CN109343201A - 光学被动消热差的低畸变广角长波非制冷红外光学系统 - Google Patents

光学被动消热差的低畸变广角长波非制冷红外光学系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种光学被动消热差的低畸变广角长波非制冷红外光学系统，按光路走向依次设置为第一负透镜、第二负透镜、正透镜组、负透镜组、第一正透镜和第二正透镜；应用于长波8‑12μm波段的低畸变广角非制冷红外光学系统，圆视场为83.5°，F数为1，匹配15μm像元、1024×768的探测器；整个光学系统沿光线入射方向由四组6块透镜构成；系统使用了Ge、ZnS、IG4三种材料实现光学被动消热差；系统引入四个非球面来实现大视场的像差优化，畸变最终实现在74°视场内小于3％，全视场小于5％，达到高像质。

Description

光学被动消热差的低畸变广角长波非制冷红外光学系统
技术领域
本发明涉及一种光学被动消热差的低畸变广角长波非制冷红外光学系统
背景技术
随着非制冷探测器技术的成熟，长波红外非制冷光学系统在军用和民用领域均得到了广泛的应用，由于红外光学材料的折射率温度系数较大，工作温度的剧烈变化会对红外光学系统有严重的影响，引起系统焦距变化、像面漂移、成像质量下降等问题。针对这些特殊应用领域的红外光学系统必须进行无热设计，在设计的时候考虑温度变化对系统成像质量的影响，使得红外光学系统在一个较大的温度范围内均具有良好的成像质量。
非制冷成像在安保、车载等领域的应用，使其对视场的要求也越来越大，因此低畸变的大视场镜头也就有了应用市场。如何实现大视场角下的小于5％的畸变，而不被人眼明显观察到的镜头设计就是本发明专利解决的问题。。
专利CN204462514U揭露了一种无热红外镜头，由四块透镜构成，使用硫系玻璃并引入了非球面和二元光学结构(DOE)实现光学无热化设计，F数为1，畸变小于8％。虽然实现无热化设计但引入了DOE元件以及视场角不够大，同时畸变也不够低，无法实现大视场角的成像。专利US8867140B2揭露了一种低失真的无热化的成像透镜，实现了小于1％的畸变以及光学消热差，但仅应用于可见光波段。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种光学被动消热差的低畸变广角长波非制冷红外光学系统，F数为1，能够在保证光学系统光学成像质量下，实现圆视场角为83.5°超大视场成像，图像畸变在74°视场内小于3％，全视场小于5％，同时可实现在-55℃至70℃范围内清晰成像而无需调焦，可应用于15μm像元、1024×768 的探测器，也可应用于像面尺寸小于它的非制冷长波红外探测器。
技术方案
一种光学被动消热差的低畸变广角长波非制冷红外光学系统，其特征在于包括物镜组1、正透镜组2、负透镜组3和后正透镜组4；所述物镜组1包括第一负透镜101 和第二负透镜102；所述后正透镜组4包括两片弯月正透镜，第一正透镜401和第二正透镜402；按光路走向依次设置为第一负透镜101、第二负透镜102、正透镜组2、负透镜组3、第一正透镜401和第二正透镜402；所述第一负透镜101的光焦度为-0.039 至-0.041，后表面有非球面，非球面最高阶次为10阶；所述负透镜102光焦度为-0.0012 至-0.0013，前表面有非球面，非球面最高阶次为10阶；所述正透镜组2为单片双凸透镜，光焦度为0.045至0.048；所述负透镜组3光焦度为-0.0085至-0.0086；所述第一正透镜401光焦度为0.02至0.022，后表面有非球面，非球面最高阶次为10阶；所述第二正透镜402光焦度为0.028至0.029，后表面有非球面，非球面最高阶次为10 阶。
所述后正透镜组4光路后为非制冷红外焦平面探测器。
所述正透镜组2的后表面设有光阑，通过透镜隔圈口径保证其孔径大小。
所述第一负透镜101和第二正透镜402采用红外Ge玻璃材料。
所述第二负透镜102、正透镜组2和第一正透镜401采用硫系玻璃IG4。
所述负透镜组3采用红外ZnS玻璃。
所述所有透镜的表面镀增透膜。
所述表面镀增透膜的厚度为8-12μm。
所述非制冷红外焦平面探测器的探测器光窗5为厚1mm的Ge材料。
系统引入非球面，用于弥补大光焦度透镜、大光线偏转角、大像面及系统整体的像差，并依据初级像差理论实现畸变的减小，同时实现较好的像质。
光学系统依据光学无热化设计原理，使用三种材料配合铝合金镜筒，同时实现消热差和消色差，即满足消热差、消色差方程组。
有益效果
本发明提出的一种光学被动消热差的低畸变广角长波非制冷红外光学系统，应用于长波8-12μm波段的低畸变广角非制冷红外光学系统，圆视场为83.5°，F数为1，匹配15μm像元、1024×768的探测器；整个光学系统沿光线入射方向由四组6块透镜构成；系统使用了Ge、ZnS、IG4三种材料实现光学被动消热差；系统引入四个非球面来实现大视场的像差优化，畸变最终实现在74°视场内小于3％，全视场小于5％，达到高像质。
本方案的优点在于同时满足以下几点：
1、光学系统为工作在8-12μm波段的红外广角成像系统，F数为1，圆视场达到83.4°；
2、可实现-55℃至70℃范围内清晰成像而无需调焦；
3、实现图像畸变在74°视场内小于3％，全视场小于5％；
4、实现应用于大像面(15μm、1024×768像元)探测器的成像；
5、系统由6片透镜构成，体积及重量较小。
附图说明
图1是本发明的光学系统结构视图；
图2是本发明的畸变网格图；
图3是本发明的畸变随视场变化曲线；
图4是本发明的常温(20℃)MTF评价结果；
图5是本发明的-55℃MTF评价结果；
图6是本发明的70℃MTF评价结果；
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
光学系统包括镜组1、正透镜组2、负透镜组3、后正透镜组4、探测器保护光窗 5、像面6。其中物镜组1由两块负透镜101、102构成；后正透镜组4由两片弯月正透镜构成401、402构成。同一透镜实体上前表面为靠近物镜1的表面，后表面为靠近像面6的表面，以下不再赘述。
物镜组1的负透镜101，其光焦度介于-0.039到-0.041之间，由红外Ge玻璃材料构成，其表面镀增透膜(8-12μm，以下不再赘述)。其后表面有非球面，非球面最高阶次为10阶；负透镜102，其光焦度介于-0.0012到-0.0013之间，由硫系玻璃IG4构成，其表面镀增透膜。其前表面有非球面，非球面最高阶次为10阶。
正透镜组2为单片双凸透镜构成，其光焦度介于0.045到0.048之间，其表面镀增透膜，由硫系玻璃IG4构成。
负透镜组3为负透镜，光焦度介于-0.0085到-0.0086之间，其表面镀增透膜，由红外ZnS玻璃构成。
后正透镜组4中，401光焦度介于0.02到0.022之间，表面镀增透膜，由硫系玻璃IG4构成，后表面有非球面，非球面最高阶次为10阶；402光焦度介于0.028到0.029 之间，表面镀增透膜，由红外Ge玻璃材料构成，后表面有非球面，非球面最高阶次为10阶。
系统光阑位于双凸正透镜2后表面，通过透镜隔圈口径保证其孔径大小。
系统透镜最大直径41mm，总长小于73mm。
探测器光窗5为厚1mm的Ge构成。
其适用的探测器为像素数1024×768、像素大小15μm的非制冷红外焦平面探测器，适用波长：8μm-12μm。也可用于像面面积小于此探测器的其他探测器。
光学系统最终设计结果的MTF评价，表明在常温20℃、-55℃及70℃边缘视场在32lp/mm处均大于0.37。
对于全视场角83.4°的广角光学系统，畸变分析结果表明系统边缘视场畸变为 -4.89％。畸变网格模拟仿真结果如图2所示。

Claims (8)

1.一种光学被动消热差的低畸变广角长波非制冷红外光学系统，其特征在于包括物镜组[1]、正透镜组[2]、负透镜组[3]和后正透镜组[4]；所述物镜组[1]包括第一负透镜[101]和第二负透镜[102]；所述后正透镜组[4]包括两片弯月正透镜，第一正透镜[401]和第二正透镜[402]；按光路走向依次设置为第一负透镜[101]、第二负透镜[102]、正透镜组[2]、负透镜组[3]、第一正透镜[401]和第二正透镜[402]；所述第一负透镜[101]的光焦度为-0.039至-0.041，后表面有非球面，非球面最高阶次为10阶；所述负透镜[102]光焦度为-0.0012至-0.0013，前表面有非球面，非球面最高阶次为10阶；所述正透镜组[2]为单片双凸透镜，光焦度为0.045至0.048；所述负透镜组[3]光焦度为-0.0085至-0.0086；所述第一正透镜[401]光焦度为0.02至0.022，后表面有非球面，非球面最高阶次为10阶；所述第二正透镜[402]光焦度为0.028至0.029，后表面有非球面，非球面最高阶次为10阶。
2.根据权利要求1所述光学被动消热差的低畸变广角长波非制冷红外光学系统，其特征在于：所述后正透镜组[4]光路后为非制冷红外焦平面探测器。
3.根据权利要求1或2所述光学被动消热差的低畸变广角长波非制冷红外光学系统，其特征在于：所述负透镜组[3]的后表面设有光阑，通过透镜隔圈口径保证其孔径大小。
4.根据权利要求1或2所述光学被动消热差的低畸变广角长波非制冷红外光学系统，其特征在于：所述第一负透镜[101]和第二正透镜[402]采用红外Ge玻璃材料。
5.根据权利要求1或2所述光学被动消热差的低畸变广角长波非制冷红外光学系统，其特征在于：所述第二负透镜[102]、正透镜组[2]和第一正透镜[401]采用硫系玻璃IG4。
6.根据权利要求1或2所述光学被动消热差的低畸变广角长波非制冷红外光学系统，其特征在于：所述负透镜组[3]采用红外ZnS玻璃。
7.根据权利要求1或2所述光学被动消热差的低畸变广角长波非制冷红外光学系统，其特征在于：所述所有透镜的表面镀增透膜。
8.根据权利要求7所述光学被动消热差的低畸变广角长波非制冷红外光学系统，其特征在于：所述表面镀增透膜的厚度为8-12μm。
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