CN104035188A - 低成本折反式消热差中波红外镜头 - Google Patents
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Abstract
本发明提出的一种低成本折反式消热差中波红外镜头，旨在提供一种非球面镜数少，成本低，能够在3.7μm～4.8μm中波红外波段采用少量非球面和常规硅、锗光学材料，具有光学被动消热差性能的低成本折反式光学镜头。本发明通过以下述技术方案予以实现：平行光入射通过球罩(2)进入球面主反射球面镜(3)形成汇聚光束，通过曼金折反镜(4)减小汇聚角，减小部分像差并增加部分待后置透镜平衡的像差和负热差，形成一次像面(5)变为发散光，进入非球面锗材料的负透镜(6)和硅材料的弯月正透镜(7)以减小色差和像差，然后通过硅材料的凸面正透镜(8)汇聚，进入探测器窗口(9)，并通过冷光阑(10)，最后成像在探测器焦面(11)，完成成像的全过程。
Description
技术领域
本发明涉及一种低成本折反式消热差中波红外镜头，尤其是在3.7μm～4.8μm中波红外波段采用球面反射镜和常规光学材料，具有光学被动消热差性能的低成本折反式光学镜头。
背景技术
现有折反式中波红外波段光学系统，主次镜系统普遍采用纯反射式卡塞格林RC结构，在主镜和次镜上加工非球面以扩大视场；为了消热差，还使用了三种以上透镜材料，包括较为昂贵的硫化锌和硒化锌等材料，系统造价高昂，且装调精度要求较高。
中文期刊《红外技术》第26卷第2期，发表于2004年3月，名称为《红外R-C光学系统设计》，公开了一种折反式中波红外镜头，其主次镜都采用了纯反射面，且都为非球面，非球面只有一个对称轴，相对球面镜的球轴对称，其加工、检测和装配较为困难。以上限制，造成光学的系统加工、检测较为困难，装配精度要求高，成本难以控制。
中国专利号201110452019.6，CN10254036A公布的《光学补偿无热化长波红外光学系统》，该系统用于长波红外波段，包括折射面的光焦度为负值，反射面为凹面且为曼金镜的主镜、平面镜的次镜和中继镜；物方目标经过主镜的折射面透射到到主镜的反射面上，并再次通过主镜的折射面，而后经次镜折转反射后，依次经过中继镜和探测器窗口照射到制冷式红外探测器像面上。该发明在口径最大的主镜上采用了锗材料的曼金折反镜，且在主镜的反射面上采用了非球面，其加工检测和装配都较为困难，同时还需要大口径的锗材料作为主镜材料。该专利全系统共用了三个非球面，对加工、检测要求较高，且非球面只有一个对称轴，相对球面镜的球面轴对称，其加工、检测和装配较为困难；以上限制，造成光学的系统加工、检测较为困难，造成全系统成本较高。
中国专利号201110452699.1，公开号CN102520506A，公开了《紧凑型折反射式长波红外无热化成像光学系统》，该系统用于长波红外波段，包括次镜、主反射镜、中继镜；次镜为负光焦度的折反射式光学元件，但次镜由环形透光部分和中心的曼金折反镜构成：来自物方的光束先透过次镜的环形透光部分入射到主反射镜，经主反射镜反射后入射到次镜的曼金折反镜，由曼金折反镜折反聚焦将目标成像在第一像面上；再由中继镜将第一像面上的目标转象并重新聚焦到第二像面上；第二像面与成像接收器的焦平面重合。该设计采用了环形透光的校正镜和曼金折反镜一体设计，同时起到光路前校正和曼金折反镜的作用，曼金折反镜的反射面也采用了非球面，主镜也为非球面，全系统采用了多个非球面镜。这种曼金形式的折反镜在环形透光部分采用一种面形，在曼金折反镜部分采用另一种非球面面形，对加工精度要求较高，且材料口径较大。同时，该设计也采用了多个非球面，非球面只有一个对称轴，相对球面镜的球轴对称，其加工、检测和装配较为困难。以上限制，造成光学的系统加工、检测较为困难，造成全系统成本较高。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术主镜或者次镜，或者主次镜上都为非球面，非球面只有一个对称轴，相对球面镜的球轴对称，其加工、检测和装配较为困难，难以控制成本，以及全系统采用多个非球面和昂贵的大口径材料的不足之处，提供一种非球面镜数少，成本低，能够在3.7μm～4.8μm中波红外波段单色像差、色差和热差可以相互抵消的低成本折反式光学镜头。
为了实现上述发明目的，本发明提供的一种低成本折反式消热差中波红外镜头，包括：位于球罩2弯月面后方的曼金折反镜4和将无穷远物面1平行入射光反射到曼金折反镜4的球面主反射镜3，其特征在于：从无穷远物面1的平行入射光，通过球罩2入射到K9玻璃材料或铝合金材料的球面主反射镜3形成汇聚光束，该汇聚光束经锗或者硅材料的曼金折反镜4减小汇聚角，校正部分单色像差，增加了部分预制热差、色差和单色像差后汇聚于一次像面5变为发散光，进入非球面锗材料的负透镜6继续发散，将平衡系统的色差、单色像差和热差的光束投射到硅材料的弯月正透镜7，减小光束的发散角，通过硅材料的凸面正透镜8形成汇聚光进入探测器窗口9，并通过冷光阑10将目标成像在探测器焦面11上，完成成像的全过程。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果。
非球面镜数少。本发明在次镜上采用纯球面的曼金折反镜，且主次镜都采用球面镜和常规光学材料，采用尽可能少的非球面镜和常规光学材料，仅在负透镜6靠近物面1一侧采用了一个非球面，其余透镜和反射镜、曼金折反镜均为球面面形，便于采用传统光学冷加工工艺大量生产，且球轴对称性能相对只有一个对称轴的非球面能够保证较好的光学检测和装配等工艺性能，加工成本和检测装配成本可得到有效控制。
材料普通。由于所有的镜筒材料、镜架材料均为常规金属材料，所有的透镜材料以及曼金折反镜材料均为硅或锗常规红外材料，且口径最大的球面主反射镜3为K9玻璃材料，或者铝合金材料的铝合金反射镜；曼金折反镜4作为次镜，透射部分采用了普遍使用的锗或硅红外透射材料，口径较小，材料成本得到较好控制。
本发明采用变形的卡式RC系统，从无穷远物面1的平行光入射通过球罩2进入K9玻璃材料或者铝合金材料的球面主反射镜3形成汇聚光束，通过锗或者硅材料的曼金折反镜4减小汇聚角，减小部分像差并增加部分待后置透镜平衡的像差和负热差，形成一次像面5变为发散光，进入非球面锗材料的负透镜6和硅材料的弯月正透镜7以及硅材料的正透镜8，可有效平衡主镜和曼金折反镜预制的色差、单色像差和热差。
本发明的球面主反射镜3采用了常用的K9光学材料作为反射面，其线胀系数为7í10-6/K，此时与之配合的镜架材料是线胀系数为8.8í10-6/K的钛合金或者线胀系数为9.9í10- 6/K的不锈钢，或者线胀系数为12í10-6/K的普通钢，因温度变化产生的焦面变化形成的热离焦较小，可通过曼金折反镜4补偿并预制综合全系统的热差；球面主反射镜3采用铝合金材料作为反射面时，铝合金材料的线膨胀系数为23.6í10-6/K，此时与之配合的是同样线膨胀系数的铝合金镜架材料，温度变化产生的焦面变化形成的热离焦较小，主次镜残余热差可通过曼金折反镜4补偿并预制综合全系统的热差。球面主反射镜3产生的球差、彗差、象散和场曲等单色像差较大，主要通过后置的曼金折反镜补偿并预制综合全系统的像差。
本发明的曼金折反镜4采用纯球面面形，通过改变曼金折反镜4两个表面中的曲率和厚度，可校正并预制球面主反射镜3和曼金折反镜4反射面的球差、彗差和像散，并适当预制匹兹万场曲等单色像差。锗或硅材料的曼金折反镜4为负光焦度，产生正色差，作为与一次像面5后透镜镜组即负透镜6～凸面正透镜8镜组平衡的预制色差；负光焦度的锗或硅材料的曼金折反镜4产生负热差，平衡主镜及镜架材料产生的热离焦，并作为与一次像面5后面透镜镜组即负透镜6～凸面正透镜8镜组平衡的预制热差；球面反射镜3和曼金折反镜4校正和增加(预制)的色差、单色像差和热差可与后面负透镜6～凸面正透镜8透镜组以产生的色差、单色像差和热差以及镜筒材料产生的热离焦相互平衡，以校正轴外像差和系统热差。
附图说明
图1是本发明一种低成本折反式消热差中波红外镜头的构造示意图。
图中：1物面，2球罩，3主反射球面镜，4曼金折反镜，5一次像面，6负透镜，7弯月正镜，8凸面正透镜，9探测器窗口，10冷光阑，11探测器焦面。
具体实施方式
为了进一步清楚阐述本发明，下面将提供具体实施方式并与附图相结合，对本技术方案进行说明，但是不应当将其理解为对本发明的限定。
图1所描述的一种低成本折反式消热差中波红外镜头，主要包括：从无穷远物面1到探测器焦面11的光学组件。其中，无穷远的入射平行光经过球罩2在球面的主反射镜3形成汇聚光。主反射球面镜3为球面面形，材料为铝合金，球面主反射镜3和曼金折反镜4之间的镜架为铝合金材料。球面主反射镜3的焦距在4μm检测波长时约为86.07mm。
球面主反射镜3形成的汇聚光进入锗材料的光焦度为负的曼金折反镜4，减小汇聚角和校正部分像差并增加了部分预制综合全系统的热差、色差和单色像差后汇聚于一次像面5变为发散光。曼金折反镜4为纯球面面形，焦距在4μm检测波长时约为-133.18mm。
从一次像面5出射的发散光，进入非球面锗材料的负透镜6继续发散。为降低轴外视场的单色像差，负透镜6靠近曼金折反镜4一侧的镜面为非球面。负透镜6平衡系统的部分色差、单色像差和热差。负透镜6～探测器窗口9之间的镜筒材料为铝合金材料。负透镜6的焦距在4μm检测波长时约为-32.73mm。
从负透镜6出射的平衡系统部分色差、单色像差和热差的光束投射到硅材料的弯月正透镜7，减小光束的发散角，并继续降低色差、校正单色像差和热差。弯月正透镜7的焦距在4μm检测波长时约为-16.4mm。
通过弯月正透镜7并减小发散角的光束入射到硅材料的凸面正透镜8形成汇聚光，校正残余色差、单色像差和热差。凸面正透镜8的焦距在4μm检测波长时约为29.37mm。
从凸面正透镜8出射的校正了全系统色差、单色像差和热差的光束进入探测器窗口9，并通过冷光阑10将目标成像在探测器焦面11上，完成成像的全过程。
本实施例采用了焦面为9.6mm×7.68mm，像元尺寸30μm×30μm即像元数为320×256的F#2制冷型中波红外探测器，其中F#为焦距f与入瞳口径D之比，即F#＝f/D。本设计焦距168mm，冷屏效率100％，从球罩到焦面的总长约146mm，最大口径约88mm，曼金折反镜口径小于28mm，系统冷反射等效温差控制在0.6℃以内，-45℃～60℃的温度范围在空间频率为17lp/mm时各视场的MTF均大于0.5。
Claims (6)
1.一种低成本折反式消热差中波红外镜头，包括：位于球罩(2)弯月面后方的曼金折反镜(4)和将无穷远物面(1)平行入射光反射到曼金折反镜(4)的球面主反射镜(3)，其特征在于：从无穷远物面(1)的平行光入射通过球罩(2)进入光学玻璃材料或者铝合金材料的球面主反射球面镜(3)形成汇聚光束，通过锗或者硅材料的曼金折反镜(4)减小汇聚角，减小部分像差并增加部分待后置透镜平衡的像差和负热差，形成一次像面(5)变为发散光，进入非球面锗材料的负透镜(6)和硅材料的弯月正透镜(7)以减小色差和像差，然后通过硅材料的凸面正透镜(8)汇聚，进入探测器窗口(9)，并通过冷光阑(10)，最后成像在探测器焦面(11)，完成成像的全过程。
2.如权利要求1所述一种低成本折反式消热差中波红外镜头，其特征在于：主反射球面镜(3)为球面面形，其材料为K9光学玻璃，且主反射球面镜(3)和曼金折反镜(4)之间的镜架为钛合金材料，或者为不锈钢材料，或者为普通钢材料。
3.如权利要求1所述一种低成本折反式消热差中波红外镜头，其特征在于：主反射球面镜(3)球面面形材料为铝合金材料，且主反射球面镜(3)和曼金折反镜之间的镜架为铝合金材料。
4.如权利要求1所述一种低成本折反式消热差中波红外镜头，其特征在于：锗或者硅材料的曼金折反镜(4)的反射面和折射面均为纯球面面形。
5.如权利要求1所述一种低成本折反式消热差中波红外镜头，其特征在于：锗材料的负透镜(6)靠近曼金折反镜(4)一侧的镜面形为非球面。
6.如权利要求1所述一种低成本折反式消热差中波红外镜头，其特征在于：负透镜(6)～探测器窗口(9)之间的镜筒材料为普通铝合金材料，或者为钛合金材料，或者为不锈钢材料，或者为普通钢材料。
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