一种耐沙尘盐雾腐蚀的宽温无热化红外光学系统的制作方法

本发明涉及非制冷红外光学系统领域，具体涉及一种耐沙尘盐雾腐蚀的宽温无热化红外光学系统。

背景技术：

1、随着红外夜视技术的快速发展，红外热成像受到越来越广泛的关注，其核心技术红外探测器的研制已取得长足进展。与制冷型探测器相比，非制冷探测器的探测效率普遍偏低，但随着非制冷红外探测器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。且非制冷红外探测器具有重量轻、体积小、功耗低、可靠性高、易携带等优势，近年来在工业、农业、国防、医疗、交通、环境保护等诸多领域具有非常广泛的应用前景。

2、然而，一般情况下光学材料的折射率随温度的变化而变化，这就使透镜或光学系统的焦距发生变化。红外光学材料的温度系数要比普通光学玻璃的数值大得多，例如，锗单晶dn/dt的典型值约为396×10-6℃-1，而k9玻璃的温度系数值则只有2.8×10-6℃-1。因此，在红外系统中温度对折射率的影响尤为明显。随着环境温度的变化，折射率、光学透镜的曲率和厚度、零件间隔等都会发生变化，使红外光学系统产生热离焦，导致系统成像质量变差。因此，无热化红外光学系统成为高精度红外光学系统的一个主流发展方向。

3、光学被动式无热化设计利用光学材料热特性之间的差异，通过不同特性材料之间的合理组合以消除温度的影响，从而获得无热效果。这种方式具有机构相对简单、尺寸小、质量轻、不需供电、系统可靠性好的优点，其综合效率最高，因此受到了极大的重视。

4、申请号为202210891221.7的中国专利申请公开了一种牢靠型红外光学无热化镜头，该光学镜头的有效焦距f＝35mm、光圈大小fno＝1.03、视场角fov＝16.3°、通光波段8μm～12μm、中心波长10μm、光学总长ttl＝55mm，其像高imgh为10mm(全高)，适配像元数为640×512，像元尺寸为12μm的非制冷红外探测器，其适配的探测器分辨率较低。

5、申请号为201710538894.3的中国专利申请公开了一种宽温度范围的光学无热化镜头，该光学镜头的有效焦距f＝47mm、光圈大小fno＝1.0、视场角fov＝±10.25°、通光波段8μm～14μm，适配像元数为800×600的非制冷红外探测器。该系统第一透镜a采用硫系材料ig6，镀有高效增透膜。由于第一透镜a难以镀类金刚石保护膜，因此当镜头处于外露环境下时，第一透镜a存在由于沙尘及盐雾腐蚀从而造成光学镜头成像质量下降甚至不能正常成像的情况。

6、申请号为202123256454.x的中国专利申请公开了一种大相对孔径大靶面长波红外无热化镜头，该光学镜头实现的技术指标为：有效焦距f＝25mm、f数＝1.0、工作波段8μm～12μm，适配像元数为1024×768、像元尺寸17μm的非制冷红外探测器。该镜头焦距较短，适用于近距离目标观察，对远处目标的细节观察能力有限。

7、申请号为201921543017.6的中国专利申请公开了一种用于1k探测器的消热差长波红外光学系统，该光学系统实现的技术指标为：焦距为75mm，应用于光圈f/#1的长波红外探测器上，其波段范围为8μm～12μm，像元尺寸为12μm×12μm，像元数为1280×1024。该系统的第一透镜的材料为硫系玻璃，硫系玻璃在外露环境下，由于环境中的盐雾、霉菌会造成透镜表面腐蚀及沙尘对透镜外露面的破坏，且硫系玻璃表面镀类金刚石膜层的牢固度差，因此需要在镜头前增加保护窗口镜。

8、申请号为202010004654.7的中国专利申请公开了大靶面高分辨率光学无热化镜头及其工作方法，该光学系统实现的技术指标为焦距：effl＝55mm，f数＝1.0，视场角：2w≥20°，成像圆直径大于ф19.6，工作光谱范围：8um～12um，光学总长ttl≤88mm，光学后截距≥10mm，该镜头适用于1280×1024，12um非制冷长波红外探测器，系统总长度/焦距＝1.6，与同等焦距的系统相比，该系统长度较长，不利于实现小型化。

9、申请号为202222653464.5的中国专利申请公开了一种应用于大靶面红外探测器的无热化镜头，该光学系统实现的技术指标为：f数为1.1，焦距为43.5mm，适用于1280×1024，像元大小12μm的长波非制冷探测器光学系统总为56mm。该系统第一透镜的材料为硫系玻璃，硫系玻璃在外露环境下，由于环境中的盐雾、霉菌会造成透镜表面腐蚀及沙尘对透镜外露面的破坏，且硫系玻璃表面镀类金刚石膜层的牢固度差，因此需要在镜头前增加保护玻璃或头罩。此外，硒化锌材料价格较贵，该系统的透镜由于使用了硒化锌材料而使得系统整体价格较高。

10、由此可见，现有技术中的无热化光学系统，还存在诸多不足之处，或不能满足适应新型高分辨率大面阵探测器的要求，或远距离观察能力有限、或长度较长，不满足小型化，还存在抗沙尘、盐雾腐蚀性能差的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本发明提供一种耐沙尘盐雾腐蚀的宽温无热化红外光学系统，在保证系统各方面性能良好的同时有效提高红外镜头的环境适应性。

2、为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

3、一种耐沙尘盐雾腐蚀的宽温无热化红外光学系统，由从物方至像方依次同轴设置的第一弯月形负透镜、第一弯月形正透镜、第二弯月形负透镜、第二弯月形正透镜组成，所述的第一弯月形负透镜、第一弯月形正透镜、第二弯月形负透镜均弯向像方设置且各透镜表面曲率半径为正，第二弯月形正透镜弯向物方设置且各表面曲率半径为负，所述第一弯月形负透镜的材料选用单晶锗ge并在入射面镀类金刚石膜。

4、进一步地，第一弯月形正透镜所采用的材料为硫系玻璃irg204，第二弯月形负透镜、第二弯月形正透镜所采用的材料为硫系玻璃irg206。

5、进一步地，除第一弯月形负透镜的入射面外，光学系统其它透镜的表面均镀有高效增透膜。

6、进一步地，系统后工作距bfl满足以下条件：11.5mm≤bfl≤13.5mm。

7、进一步地，所述的第一弯月形负透镜满足以下条件：-15≤f1/f≤-14，其中f为光学系统的焦距、f1为第一弯月形负透镜的有效焦距；

8、所述的第一弯月形正透镜满足以下条件：0.9≤f2/f≤1.1，其中f为光学系统的焦距、f2为第一弯月形正透镜的有效焦距；

9、所述的第二弯月形负透镜满足以下条件：-3.0≤f3/f≤-2.8，其中f为光学系统的焦距、f3为第二弯月形负透镜的有效焦距；

10、所述的第二弯月形正透镜满足以下条件：1.0≤f4/f≤1.2，其中f为光学系统的焦距、f4为第二弯月形正透镜的有效焦距。

11、进一步地，所述第一弯月形负透镜与第一弯月形正透镜之间于光轴上的距离为t12，所述第一弯月形正透镜与所述第二弯月形负透镜之间于光轴上的距离为t23，所述第一弯月形正透镜于光轴上的厚度为ct2，满足以下条件：3.0≤(t12+t23)/ct2≤3.5。

12、进一步地，第一弯月形负透镜朝向像方一侧表面、第一弯月形正透镜朝向像方一侧表面、第二弯月形负透镜朝向像方一侧表面均为非球面。

13、进一步地，所述的第二弯月形正透镜朝向物方一侧表面采用衍射非球面。

14、进一步地，所述的光学系统实现的技术参数为：工作波段：8μm～12μm；f#：1.0；视场：14.0°×10.5°，像面直径：φ15.4mm，光学总长ttl：69.6mm，其中，f#计算公式为f/d，f为光学系统的焦距，d为入射光瞳直径。

15、有益效果：

16、1、本发明中第一弯月形负透镜材料选用单晶锗(ge)材料，在前表面度镀类金刚石膜，增加第一透镜的抗摩擦性能，使得镜头外漏表面不受沙尘损坏，同时不受空气中盐雾、霉菌侵蚀，提高红外镜头的环境适应性。

17、2、本发明中第一弯月形正透镜采用牌号为irg204的硫系玻璃材料，第二弯月形负透镜、第二弯月形正透镜均采用牌号为irg206的硫系玻璃材料，由于硫系玻璃irg204的折射率温度系数为18×10-6/℃-1、硫系玻璃irg206的折射率温度系数为32×10-6/℃-1，因此，使得由于温度变化造成的光学系统离焦量更小，从而简化了无热化系统的结构，降低了整体的重量，可在降低成本的同时提高系统的可靠性。

18、3、此外，硫系玻璃irg204、irg206价格便宜，第一弯月形正透镜、第二弯月形负透镜、第二弯月形正透镜均采用硫系玻璃材料，可有效降低系统成本。

19、4、本发明的光学系统实现的技术参数为：工作波段：8μm～12μm；f#：1.0；视场：14.0°×10.5°，焦距50mm，像面直径：φ15.4mm，光学总长ttl：69.6mm，各方面性能优异，能够适应像元尺寸12μm、像元数1024×768非制冷红外探测器，且光学系统总长较短，利于实现系统的小型化，且系统在-40℃～+60℃这样一个范围内都均有较好的成像质量。