一种光学被动消热差长波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，具体涉及一种光学被动消热差长波红外光学系统。

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，消热差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、光学被动式消热差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，从而获得无热化效果。这种方式具有机构相对简单、不需供电、系统可靠性好的优点，其综合效率最高，因此适合大范围推广。

4、中国专利cn114967061a、cn115356826a、cn216901111u、cn209343027u、cn114967061a等公开了多种焦距段、多种相对孔径、适配多种规格探测器的非制冷长波红外无热化光学系统，但均不能适配1024×768高分辨率非制冷型探测器。

5、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，该光学系统总长约115mm，口径约75mm，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，与同等焦距的系统相比，系统长度较长，不利于实现小型化。此外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砂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。

6、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：8μm～12μm，光学总长ttl≤88mm，光学后截距≥10mm，该镜头适用于1280×1024，12μm非制冷长波红外探测器，系统长度/焦距＝1.6，系统长度较长，不利于实现小型化。

7、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砂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。

技术实现思路

1、为解决目前消热差长波红外镜头存在的问题，本发明提供一种光学被动消热差长波红外光学系统。

2、为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

3、一种光学被动消热差长波红外光学系统，所述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、第二弯月形正透镜均弯向像面的方向设置。

4、进一步地，所述的第一弯月形负透镜所采用的材料为单晶锗ge，第一弯月形正透镜所采用的材料为硫系玻璃irg204，第二弯月形负透镜采用的材料为znse，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，所述第一弯月形负透镜的入射面上镀有类金刚石膜，其余的透镜表面均镀有高效增透膜。

6、进一步地，系统后工作距bfl即第二弯月形正透镜后表面至成像面之间的距离满足以下条件：12.5mm≤bfl≤17.5mm。

7、进一步地，所述第一弯月形正透镜与第二弯月形负透镜之间于光轴上的距离为t23，所述第二弯月形负透镜与所述第二弯月形正透镜之间于光轴上的距离为t34，所述第二弯月形负透镜于光轴上的厚度为ct3，满足以下条件：7.5≤(t23+t34)/ct3≤8.5。

8、进一步地，所述光学被动消热差长波红外光学系统采用准像方远心光路设计。

9、进一步地，所述的第一弯月形负透镜满足以下条件：-19.0≤f1/f≤-18.0，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；

10、所述的第一弯月形正透镜满足以下条件：0.8≤f2/f≤0.9，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；

11、所述的第二弯月形负透镜满足以下条件：-0.5≤f3/f≤-0.4，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；

12、所述的第二弯月形正透镜满足以下条件：0.4≤f4/f≤0.5，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。

13、进一步地，所述的光学被动消热差长波红外光学系统，第一弯月形负透镜朝向像面的表面、第一弯月形正透镜背向像面的表面、第二弯月形正透镜背向像面的表面均为非球面。

14、进一步地，所述的第二弯月形负透镜入射面的表面采用衍射非球面。

15、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：8.8°×6.6°；焦距：80mm；像面直径：φ15.4mm，光学系统总长：98.0mm；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。

16、有益效果：

17、本发明通过采用具有不同折射率温度系数的光学材料组合实现光学被动消热差的方式，使得光学系统在宽温范围内不会因为工作温度变化而造成成像质量下降，同时不需要其他活动机构，从而使得系统结构设计简单、可靠性高。

18、本发明中光学系统第一透镜的材料为单晶锗(ge)材料，在锗材料表面镀类金刚石硬质保护膜的牢固度好、工艺成熟。因此，不需要在镜头前增加保护窗口镜，可有效解决硫系玻璃在外露环境下，因硫系玻璃表面镀类金刚石膜层的牢固度差，环境中的盐雾、霉菌会造成硫系玻璃透镜表面腐蚀及砂尘对透镜外露面所造成的破坏的技术问题。

19、本发明采用准像方远心光路设计，以保证系统出射光束的主光线接近平行于光轴，以使各个视场角的光线都能接近垂直入射到成像探测器焦平面上，从而使全视场内的图像亮度更为均衡，大大增加了系统的量子效率，提高了整个系统的灵敏度，同时也提高了像面照度的均匀性，从而避免出现图像中心亮边缘暗的现象。

20、本发明能够适配高分辨率的非制冷红外探测器，且光学系统长焦比小、利于实现小型化。