种大相对孔径消热差制冷型中波红外光学系统，其特征在于：从物方到像方依次包括透镜一（1）、透镜二（2）、透镜三（3）和透镜四（4），物方成像光束依次通过透镜一（1）、透镜一（2）、透镜一（3）和透镜四（4）后成像在探测器上；所述的透镜一（1）是双凸硅球面负透镜，透镜二（2）是凹面向像方的弯月形锗正透镜，透镜三（3）是双凹硅球面负透镜，透镜四（4）是双凹硅球面负透镜。

2.根据权利要求1所述的一种大相对孔径消热差制冷型中波红外光学系统，其特征在于，所述的透镜一（1）焦距46mm＜f1＜49mm，透镜二（2）焦距-12mm＜f2＜-9mm，透镜三（3）焦距19mm＜f3＜22mm，透镜四（4）焦距28mm＜f4＜30mm。

3.根据权利要求1或2所述的一种大相对孔径消热差制冷型中波红外光学系统，其特征在于，所述的透镜一（1）和透镜二（2）距离为13.98mm，透镜二（2）和透镜三（3）距离为3.7mm，透镜三（3）和透镜四（4）距离为13.07，透镜四（4）与像面之间距离为25.4365 mm。

4.根据权利要求3所述的一种大相对孔径消热差制冷型中波红外光学系统，其特征在于，所述的透镜一（1）材料为硅，厚度为5mm，透镜二（2）材料为锗，厚度为3mm，透镜三（3）材料为硅，厚度为4.5mm，透镜四（4）材料为硅，厚度为3.2mm。

5.根据权利要求4所述的一种大相对孔径消热差制冷型中波红外光学系统，其特征在于，所述的光学系统焦距为29mm，f数为2，总长为71.8898mm。

6.一种如权利要求1所述一种大相对孔径消热差制冷型中波红外光学系统用于像元大小15×15μm，像元数640×512的中波制冷型探测器。

技术总结
本发明公开了一种大相对孔径消热差制冷型中波红外光学系统，从物方到像方依次包括透镜一、透镜二、透镜三和透镜四共四片透镜，物方成像光束依次通过透镜一、透镜一、透镜一和透镜四后成像在探测器上；所述的透镜一是一片双凸硅球面负透镜，透镜二是一片凹面向像方的弯月形锗正透镜，透镜三是一片双凹硅球面负透镜，透镜四是一片双凹硅球面负透镜；本发明四片透镜玻璃材料锗和硅均是红外光学系统常用的材料，温度变化时，通过球面和非球面透镜、不同材料锗和硅的组合，实现了光学系统在温度‑50℃～+70℃范围内利用光学被动式技术消除热差，达到了全温范围内清晰成像的目的。

技术研发人员：缪麟,操超,邵健,李伦平,张智杰
受保护的技术使用者：武汉华中天经通视科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16