CN108152935B - 长波红外成像光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种长波红外成像光学系统，其包括：沿入射光线的传播方向依次顺序设置于同一光轴的第一透镜、用于成像及像差校正的多个透镜及用于变焦的第三透镜，所述多个透镜中至少一个表面为偶次高阶非球面，所述第三透镜可移动地设置于所述光轴。所述长波红外成像光学系统具备小型化、轻量化、低杂散、结构简单等优势，可以实现便携式、实时在线监测。
Description
技术领域
本发明涉及成像光学技术领域，尤其涉及一种长波红外成像光学系统。
背景技术
大气、烟云等可吸收可见光和近红外线，但是对3～5um和8～14um的热红外线却近似透明的。因此，这两个波段被称为热红外线的“大气窗口”。利用这两个窗口，可以使人们在完全无光的夜晚，或是在烟云密布的战场，清晰地观察到前方的情况。正是由于这个特点，热红外成像技术在军事上提供了先进的夜视装备，并为飞机、舰艇和坦克装上了全天候前视系统。这些系统在海湾战争中发挥了非常重要的作用。另外，物体的热辐射能量的大小，直接和物体表面的温度相关。热辐射的这个特点使人们可以利用它来对物体进行无接触温度测量和热状态分析，从而为工业生产、节约能源、保护环境等等方面提供了一个重要的检测手段和诊断工具。
随着现代技术的迅猛发展，8-14μm长波非制冷探测器在性能、体积、重量上的优势逐步凸显出来，而且相对于3-5μm的中波红外波段，8-14μm长波红外波段具有更好的大气、烟雾穿透性，能够适应低温、潮湿、太阳干扰等环境下探测。随着应用需求的提高，针对长波红外成像光学系统在军民领域的实际应用，对小型化、轻量化、结构紧凑、高性能价格比等的要求也逐渐提高。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种小型化、轻量化、结构紧凑、高性能价格比的长波红外成像光学系统，具备小型化、轻量化、低杂散、结构简单等优势，可以实现便携式、实时在线监测。
一种长波红外成像光学系统，其包括：沿入射光线的传播方向依次顺序设置于同一光轴的第一透镜、用于成像及像差校正的多个透镜及用于变焦的第三透镜，所述多个透镜中至少一个表面为偶次高阶非球面，所述第三透镜可移动地设置于所述光轴。
本发明一较佳实施方式中，所述第一透镜为硫化锌透镜，其形状为等厚椭球。
本发明一较佳实施方式中，所述多个透镜包括用于成像和像差校正的第二透镜、用于高级像差校正的第四透镜、用于会聚光束的第五透镜及第六透镜，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜、所述第五透镜及所述第六透镜沿入射光线的传播方向依次顺序设置于所述光轴，所述第三透镜可移动地设置于所述第二透镜和所述第四透镜之间。
本发明一较佳实施方式中，所述第二透镜为锗镜片，所述第二透镜朝向所述第一透镜的前表面为球面、朝向所述第三透镜的后表面为偶次高阶非球面。由此，可起到成像和像差校正作用。
本发明一较佳实施方式中，所述第三透镜为锗镜片，所述第三透镜朝向所述第二透镜的前表面为球面、朝向所述第四透镜的后表面为二阶非球面。所述第三透镜可以有效地平衡轴上像差和部分高级像差，并通过前后距离的移动实现焦距的改变，起到双档变焦功能。
本发明一较佳实施方式中，所述第四透镜为硒化锌透镜，所述第四透镜朝向所述第三透镜的前表面为偶次高阶非球面、朝向所述第五透镜的后表面为球面。由此，可以起到高级像差校正作用。
本发明一较佳实施方式中，所述第五透镜为锗透镜，所述第五透镜朝向所述第四透镜的前表面和朝向所述第六透镜的后表面均为球面。由此，可以起到会聚光束的作用。
本发明一较佳实施方式中，所述第六透镜为锗透镜，所述第六透镜朝向所述第五透镜的前表面为偶次高阶非球面、朝向像面的后表面为球面。由此，可以起到会聚光束的作用，并最终将光束会聚到成像面。
相较于现有技术，本发明提供的长波红外成像光学系统具有如下优点：其一、多个透镜中至少一个表面为偶次高阶非球面，用一个非球面代替复杂系统中的若干透镜，可以有效的简化结构；其二、同时，一般的透镜系统达不到的成像质量，采用了非球面，其系统内各种像差得到校正和补偿，降低了系统内杂散光的影响，使成像质量实现了提高；其三、非球面的引入，减少了成像光学系统的镜片数量，降低了系统的复杂性，减轻了系统的重量，实现了成像光学系统小型化、轻量化的目标；其四、所述第三透镜可移动地设置于所述光轴，构成移动变焦机构，实现长波红外成像光学系统在不同位置(或焦距)处的清晰成像，便于捕获或跟踪观测。
附图说明
图1为本发明提供的长波红外成像光学系统处于短焦距时的结构示意图；
图2为本发明提供的长波红外成像光学系统处于长焦距时的结构示意图；
图3为图1所示长波红外成像光学系统处于短焦距时的成像质量评价函数-MTF曲线图；
图4为图2所示长波红外成像光学系统处于长焦距时的成像质量评价函数-MTF曲线图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本发明提供一种长波红外成像光学系统，其包括：沿入射光线的传播方向依次顺序设置于同一光轴的第一透镜1、用于成像及像差校正的多个透镜及用于变焦的第三透镜3，所述多个透镜中至少一个表面为偶次高阶非球面，所述第三透镜3可移动地设置于所述光轴。
请一并参阅图1和图2，为本发明一较佳实施例提供的长波红外成像光学系统的结构示意图，本实施例中，所述长波红外成像光学系统包括第一透镜1、用于成像及像差校正的第二透镜2、用于变焦的第三透镜3、用于高级像差校正的第四透镜4，用于会聚光束的第五透镜5及第六透镜6，所述第一透镜1、所述第二透镜2、所述第三透镜3、所述第四透镜4、所述第五透镜5及所述第六透镜6沿入射光线的传播方向依次顺序设置于同一光轴，所述第三透镜3可移动地设置于所述第二透镜2和所述第四透镜4之间。
本实施例中，所述长波红外成像光学系统的工作波段为8-14μm、系统F/#＝1.2、系统总长130mm。物面位于无穷远处，可以理解成目标光线呈平行光入射到所述第一透镜1上，光线再依次经过所述第二透镜2、所述第三透镜3、所述第四透镜4、所述第五透镜5及所述第六透镜6，分别发生光线折射后，最终聚焦在成像面上。
本实施例中，所述第一透镜1为硫化锌透镜，其形状为等厚椭球、径长比为1.2。具体地，所述第一透镜1的厚度为5mm，具有较小的正光焦度约为0.0015mm-1，由于偏离球面较大，会引进非常大的初、高级像差，但是，所述第一透镜1由硫化锌材料制成，具有良好的化学稳定性，可以起到保护镜的作用。可以理解的是，所述第一透镜1的形状、尺寸并不局限于本实施例，实际设计时，可根据具体应用环境和实用要求等进行设计。
本实施例中，所述第二透镜2为锗镜片。所述第二透镜2朝向所述第一透镜1的前表面为球面、朝向所述第三透镜3的后表面为偶次高阶非球面，具体地，所述第二透镜2具有正的光焦度，约为0.0251mm-1，由此，可以起到成像作用。
本实施例中，所述第三透镜3为锗镜片，所述第三透镜3朝向所述第二透镜2的前表面为球面、朝向所述第四透镜4的后表面为二阶非球面。具体地，所述第三透镜3具有较大的负光焦度，约为-0.071mm-1，可以有效地平衡正透镜(所述第二透镜2)所产生的球差、色差等轴上像差和部分高级像差，并通过前后距离的移动实现焦距的改变，起到双档变焦功能。
可以理解的是，所述第三透镜3可移动地设置于所述第二透镜2和所述第四透镜4之间，构成焦距在一定范围内连续改变而像面位置保持不变的光学系统，即变焦系统。由此，通过移动所述第三透镜3，即可改变焦距，其目的在于连续改变系统的放大率，像面景物的大小连续可变，使用户产生由近及远或由远及近的感觉。
本实施例中，变焦系统的长焦距f1＝40mm、视场角±13°、短焦距f2＝20mm、视场角±26°，由所述第三透镜3在两固定位置的移动，实现所述长波红外成像光学系统的双档变焦。
本实施例中，所述第四透镜4为硒化锌透镜，所述第四透镜4朝向所述第三透镜3的前表面为偶次高阶非球面、朝向所述第五透镜5的后表面为球面。具体地，所述第四透镜4具有较小的负光焦度，约为-0.0030mm-1，主要起到高级像差校正作用。
本实施例中，所述第五透镜5为锗透镜，所述第五透镜5朝向所述第四透镜4的前表面和朝向所述第六透镜6的后表面均为球面。具体地，所述第五透镜5具有较大的正光焦度，约为0.0385mm-1，起到会聚光束的作用。
本实施例中，所述第六透镜6为锗透镜，所述第六透镜6朝向所述第五透镜5的前表面为偶次高阶非球面、朝向像面的后表面为球面。具体地，所述第六透镜6具有较大的正光焦度，约为0.0357mm-1，起到会聚光束的作用，最终将光束会聚到成像面。
可以理解的是，成像光学系统是信息传递系统，从物面到像面，输出图像质量完成取决于光学系统传递特性。几何光学是在空域研究光学系统成像规律，其实与空域相平行还可以在频域中分析光学系统成像质量，即用传递函数来研究系统空间频率传递特性，是一种能全面评价光学系统成像质量的好方法。一般来说，在MTF曲线中高频部分反映物体细节传递情况，中频部分反映光学物体层次传递情况，低频部分则反映物体轮廓传递情况。
请参阅图3，为本发明提供的长波红外成像光学系统处于短焦距时的成像质量评价函数-MTF曲线图，可知，所有视场的MTF曲线在截止频率30lp/mm时的数值均高于0.25，满足一般成像光学系统所要求的0.2以上。
请参阅图4，为本发明提供的长波红外成像光学系统处于长焦距时的成像质量评价函数-MTF曲线图，可知，所有视场的MTF曲线在截止频率30lp/mm时的数值均高于0.3，同样满足一般成像光学系统所要求的0.2以上。
另外，图3、图4中所有视场的子午、弧矢传函均比较接近，说明所述长波红外成像光学系统的像差校正接近理想情况(在不同焦距情况下)。
请参阅如下表1，为本发明提供的长波红外成像光学系统的光学设计参数。
表1长波红外成像光学系统的光学设计参数
相较于现有技术，本发明提供的长波红外成像光学系统具有如下优点：其一、多个透镜中至少一个表面为偶次高阶非球面，用一个非球面代替复杂系统中的若干透镜，可以有效的简化结构；其二、同时，一般的透镜系统达不到的成像质量，采用了非球面，其系统内各种像差得到校正和补偿，降低了系统内杂散光的影响，使成像质量实现了提高；其三、非球面的引入，减少了成像光学系统的镜片数量，降低了系统的复杂性，减轻了系统的重量，实现了成像光学系统小型化、轻量化的目标；其四、所述第三透镜可移动地设置于所述光轴，构成移动变焦机构，实现长波红外成像光学系统在不同位置(或焦距)处的清晰成像，便于捕获或跟踪观测。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，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。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (3)
1.一种长波红外成像光学系统，其特征在于，包括：沿入射光线的传播方向依次顺序设置于同一光轴的第一透镜（1）、用于成像及像差校正的多个透镜及用于变焦的第三透镜（3），所述多个透镜中至少一个表面为偶次高阶非球面，所述第三透镜（3）可移动地设置于所述光轴；
所述多个透镜包括用于成像和像差校正的第二透镜（2）、用于高级像差校正的第四透镜（4）、用于会聚光束的第五透镜（5）及第六透镜（6），所述第一透镜（1）、所述第二透镜（2）、所述第三透镜（3）、所述第四透镜（4）、所述第五透镜（5）及所述第六透镜（6）沿入射光线的传播方向依次顺序设置于所述光轴，所述第三透镜（3）可移动地设置于所述第二透镜（2）和所述第四透镜（4）之间；
所述第三透镜（3）为锗镜片，所述第三透镜（3）朝向所述第二透镜（2）的前表面为球面、朝向所述第四透镜（4）的后表面为二阶非球面；
所述第三透镜（3）具有负光焦度；
所述第一透镜（1）为硫化锌透镜，其形状为等厚椭球；
所述第四透镜（4）为硒化锌透镜，所述第四透镜（4）朝向所述第三透镜（3）的前表面为偶次高阶非球面、朝向所述第五透镜（5）的后表面为球面；
所述第六透镜（6）为锗透镜，所述第六透镜（6）朝向所述第五透镜（5）的前表面为偶次高阶非球面、朝向像面的后表面为球面；
所述第一透镜（1）具有较小的正光焦度，为0.0015mm-1，所述第二透镜（2）具有正的光焦度，为0.0251mm-1，所述第三透镜（3）具有较大的负光焦度，为-0.071mm-1，所述第四透镜（4）具有较小的负光焦度，为-0.0030 mm-1，所述第五透镜（5）具有较大的正光焦度，为0.0385mm-1，所述第六透镜（6）具有较大的正光焦度，为0.0357 mm-1。
2.如权利要求1所述的长波红外成像光学系统，其特征在于，所述第二透镜（2）为锗镜片，所述第二透镜（2）朝向所述第一透镜（1）的前表面为球面、朝向所述第三透镜（3）的后表面为偶次高阶非球面。
3.如权利要求1所述的长波红外成像光学系统，其特征在于，所述第五透镜（5）为锗透镜，所述第五透镜（5）朝向所述第四透镜（4）的前表面和朝向所述第六透镜（6）的后表面均为球面。
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| GR01 | Patent grant | ||
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