CN102183836A

CN102183836A - 一种红外双波段消热差光学镜头

Info

Publication number: CN102183836A
Application number: CN 201110124231
Authority: CN
Inventors: 沈为民; 张春艳
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2011-05-14
Filing date: 2011-05-14
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2031-05-14
Also published as: CN102183836B

Abstract

本发明公开了一种红外双波段消热差光学镜头，工作波段为3～5μm和8～12μm；工作的环境温度范围为-60～80℃。它采用共光轴柯克三片型结构，由四块折射透镜构成，孔径光阑位于像面的冷屏处。按光线入射方向，第一块透镜[1]的后表面和第三块透镜[3]的前表面为非球面；透镜的材料依次为锗、硒化锌、硫化锌和硒化锌；相对于镜头焦距归一化时光焦度的取值范围依次为：-1.0≤φ₁≤-0.5、1.50≤φ₂≤2.0、-2.0≤φ₃≤-1.50和1.0≤φ₄≤1.5。该光学镜头结构简单，成像质量高，消热差效果好，并具有后工作距大、100%冷光阑效率等特点，可用作红外双色导引头等，在军工和民用领域均有广泛应用前景。

Description

一种红外双波段消热差光学镜头

技术领域

本发明涉及一种工作在中波和长波段的红外光学镜头，特别涉及一种工作于3～5μm和8～12μm波段、消热差的光学镜头，它可在-60℃到+80℃环境温度范围内成像。

背景技术

红外成像基于目标与背景辐射度的不同，根据普朗克黑体辐射定律，波长3～5μm的中波红外主要用于观测高温事件，波长8～12μm的长波红外用于探测常温物体轮廓，结合这两个波段的成像特点，可提高目标的探测及识别能力。对这两个红外波段同时敏感的探测器阵列有双波段碲镉汞焦平面阵列和量子阱红外光电探测器阵列，现以相对成熟的碲镉汞焦平面阵列居多，美国FLIR系统公司和法国Sofradir公司已将这种双波段探测器用于功能增强型红外双波段军用摄像机。双波段红外成像技术在红外侦察、预警探测、精确制导、光电对抗等领域具有广泛的应用前景，因此，设计和研制高性能的红外双波段光学镜头有着十分重要的意义和必要性。

然而，红外光学材料对环境温度较敏感，随着环境温度变化，会引起红外光学系统的焦距、像面位置及像差的变化，成像质量下降，这种由温度变化导致的成像质量差异称为热像差，简称热差。为了能在宽温度变化环境中工作，得到好的成像质量，需进行消热差研究和设计。目前，消热差方法主要有机电主动式、机械被动式和光学被动式，光学被动式消热差方法以其重量小、无功耗、可靠性高等特点，已成为光学系统消热差的首选方法，通过匹配透镜与镜头结构件的热性能消除热差。

在本发明作出之前，CN10196369A的中国发明专利公开了一种长波消热差红外光学镜头；CN101738619A的中国发明专利公开了一种双波段红外光学系统，其双波段红外光学镜头由红外窗口、分光镜、中波镜头和长波镜头组成。目前，采用光学被动式消热差方法，提供一种工作在中波和长波红外双波段的光学镜头未见报道。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种能有效消除温度变化的影响，结构简单，工作在中波和长波红外双波段的光学镜头。

本发明所采用的技术方案是：提供一种红外双波段消热差光学镜头，它采用共光轴柯克三片型结构，由四块折射透镜构成，按光线入射方向，分别为第一块透镜、第二块透镜、第三块透镜和第四块透镜，孔径光阑位于像面的冷屏处；四片折射透镜的材料依次为锗、硒化锌、硫化锌和硒化锌；四片折射透镜的光焦度依次为φ₁、φ₂、φ₃和φ₄，相对于镜头焦距归一化时的取值范围为：-1.0≤φ₁≤-0.5、1.50≤φ₂≤2.0、-2.0≤φ₃≤-1.50和1.0≤φ₄≤1.5；所述的第一块透镜的后表面和第三块透镜的前表面为非球面。

本发明提供的一种红外双波段消热差光学镜头，其工作波段为3～5μm和8～12μm；工作的环境温度范围为-60～80℃。

与现有技术相比，本发明的特点在于：红外双波段消热差光学镜头采用柯克三片型结构型式，两个非球面，其结构简单，成像质量高，消热差效果好，并具有后工作距大、100%冷光阑效率等特点，可用作红外双色导引头等，在军工和民用领域均有广泛应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例提供的红外双波段消热差光学镜头的结构示意图；

图2是本发明实施例所述的光学镜头的畸变曲线图；

图3是本发明实施例所述的光学镜头在-60℃时中波红外调制传递函数曲线图；

图4是本发明实施例所述的光学镜头在20℃时中波红外调制传递函数曲线图；

图5是本发明实施例所述的光学镜头在80℃时中波红外调制传递函数曲线图；

图6是本发明实施例所述的光学镜头在-60℃时长波红外调制传递函数曲线图；

图7是本发明实施例所述的光学镜头在20℃时长波红外调制传递函数曲线图；

图8是本发明实施例所述的光学镜头在80℃时长波红外调制传递函数曲线图；

图1中：1、按光线入射方向的第一块透镜；2、按光线入射方向的第二块透镜；3、按光线入射方向的第三块透镜；4、按光线入射方向的第四块透镜。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方案作进一步的具体阐述。

本实施例的技术方案是提供一种中波和长波红外双波段消热差光学镜头，其设计参数为：工作波长3～5μm和8～12μm，焦距为100mm，视场角为7.04°，F数为2。

参见附图1，它是本实施例所述的光学镜头的结构示意图。由图1可以看到，该光学镜头采用共光轴柯克三片型结构型式，由四块折射透镜构成，按光线入射方向，分别为第一块透镜1、第二块透镜2、第三块透镜3和第四块透镜4，孔径光阑位于像面的冷屏处，无渐晕。

本实施例提供的红外双波段消热差光学镜头各块透镜的具体数据及所采用的材料见表1。

表1

Figure 201110124231X100002DEST_PATH_IMAGE002

本实施例中，第一块透镜1的后表面和第三块透镜3的前表面为非球面，由下式定义，

Figure 201110124231X100002DEST_PATH_IMAGE004

其中z为沿光轴方向的坐标，c为顶点处的基本曲率；k为二次曲面系数；r为垂直光轴方向的径向坐标；A,B,C,D,E…为非球面系数。其非球面系数的数据参见表2。

表2

	K	B
			第一块透镜的后表面	2.224779	-1.683099E-12
第三块透镜的前表面	-5.37636	-6.152441E-11

四块折射透镜的光焦度依次为φ₁、φ₂、φ₃和φ₄，相对于镜头焦距归一化时的取值范围：φ₁为-0.66，φ₂为1.79，φ₃为-1.65，φ₄为1.32。

参见附图2，它是本实施例所述消热差光学镜头的畸变曲线图，图中，横坐标为相对畸变值（单位﹪），纵坐标表示归一化视场，由图4可见，相对畸变小于0.2%，能够保证成像不会失真。

参见附图3～5，它是本实施例所述的光学镜头在环境温度分别为-60℃、20℃和80℃的不同条件下，中波红外调制传递函数曲线图；参见附图6～8，它是本实施例所述的光学镜头在环境温度分别为-60℃、20℃和80℃的不同条件下，长波红外调制传递函数曲线图。由以上各图可见，在奈奎斯特频率16.7lp/mm处的MTF值均大于0.4。

Claims

1. 一种红外双波段消热差光学镜头，其特征在于：它采用共光轴柯克三片型结构，由四块折射透镜构成，按光线入射方向，分别为第一块透镜[1]、第二块透镜[2]、第三块透镜[3]和第四块透镜[4]，孔径光阑位于像面的冷屏处；四块折射透镜的材料依次为锗、硒化锌、硫化锌和硒化锌；四块折射透镜的光焦度依次为φ₁、φ₂、φ₃和φ₄，相对于镜头焦距归一化时的取值范围为：-1.0≤φ₁≤-0.5、1.50≤φ₂≤2.0、-2.0≤φ₃≤-1.50和1.0≤φ₄≤1.5；所述的第一块透镜[1]的后表面和第三块透镜[3]的前表面为非球面。

2. 根据权利要求1所述的一种红外双波段消热差光学镜头，其特征在于：所述的双波段为3～5μm和8～12μm波段。

3. 根据权利要求1所述的一种红外双波段消热差光学镜头，其特征在于：工作的环境温度范围为-60～80℃。