一种基于全球面透镜的宽光谱无热化光学系统的制作方法

本发明属于光学成像，具体而言，涉及一种基于全球面透镜的宽光谱无热化光学系统。

背景技术：

1、随着探测器技术的高速发展，宽光谱成像探测系统在科学技术、国民经济、国防军事等领域发挥着日益重要的作用。本发明基于具有0.4μm～2.3μm宽光谱成像探测能力的ingaas(vis-swir)探测器，设计了一款工作波段为0.4μm～2.3μm的宽光谱无热化高分辨率光学系统，该系统在-50℃～+70℃工作温度范围内成像质量优良，集光能力强，环境适应性好，具有结构简单、易于装调、可靠性高、成本低、加工工艺性好、良品率高等技术特点，可广泛应用于航天光学遥感、地基目标跟踪探测、光学成像制导、天文观测、工业多光谱成像分析与无损检测、民用安全监视等领域，具有广阔的应用前景和巨大的经济效益。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了实现宽光谱成像探测系统的宽波段、高分辨率、低成本、无热化设计，本发明提供一种基于全球面透镜的宽光谱无热化光学系统。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

3、一种基于全球面透镜的宽光谱无热化光学系统，其特征在于：在光的传播方向上由外向内依次设置保护窗口、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜和探测器光敏面(像面)。所述保护窗口、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜与探测器光敏面(像面)同轴设置。光学系统用于接收经目标和背景固有的可见光反射及短波红外辐射信息，并汇聚至探测器光敏面上，实现光电转换，具有较高的灵敏度和较小的空间分辨率，在全天候复杂气象条件下，可以实现对目标的探测、识别与精确定位，可应用于光学成像探测领域，亦可用于天文观测、工业多光谱成像分析与无损检测等民品领域。

4、进一步的，所述光学系统保护窗口为平面透镜、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜均为球面镜片。

5、进一步的，所述光学系统保护窗口内外表面均为平面，厚度为5mm；第一透镜外表面的曲率半径为61.28mm，内表面的曲率半径为245.05mm，厚度为7.9mm；第二透镜外表面的曲率半径为175.41mm，内表面的曲率半径为56.69mm，厚度为4.95mm；第三透镜外表面的曲率半径为826.04mm，内表面的曲率半径为21.88mm，厚度为3.5mm；第四透镜外表面的曲率半径为21.88mm，内表面的曲率半径为-201.27mm，厚度为4.2mm；第五透镜外表面的曲率半径为26.87mm，内表面的曲率半径为157.92mm，厚度为8mm；第六透镜外表面的曲率半径为-1755.55mm，内表面的曲率半径为-128.48mm，厚度为6mm；第七透镜外表面的曲率半径为-128.48mm，内表面的曲率半径为44.64mm，厚度为5mm；第八透镜外表面的曲率半径为36.48mm，内表面的曲率半径为-68.24mm，厚度为6mm；第九透镜外表面的曲率半径为-27.19mm，内表面的曲率半径为42.91mm，厚度为3.9mm。

6、进一步的，所述光学系统保护窗口与第一透镜的空气间隔为5mm；第一透镜与第二透镜之间的空气间隔是2.75mm；所述第二透镜与第三透镜之间的空气间隔是30mm；所述第三透镜与第四透镜之间利用光学胶水粘合；所述第四透镜与第五透镜之间的空气间隔是0.2mm；所述第五透镜与第六透镜之间的空气间隔是1.25mm；所述第六透镜与第七透镜之间利用光学胶水粘合；所述第七透镜与所述第八透镜的空气间隔是26.5mm；所述第八透镜与所述第九透镜的空气间隔5.3mm；所述第九透镜与所述探测器光敏面(像面)的距离7.1mm。

7、进一步的，所述光学系统保护窗口采用h-k9l材料制成；第一透镜采用h-zf73材料制成；所述第二透镜采用h-zbaf52材料制成；所述第三透镜采用h-zf73材料制成；所述第四透镜采用h-laf3b材料制成；所述第五透镜采用h-fk61材料制成；所述第六透镜采用h-laf52材料制成；所述第七透镜采用h-qk3l材料制成；所述第八透镜采用h-zf73材料制成；所述第九透镜采用h-zbaf50材料制成。

8、进一步的，所述光学系统保护窗口口径为质量为25g，第一透镜的口径为质量为31.5g，第二透镜的口径为质量为23.2g，第三透镜的口径为质量为5.3g，第四透镜的口径为质量为3.7g，第五透镜的口径为质量为7g，第六透镜的口径为质量为4.7g，第七透镜的口径为质量为2.4g，第八透镜的口径为质量为4.9g，第九透镜的口径为质量为2.7g。光学总重量(不含保护窗口)＜86g。

9、进一步的，所述光学系统的工作波段为0.4μm～2.3μm，焦距为70mm，f数为2.8，视场大小为7.8°×6.2°，探测器选用分辨率640×512，像素大小15μm的ingaas(vis-swir)扩展探测器，在100lp/mm处，0视场的调制传递函数值≥0.52，其余视场传递函数值≥0.47，系统畸变≤0.5％。

10、进一步的，所述光学系统设计时采用一次成像结构形式，选用国产成都光明可见光玻璃作为透镜材料，机械件选取全铝合金材料，通过合理匹配透镜光焦度，充分考虑材料特性，运用高级像差理论，有效平衡光学像差和热差之间的矛盾，使用全球面透镜实现了光学系统宽温无热化设计，在－50℃～+70℃工作温度范围内，光学系统的畸变设计最大值为-0.49％；-50℃时，在100lp/mm处，0视场的传递函数值≥0.51，其余视场的传递函数值≥0.45；20℃时，在100lp/mm处，0视场的传递函数值≥0.52，其余视场的传递函数值≥0.47；+70℃时，在100lp/mm处，0视场的传递函数值≥0.52，其余视场的传递函数值≥0.46。

11、进一步的，所述光学系统的像面相对照度均匀性数值＞96.8％，衍射圈入能量在半径5μm范围内数值＞85％，在半径7.5μm范围内数值＞92％，在半径10μm范围内数值＞94％。

12、本发明相对于现有技术的有益效果是：

13、1、本发明所记载的光学系统的工作波段为0.4μm～2.3μm，焦距为70mm，f数2.8，全视场畸变≤0.5％，视场7.8°×6.2°，探测器选用分辨率640×512，像素大小15μm的ingaas(vis-swir)扩展探测器，为小f数宽光谱成像光学系统，具有工作波段宽、分辨率高、相对孔径大，集光能力强的特点。

14、2、本发明所记载的光学系统的采用一次成像光学结构，总重量(不含保护窗口)＜86g，具有结构紧凑、尺寸小、重量轻的特点。

15、3、本发明所记载的光学系统的传递函数0视场≥0.52(100lp/mm)，其余视场≥0.47(100lp/mm)，成像质量优良，单像素张角＜0.215mrad，分辨率高、探测距离远、性能特点突出。

16、4、光学系统选用国产成都光明可见光玻璃作为透镜材料，机械件选取全铝合金材料，通过合理匹配透镜光焦度，充分考虑材料特性，运用高级像差理论，有效平衡光学像差和热差之间的矛盾，使用全球面透镜实现了光学系统宽温无热化设计，在-50℃～+70℃工作温度范围内成像质量优良，环境适应性强，加工工艺性好，易于装调，良品率高，成本低，适用于大批量生产。