CN106019534A - 一种1.3～5um宽波段红外成像镜头 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种1.3～5um宽波段红外成像镜头，包括第一反射镜和第二反射镜，第一反射镜入射光的光轴上依次设置有主物镜、第一前透镜、第二前透镜和调焦镜，两反射镜之间的光轴上依次设置有第一后透镜和第二后透镜，第二反射镜出射光的光轴上设置有第三后透镜；所述的主物镜为凸面朝向物方的正光焦度平凸透镜，所述的第一前透镜为负光焦度的双凹透镜，所述的第二前透镜和第三后透镜为正光焦度的双凸透镜，所述的调焦镜和第一后透镜为凸面朝向第一反射镜的正光焦度弯月形透镜，所述的第二后透镜为凸面朝向第二反射镜的负光焦度弯月形透镜；本发明成像质量较高，大大减小了系统像差，并且使系统在宽光谱范围内的色差得以校正。

Description

一种1.3～5um宽波段红外成像镜头
技术领域
本发明属于红外成像技术领域，具体涉及一种1.3～5um宽波段红外成像镜头，适用在对海上溢油监测、有害气体监测、各种目标红外辐射特性研究等领域。
背景技术
近年来，红外光谱仪成为了科学研究和分析检测的研究重点方向。现场级多波段红外成像光谱仪是新一代的检测和分析设备，具有“图谱合一”的特性，结合了传统光谱仪和光电成像技术的特点，可同时提供图像二维空间信息和高分辨率的光谱信息，实现对目标场景的探测和深度分析。
它拥有全面的成像分析能力、较高的光谱分辨率和良好的平台通用型，在海洋环境监测、空气污染检测、国防研究、公共安全等领域均有着广泛的应用价值。
前置红外光学系统是现场级多波段红外成像光谱仪的重要组成部分，其主要作用为通过宽波段高分辨率红外镜头把外界的景物目标投射到干涉仪上。
宽波段光学系统具有系统像差和色差难以校正等设计难点。目前，仅有加拿大ABBBomem公司和加拿大Telops公司有报道出光谱范围在1.3～5um的成像镜头，国内尚未报道过此种1.3～5um宽波段（短波、中波）的宽波段红外成像镜头。
发明内容
本发明的目的在于根据现有技术的不足，设计一种1.3～5nm宽波段红外成像镜头，能够和320×256宽波段制冷型面阵红外探测器匹配使用，系统畸变小，能够满足高成像质量的需求。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种1.3～5um宽波段红外成像镜头，包括呈90°相向设置的第一反射镜和第二反射镜；所述第一反射镜入射光的光轴上依次设置有主物镜、第一前透镜、第二前透镜和调焦镜，第一反射镜和第二反射镜之间反射光的光轴上依次设置有第一后透镜和第二后透镜，所述第二反射镜出射光的光轴上设置有第三后透镜；所述的主物镜为凸面朝向物方的正光焦度平凸透镜，所述的第一前透镜为负光焦度的双凹透镜，所述的第二前透镜和第三后透镜为正光焦度的双凸透镜，所述的调焦镜和第一后透镜为凸面朝向第一反射镜的正光焦度弯月形透镜，所述的第二后透镜为凸面朝向第二反射镜的负光焦度弯月形透镜。
所述的一种1.3～5um宽波段红外成像镜头，其第二前透镜的前表面为基于非球面基底的衍射面。
所述的一种1.3～5um宽波段红外成像镜头，其调焦镜的前表面为非球面。
所述的一种1.3～5um宽波段红外成像镜头，其第一后透镜的后表面为非球面。
所述的一种1.3～5um宽波段红外成像镜头，其透镜材料为单晶硅或硒化锌。
所述的一种1.3～5um宽波段红外成像镜头，其主物镜、第一前透镜、调焦镜、第二后透镜和第三后透镜为单晶硅透镜。
所述的一种1.3～5um宽波段红外成像镜头，其第二前透镜和第一后透镜为硒化锌透镜。
本发明的有益效果是：采用衍射元件的物理特性，仅使用了常见的红外材料（单晶硅和硒化锌），通过优化各表面的面型参数和适当的采用非球面和衍射面，便实现了系统在1.3～5um宽波段（短波、中波）范围内的高质量成像，大大减小了系统像差，并且使系统在宽光谱范围内的色差得以校正；加工满足普通金刚石车床车削的技术要求，降低了生产成本。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的光学示意图；
图3是本发明的场曲与畸变曲线图；
图4是本发明在16mm/lp时传递函数曲线图，横坐标为每毫米的线对数，纵坐标为对比度数值；
图5是本发明的系统弥散斑图。
各附图标记为：1—主物镜，2—第一前透镜，3—第二前透镜，4—调焦镜，5—第一反射镜，6—第一后透镜，7—第二后透镜，8—第二反射镜，9—第三后透镜。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
为了给现场级多波段红外成像光谱仪提供一个前置宽波段成像光学系统，参照图1、图2所示，本发明公开了一种1.3～5um宽波段红外成像镜头，作为基本的实施例，系统焦距为85mm，F数（系统焦距与通光孔径的比值）为2，其包括呈90°相向设置的第一反射镜5和第二反射镜8，入射光到达第一反射镜5后被反射到第二反射镜8后再次反射形成与入射光平行且方向相反的出射光；所述第一反射镜5入射光的光轴上依次设置有主物镜1、第一前透镜2、第二前透镜3和调焦镜4，第一反射镜5和第二反射镜8之间反射光的光轴上依次设置有第一后透镜6和第二后透镜7，所述第二反射镜8出射光的光轴上设置有第三后透镜9；所述的主物镜1为凸面朝向物方的正光焦度平凸透镜，所述的第一前透镜2为负光焦度的双凹透镜，所述的第二前透镜3和第三后透镜9为正光焦度的双凸透镜，所述的调焦镜4和第一后透镜6为凸面朝向第一反射镜5的正光焦度弯月形透镜，所述的第二后透镜7为凸面朝向第二反射镜8的负光焦度弯月形透镜。
作为进一步的实施例，所述的第二前透镜3的前表面为基于非球面基底的衍射面；所述的调焦镜4的前表面为非球面；所述的第一后透镜6的后表面为非球面。
作为更进一步的实施例，所述的主物镜1、第一前透镜2、调焦镜4、第二后透镜7和第三后透镜9为单晶硅透镜；所述的第二前透镜3和第一后透镜6为硒化锌透镜。
下列出了本发明中1.3～5um宽波段红外成像镜头的具体实施例。
在上表中，曲率半径是指每个表面的曲率半径，间距是指相邻两表面之间的距离，举例来说，表面S1的间距，即表面S1至表面S2间的距离。玻璃材料是该透镜的制作加工所用的材料。其中第二前透镜3的前表面S5为基于非球面基底的硒化锌衍射面，调焦镜4的前表面S7为单晶硅基底上的高次非球面，第后透镜6的后表面S11为硒化锌基底上的高次非球面。
具体而言，所述的主物镜1的前表面的曲率半径为76.56mm，主物镜1的前、后表面之间的间距为9mm；所述的第一前透镜2的前表面的曲率半径分别为-962.4mm，第一前透镜2的前表面与主物镜1的后表面的间距为2mm，第一前透镜2的后表面的曲率半径为82.4mm，第一前透镜2的前、后表面之间的间距为5mm；所述的第二前透镜3的前表面的曲率半径为324.4mm，第二前透镜3的前表面与第一前透镜2的后表面的间距为7.5mm，第二前透镜3的后表面的曲率半径为-108.5mm，第二前透镜3的前、后表面之间的间距为7mm；所述的调焦镜4的前表面的曲率半径为-38.99mm，调焦镜4的前表面与第二前透镜3的后表面的间距为135mm，调焦镜4的后表面的曲率半径为-40.5mm，调焦镜4的前、后表面之间的间距为6mm；所述的第一反射镜5的前表面与调焦镜4的后表面的间距为20mm，第一反射镜5的前、后表面之间的间距为7mm；所述的第一后透镜6的前表面的曲率半径为75.16mm，第一后透镜6的后表面的曲率半径为46.95mm，第一后透镜6的前表面与第一反射镜5的前表面的间距为50mm，第一后透镜6的前、后表面之间的间距为5mm；所述的第二后透镜7的前表面的曲率半径为-33.98 mm，第二后透镜7的后表面的曲率半径为-27.54mm，第二后透镜7的前表面与第一后透镜6的后表面的间距为8mm，第二后透镜7的前、后表面之间的间距为5mm；所述的第二反射镜8的前表面与第二后透镜7的后表面的间距为22mm，第二反射镜8的前、后表面之间的间距为7mm；所述的第三后透镜9的前表面的曲率半径为81.2mm，第三后透镜9的后表面的曲率半径为-473.55mm，第三后透镜9的前表面与第二反射镜8的前表面的间距为22mm，第三后透镜9的前、后表面之间的间距为4mm，所述的第三后透镜9的后表面与系统像面之间的间距为9mm。
下表列出了第二前透镜3的前表面S5、调焦镜4的前表面S7、第一后透镜6的后表面S11的非球面系数。
非球面以面顶点为基准的光轴方向的位变定义如下：
其中，各参数含义为：Z—光轴方向的位变，H—光轴的高，c—透镜曲率，K—二次曲面系数，A、B、C—非球面系数。
下表列出了第二前透镜3前表面S5的衍射面系数。
所采用的衍射面的相位方程如下：
其中，各参数含义为：—衍射面相位函数，—构造中心波长，—垂直光轴方向的径向坐标，、—衍射系数。
本发明红外镜头的工作波段为1.3～5um，F数为2；系统光阑位于制冷探测器的冷光阑上，满足系统100%冷光阑效率。
本发明采用二次成像型设计，减小了各组透镜口径，其中一次成像面位于第一反射镜5和第一后透镜6之间，二次成像面位于系统像面。
本发明通过非球面和衍射面消除球差和高次像差，提高系统的传递函数，保持系统在16lp/mm具有较好的成像质量，各透镜组的光焦度分配合理，残余像差较小，成像质量好，系统畸变小，可以配合320×256中波制冷红外探测器使用，以用于宽波段光谱分析成像。透镜材料均选用常见红外玻璃设计，利用非球面和衍射面校正了系统像差和色差，而高次非球面和衍射面设置在利于加工的玻璃材料上，可以通过数控机床进行铣磨、抛光，获得较好的零件表面，采用了一个硅非球面、一个硒化锌非球面、一个基于非球面基底的硒化锌衍射面，有利于提高系统像质，结合目前成熟的智能抛光数控机床有较好的加工工艺性，适合批量生产。
图3至图5为本发明的光学仿真数据图。从图3至图5可以看出本发明的光学传递函数、场曲、畸变以及点弥散斑均方根直径都在标准范围内。由此可见，本发明具有较好的成像质量。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种1.3～5um宽波段红外成像镜头，其特征在于：包括第一反射镜（5）和第二反射镜（8），所述第一反射镜（5）入射光的光轴上依次设置有主物镜（1）、第一前透镜（2）、第二前透镜（3）和调焦镜（4），第一反射镜（5）和第二反射镜（8）之间反射光的光轴上依次设置有第一后透镜（6）和第二后透镜（7），所述第二反射镜（8）出射光的光轴上设置有第三后透镜（9）；所述的主物镜（1）为凸面朝向物方的正光焦度平凸透镜，所述的第一前透镜（2）为负光焦度的双凹透镜，所述的第二前透镜（3）和第三后透镜（9）为正光焦度的双凸透镜，所述的调焦镜（4）和第一后透镜（6）为凸面朝向第一反射镜（5）的正光焦度弯月形透镜，所述的第二后透镜（7）为凸面朝向第二反射镜（8）的负光焦度弯月形透镜。
2.根据权利要求1所述的一种1.3～5um宽波段红外成像镜头，其特征在于，所述的第一反射镜（5）和第二反射镜（8）呈90°相向设置。
3.根据权利要求1所述的一种1.3～5um宽波段红外成像镜头，其特征在于，所述的第二前透镜（3）的前表面为基于非球面基底的衍射面。
4.根据权利要求1所述的一种1.3～5um宽波段红外成像镜头，其特征在于，所述的调焦镜（4）的前表面为非球面。
5.根据权利要求1所述的一种1.3～5um宽波段红外成像镜头，其特征在于，所述的第一后透镜（6）的后表面为非球面。
6.根据权利要求1至5任意一项所述的一种1.3～5um宽波段红外成像镜头，其特征在于，所述的透镜材料为单晶硅或硒化锌。
7.根据权利要求6所述的一种1.3～5um宽波段红外成像镜头，其特征在于，所述的主物镜（1）、第一前透镜（2）、调焦镜（4）、第二后透镜（7）和第三后透镜（9）为单晶硅透镜。
8.根据权利要求6所述的一种1.3～5um宽波段红外成像镜头，其特征在于，所述的第二前透镜（3）和第一后透镜（6）为硒化锌透镜。
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