[发明专利]光机结合被动消热差的长焦距长波红外物镜

说明书

技术领域

本发明涉及一种被动消热差的长波红外物镜，特别涉及一种用于远距离探测、识别目标的光机结合被动消热差的长焦距长波红外物镜，属于光学技术领域。

背景技术

红外光学成像系统要求在大的温度变化范围内正常工作。温度变化引起光学元件的折射率、曲率、厚度发生变化；也引起机械元件膨胀或收缩，导致光学元件间隔发生变化。上述现象引起光学像面与探测器像面分离，导致像质下降，称为系统热差。尤其在长焦距红外物镜中，热差对像质的影响特别严重。系统热差可以通过主动调节光学元件或探测器像面补偿，但在很多航空、航天仪器中，成像系统不允许有活动元件，所以必须采取被动式消热差。

被动式消热差主要有机械被动式、光学被动式和光机结合被动式三种。机械被动式消热差，一般需要采用多层镜筒结构，优点是光学设计简单，缺点是系统体积重量大、可靠性低；光学被动式消热差优点是可靠性高，缺点是光学元件数量增多，导致重量大、成本高、透过率低；光机结合被动式消热差是由光学设计消除大部分的系统热差，再由简单的机械结构补偿剩余的热差，它可以兼有光学被动式和机械被动式的优点，缺点是系统设计难度大，往往导致镜片数量较多、重量较大和透过率较低。

《红外与激光工程》期刊第40卷第1期报道了“折/衍混合红外物镜超宽温度消热差设计”，物镜由单晶锗的负透镜、硒化锌的正透镜、铟钢的镜筒、单晶锗的正透镜和探测器像面组成，消热差方法为光机结合被动式。其中，单晶锗的负透镜的凸面为旋转对称非球面，凹面为球面；硒化锌的正透镜的凸面为球面旋转对称衍射面，凹面为球面；单晶锗的正透镜的凸面为旋转对称非球面，凹面为球面。物镜焦距为100mm，相对孔径为1/1.5，光学长度128mm。该物镜缺点是使用了三片透镜，其中前两片透镜都在物镜最前端，系统重量大，重心靠前，并且三片透镜使系统的透过率较低。

目前报道的一种使用两片光学元件实现长波红外被动消热差设计的是《光学技术》期刊第33卷第8期的一篇文章，题为“折／衍混合车载红外镜头无热化设计”，消热差方法为光学被动式，其焦距为19mm。但是由于该镜头的铝镜筒为高膨胀率材料，该方法用于焦距大于40mm物镜时，镜筒膨胀带来的机械热差不能被光学热差充分补偿，其消热差能力将显著降低，所以该方法不适用于长焦距长波红外物镜的消热差设计。

目前尚未见到仅使用两片光学元件的被动消热差长焦距长波红外物镜。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种光机结合被动消热差的长焦距长波红外物镜，该物镜仅使用两片透镜，重量小、透过率高。

为了解决上述技术问题，本发明的光机结合被动消热差的长焦距长波红外物镜包括正透镜，镜筒，负透镜和探测器像面；所述正透镜和负透镜安装固定在镜筒内，正透镜在前，负透镜在后，构成远距式物镜；正透镜是正弯月透镜，凸面朝向物方向，材料是硫系玻璃，牌号为IG6；负透镜为负弯月透镜，凹面朝向探测器像面的方向，材料是长波红外光学材料；正透镜的凸面或凹面中至少有一个为旋转对称非球面，正透镜的凸面或凹面中至少有一个为旋转对称衍射面；负透镜的凸面或凹面中至少有一个为旋转对称非球面。

所述镜筒的材料是铟钢。

本发明中正透镜使用了硫系玻璃，牌号为IG6，该材料在10μm波段的折射率为2.7775，折射率温度系数为41×10^-6/K，热膨胀系数为20.7×10^-6/K，由以上参数计算得到IG6透镜的归一化光焦度系数为2.3661×10^-6/K，此参数远小于其他常用长波红外光学材料,例如,单晶锗透镜的归一化光焦度系数为126.1681×10^-6/K,硒化锌透镜的归一化光焦度系数为36.2855×10^-6/K。所以IG6正透镜产生的热差能够用衍射面的热差和后组负透镜的热差来补偿。并且该材料单件生产可以采用单点金刚石车削加工，大批量生产可以采用模压成形，能够大幅度提高生产效率和降低成本；本发明仅使用两片透镜实现了长焦距长波红外物镜的消热差设计，减少了光学元件的数量，降低了物镜的重量，提高了透过率。

所述负透镜材料选用单晶锗。