【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及非制冷紅外光學系統領域，具體涉及一種小型輕量化、低畸變無熱化紅外光學系統。
技術介紹
1、隨著技術的發展進步，非制冷紅外系統的像元尺寸不斷減小、靈敏度不斷提高，而其價格卻逐步降低。此外，因其不需要制冷機，系統能夠實現小型化，所以越來越廣泛應用于安防監控、車載等領域。然而，非制冷系統的溫度靈敏度較低、探測能力較差，為提高系統的溫度靈敏度和探測能力，要求紅外光學系統具有大相對孔徑，以此提高系統的聚光能力。同時，為適應不同地域的環境溫度要求，需要進行系統的無熱化設計。
2、紅外光學系統的無熱化實現方式主要有機械主動無熱化、機械被動無熱化、光學被動無熱化三種方式。機械主動無熱化是利用溫度傳感器測出環境溫度的變化量，計算出由此溫度變化所產生的像面位移量后利用電機驅動透鏡沿著光軸方向移動，從而實現溫度補償；機械被動無熱化是利用高膨脹系統的材料與低膨脹系統的材料相互配合，調節兩種材料的長度，通過不同膨脹系統材料的膨脹和收縮，使得紅外光學系統中的一組或整組透鏡沿著光軸方向移動，從而實現溫度補償；光學被動無熱化是利用不同光學材料所具有的熱特性差異，通過多種不同特性光學材料及結構材料配合，從而實現溫度補償。
3、機械主動無熱化光學系統需要電機驅動，不利于光學系統的小型化設計，可靠性不高；機械被動無熱化光學系統在結構設計時需要有高膨脹材料的內筒和低膨脹材料的外筒，結構較為復雜；光學被動無熱化光學系統采用多種材料來實現，通過匹配光學材料的光熱系數和分配透鏡的光焦度，使光學系統在一個很寬的溫度范圍內保持像面位移在系統
4、申請號為202211379583.4的中國專利公開了一種光學被動消熱差的低畸變廣角長波非制冷紅外光學系統，該系統由四片透鏡組成，工作波段：8μm～12μm；f#：1.0；焦距：45mm；視場：19.4°×15.5°，像面直徑：φ19.7mm，工作溫度范圍：-55℃～+70℃；總長度小于70mm。該系統靶面大，能夠適配的探測器為1280×1024非制冷紅外探測器，像元尺寸為12μm。
5、申請號為201811315703.8的中國專利公開了一種小型化高分辨率寬溫無熱化紅外光學系統，該系統由六片透鏡組成，圓視場為83.5°，f數為1，匹配15μm像元、1024×768的探測器，畸變最終實現在74°視場內小于3％，全視場小于5％。該系統視場大，但透鏡數量較多，長度較長。
6、申請號為202111523925.0的中國專利公開了一種焦距35mm的消熱差紅外鏡頭及其裝配方法、成像方法，該系統由四片透鏡組成，實現的技術指標為：工作波段：8μm～12μm；焦距：f′＝35mm；分辨率：1280×1024、12μm；f數：1；水平視場角：24.75°，豎直視場角：19.91°；畸變：小于1％；溫度范圍：-40℃至80℃。該系統的后截距為10.81mm，后截距較短，對探測器的安裝結構設計要求高。
技術實現思路
1、為解決傳統非制冷無熱化紅外光學系統在適配大靶面紅外探測器時體積較大、重量較重、畸變較大的技術問題，本專利技術提供一種小型輕量化、低畸變無熱化紅外光學系統。
2、為了達到上述目的，本專利技術所采用的技術方案是：
3、一種小型輕量化、低畸變無熱化紅外光學系統，所述光學系統由從物方至像方依次同軸設置的彎月形正透鏡、第一彎月形負透鏡、光闌、第二彎月形負透鏡、雙凸正透鏡組成，所述的彎月形正透鏡、第一彎月形負透鏡的凹面朝向像平面的方向設置，第二彎月形負透鏡的凹面背向像平面的方向并朝向物方設置。
4、進一步地，所述光闌位于第一彎月形負透鏡與第二彎月形負透鏡之間，第一彎月形負透鏡與光闌之間于光軸上的距離為5mm，光闌與第二彎月形負透鏡之間于光軸上的距離為5mm。
5、進一步地，所述的彎月形正透鏡、第二彎月形負透鏡、雙凸正透鏡的材質均為硫系玻璃irg206，第一彎月形負透鏡的材質為硒化鋅znse。
6、進一步地，所述的彎月形正透鏡滿足以下條件：0.9≤f1/f≤1.2，其中f為光學系統的焦距、f1為彎月形正透鏡的有效焦距；
7、所述的第一彎月形負透鏡滿足以下條件：-1.2≤f2/f≤-0.9，其中f為光學系統的焦距、f2為第一彎月形負透鏡的有效焦距；
8、所述的第二彎月形負透鏡滿足以下條件：5.0≤f4/f≤6.0，其中f為光學系統的焦距、f4為第二彎月形負透鏡的有效焦距；
9、所述的雙凸正透鏡足以下條件：0.7≤f5/f≤1.0，其中f為光學系統的焦距、f5為雙凸正透鏡的有效焦距。
10、進一步地，所述像平面的前方設有保護玻璃，所述第二彎月形負透鏡與所述雙凸正透鏡之間于光軸上的距離為t45，所述雙凸正透鏡與所述保護玻璃之間于光軸上的距離為t56，所述雙凸正透鏡于光軸上的厚度為ct5，滿足以下條件：4.0≤(t45+t56)/ct5≤4.5。
11、進一步地，所述彎月形正透鏡朝向像方一側表面、第一彎月形負透鏡朝向像方一側表面、以及第二彎月形負透鏡朝向像方一側表面均為非球面。
12、進一步地，所述的雙凸正透鏡朝向物方一側表面為衍射非球面。
13、進一步地，所述的光學系統實現的技術參數為：工作波段：8μm～12μm；f#：1.2；焦距：35mm；視場：19.9°×15.0°，像面直徑：φ15.4mm；其中，f#計算公式為f/d，f為光學系統的焦距，d為入射光瞳直徑。
14、進一步地，所述彎月形正透鏡的前表面至像平面的總長小于55mm，該系統后截距即所述雙凸正透鏡的后表面與像平面于光軸上的距離為19.58mm。
15、有益效果：
16、1、本專利技術光學系統通過各透鏡間間隔的優化設置、各透鏡光焦度的合理分配及透鏡光學材料的配合，由4片透鏡實現了焦距為35mm、像面直徑為15.4mm、畸變小于0.5％的小型輕量化、低畸變無熱化紅外光學系統，4片透鏡總重量為75g，光學系統總長為54.9mm，同時該系統后截距為19.58mm，后截距長，有利于后端探測器安裝結構設計；
17、2、本專利技術通過不同光學材料的配合，實現了-55℃～+70℃寬溫范圍內均能良好成像的光學被動無熱化光學系統，無需另外設置用于補償光學系統因溫度變化造成成像質量下降的調焦機構，有效簡化系統結構、提升產品可靠性。
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1.一種小型輕量化、低畸變無熱化紅外光學系統，其特征在于，所述光學系統由從物方至像方依次同軸設置的彎月形正透鏡（1）、第一彎月形負透鏡（2）、光闌（3）、第二彎月形負透鏡（4）、雙凸正透鏡（5）組成，所述的彎月形正透鏡（1）、第一彎月形負透鏡（2）的凹面朝向像平面（7）的方向設置，且各透鏡表面曲率半徑為正；第二彎月形負透鏡（4）的凹面背向像平面（7）朝向物方設置，透鏡表面曲率半徑為負。
2.根據權利要求1所述的一種小型輕量化、低畸變無熱化紅外光學系統，其特征在于，所述光闌（3）位于第一彎月形負透鏡（2）與第二彎月形負透鏡（4）之間，第一彎月形負透鏡（2）與光闌（3）之間于光軸上的距離為5mm，光闌（3）與第二彎月形負透鏡（4）之間于光軸上的距離為5mm。
3.根據權利要求1所述的一種小型輕量化、低畸變無熱化紅外光學系統，其特征在于，所述的彎月形正透鏡（1）、第二彎月形負透鏡（4）、雙凸正透鏡（5）的材質均為硫系玻璃IRG206，第一彎月形負透鏡（2）的材質為硒化鋅ZNSE。
4.根據權利要求1所述的一種小型輕量化、低畸變無熱化紅外光學系統，其特
5.根據權利要求1所述的一種小型輕量化、低畸變無熱化紅外光學系統，其特征在于，所述像平面（7）的前方設有保護玻璃（6），所述第二彎月形負透鏡（4）與所述雙凸正透鏡（5）之間于光軸上的距離為T45，所述雙凸正透鏡（5）與所述保護玻璃（6）之間于光軸上的距離為T56，所述雙凸正透鏡（5）于光軸上的厚度為CT5，滿足以下條件：4.0≤（T45+T56）/?CT5≤4.5。
6.根據權利要求1所述的一種小型輕量化、低畸變無熱化紅外光學系統，其特征在于，所述彎月形正透鏡（1）朝向像方一側表面、第一彎月形負透鏡（2）朝向像方一側表面、以及第二彎月形負透鏡（4）朝向像方一側表面均為非球面。
7.根據權利要求1所述的一種小型輕量化、低畸變無熱化紅外光學系統，其特征在于，所述的雙凸正透鏡朝向物方一側表面為衍射非球面。
8.根據權利要求1所述的一種小型輕量化、低畸變無熱化紅外光學系統，其特征在于，所述的光學系統實現的技術參數為：工作波段：8μm～12μm；F#：1.2；焦距：35mm；視場：19.9°x15.0°，像面直徑：Φ15.4mm；其中，F#計算公式為f/D，f為光學系統的焦距，D為入射光瞳直徑。
9.根據權利要求1所述的一種小型輕量化、低畸變無熱化紅外光學系統，其特征在于，所述彎月形正透鏡（1）的前表面至像平面（7）的總長小于55mm，該系統后截距即所述雙凸正透鏡（5）的后表面與像平面（7）于光軸上的距離為19.58mm。
...【技術特征摘要】
1.一種小型輕量化、低畸變無熱化紅外光學系統，其特征在于，所述光學系統由從物方至像方依次同軸設置的彎月形正透鏡（1）、第一彎月形負透鏡（2）、光闌（3）、第二彎月形負透鏡（4）、雙凸正透鏡（5）組成，所述的彎月形正透鏡（1）、第一彎月形負透鏡（2）的凹面朝向像平面（7）的方向設置，且各透鏡表面曲率半徑為正；第二彎月形負透鏡（4）的凹面背向像平面（7）朝向物方設置，透鏡表面曲率半徑為負。
2.根據權利要求1所述的一種小型輕量化、低畸變無熱化紅外光學系統，其特征在于，所述光闌（3）位于第一彎月形負透鏡（2）與第二彎月形負透鏡（4）之間，第一彎月形負透鏡（2）與光闌（3）之間于光軸上的距離為5mm，光闌（3）與第二彎月形負透鏡（4）之間于光軸上的距離為5mm。
3.根據權利要求1所述的一種小型輕量化、低畸變無熱化紅外光學系統，其特征在于，所述的彎月形正透鏡（1）、第二彎月形負透鏡（4）、雙凸正透鏡（5）的材質均為硫系玻璃irg206，第一彎月形負透鏡（2）的材質為硒化鋅znse。
4.根據權利要求1所述的一種小型輕量化、低畸變無熱化紅外光學系統，其特征在于，各透鏡焦距需滿足以下條件：
5.根據權利要求1所述的一種小型輕量化、低畸變無熱化紅外光學系統，其特征在于，所述像平面（7）的前方設有保護玻璃（6），...
【專利技術屬性】
技術研發人員：吳海清，劉志廣，王浩楠，李鵬飛，談大偉，
申請(專利權)人：凱邁洛陽測控有限公司，
類型：發明
國別省市：
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