CN111458843A - 一种中波红外显微镜头 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种中波红外显微镜头，该镜头在物平面O和中波制冷型探测器D之间同光轴依次设置有第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七透镜；第一、第二和第三透镜组合成第一组透镜，第四、第五透镜组合成第二组透镜，第六、第七透镜组合成第三组透镜；第一组透镜中均为物侧面为凸面，另一侧为凹面的弯月镜，其中第一和第三透镜为正透镜，第二透镜为负透镜；第四和第五透镜均为低色散材料的弯月正透镜，两透镜凹面相对,且第五透镜为0.9<透镜厚度/透镜直径<1.2的厚透镜；第六透镜为弯月正透镜，第七透镜为弯月负透镜，两透镜的物侧面为凸面，另一侧为凹面。本发明能够实现对目标的近距离高清晰度红外成像。

Description

一种中波红外显微镜头
技术领域
本发明属于镜头技术领域，涉及一种工作于中波红外波段的显微镜头。
背景技术
红外热像仪可以将物体发出的热辐射能量转化为电子信号，继而获取物体的温度分布信息。当电流通过电子元件时，部分电能会转化为内能，产生或强或弱的发热现象。在很多情况下，通过电子元件的发热情况可以评估电路的效率或进行故障的诊断。工作于中波红外波段的热像仪，通常使用制冷型探测器，噪声等效温差可以达到0.02℃以下，具有很高的温度细节分辨能力，在电路板热成像方面具有重要的潜在价值。
随着半导体器件、印刷电路板等器件技术和工艺水平的不断提升，电路板上器件尺寸越来越小，密度越来越大，器件之间的连接点也越来越小，这给热像仪成像系统带来很大挑战。普通的中波红外成像镜头，由于工作距离和放大倍率的限制，无法在近距离高性能地成像，不能分辨出一般电路板元件的温度分布细节。
发明内容：
本发明要解决的技术问题是提供一种中波红外显微镜头，该镜头可以与F/2或F/4的中波制冷型探测器配合使用，克服现有中波红外镜头成像放大倍率低的问题，有助于获取电路板等物体微小细节处的热红外图像。
为了解决上述技术问题，本发明的中波红外显微镜头，在物平面和中波制冷型探测器之间同光轴依次设置有第一透镜，第二透镜，第三透镜，第四透镜，第五透镜，第六透镜，第七透镜；第一透镜、第二透镜和第三透镜组合成第一组透镜，第四透镜和第五透镜组合成第二组透镜，第六透镜和第七透镜组合成第三组透镜，第一组透镜中的三个透镜均为物侧面为凸面，另一侧为凹面的弯月镜，第一透镜和第三透镜为正透镜，第二透镜为负透镜；第二组透镜中的第四透镜和第五透镜均为低色散材料的弯月正透镜，两透镜凹面相对,且第五透镜为0.9<透镜厚度/透镜直径<1.2的厚透镜；第三组透镜中的第六透镜为弯月正透镜，第七透镜为弯月负透镜，两透镜的物侧面为凸面，另一侧为凹面。
所述第一组透镜的组合焦距范围在60mm～70mm，第二组透镜的组合焦距在55mm～65mm，第三组透镜的组合焦距在15mm～25mm。
所述的第一透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜均采用单晶硅材料；所述的第二透镜和第七透镜采用单晶锗材料。
各透镜表面采用球面或非球面。
进一步，七个透镜光学表面的曲率半径、透镜的厚度及相邻透镜的间隔如下表，表中Ri表示第i个光学表面的曲率半径，i＝1,2，…，14；tj表示第j个透镜的厚度，j＝1,2，…，7；dn表示第n个透镜后表面到下一透镜前表面的空气间隔，n＝1,2，…，6：
表1
Figure BDA0002512701280000021
本发明工作时，镜头可对被测物1:1成像，空间分辨率可以达到15μm以下，即能分辨出被测物15μm尺度下细节的温度信息。
有益效果：
本发明采用三组透镜组合，针对F/2和F/4的中波制冷型探测器，第二组透镜采用了双片同一种低色散材料的场镜结构，两片透镜的前后表面都采用向对方弯曲的结构形式，通过其中物方的透镜来校正由于近距离成像引入的球差，通过其中像方厚透镜校正系统的场曲和像散，能够实现对目标的近距离红外成像，克服了传统中波红外镜头难以实现近距离高清晰度成像的问题。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1是本发明结构示意图。
图2是本发明的调制传递函数曲线。
图3是本发明的成像点列图。
图中:1.第一透镜，2.第二透镜，3.第三透镜，4.第四透镜，5.第五透镜，6.第六透镜，7.第七透镜，D.中波红外探测器。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
如图1所示，本发明的中波红外显微镜头，在物平面O和中波制冷型探测器D之间同光轴依次设置有第一透镜1，第二透镜2，第三透镜3，第四透镜4，第五透镜5，第六透镜6，第七透镜7；第一透镜1、第二透镜2和第三透镜3组合成第一组透镜，第四透镜4和第五透镜5组合成第二组透镜，第六透镜6和第七透镜7组合成第三组透镜；其中：第一透镜为弯月正透镜，物侧面为凸面，另一侧为凹面；第二透镜为弯月负透镜，物侧面为凸面，另一侧为凹面；第三透镜为弯月正透镜，物侧面为凸面，另一侧为凹面；第四透镜为弯月正透镜，物侧面为凸面，另一侧为凹面；第五透镜为弯月正透镜，物侧面为凹面，另一侧为凸面，其厚度满足0.9<透镜厚度/透镜直径<1.2；第六透镜为弯月正透镜，物侧面为凸面，另一侧为凹面；第七透镜为弯月负透镜，物侧面为凸面，另一侧为凹面。I为中波制冷型探测器D的感光面。
所述第一组透镜的焦距范围在60mm～70mm，第二组透镜的焦距在55mm～65mm，第三组透镜的组合焦距在15mm～25mm。
所述的第一透镜1、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5和第六透镜6均采用单晶硅材料；所述的第二透镜2和第七透镜7采用单晶锗材料。
本发明的系统设计选择的波段为3.7μm～4.8μm；适用探测器的感光面尺寸为9.6mm×7.68mm；放大倍率为1。各透镜的具体参数如表1所示。表中R表示透镜表面的曲率半径，t表示透镜的厚度，d表示该透镜后表面到下一透镜前表面的空气间隔：
表1
Figure BDA0002512701280000041
各透镜表面均可以采用球面或非球面。使用非球面成本高，但能获得更好的成像效果。
本发明镜头在中心、2mm、3mm、4.8mm、6.15mm目标高度处的调制传递函数曲线如图2所示。图中各视场在30lp/mm下调制传递函数值均高于0.6，几乎达到衍射极限，说明镜头在工作波段内全视场都具有较好的成像质量。
本发明的成像点列图如图3所示。图中的圆圈表示各视场角下的艾里斑大小。从图中可以看出，各视场下镜头的几何成像光斑都小于艾里斑的尺寸，成像像质达到了衍射极限。

Claims (5)

1.一种中波红外显微镜头，其特征在于在物平面(O)和中波制冷型探测器(D)之间同光轴依次设置有第一透镜(1)，第二透镜(2)，第三透镜(3)，第四透镜(4)，第五透镜(5)，第六透镜(6)，第七透镜(7)；第一透镜(1)、第二透镜(2)和第三透镜(3)组合成第一组透镜，第四透镜(4)和第五透镜(5)组合成第二组透镜，第六透镜(6)和第七透镜(7)组合成第三组透镜，第一组透镜中的三个透镜均为物侧面为凸面，另一侧为凹面的弯月镜，第一透镜(1)和第三透镜(3)为正透镜，第二透镜(2)为负透镜；第二组透镜中的第四透镜和第五透镜均为低色散材料的弯月正透镜，两透镜凹面相对,且第五透镜为0.9<透镜厚度/透镜直径<1.2的厚透镜；第三组透镜中的第六透镜为弯月正透镜，第七透镜为弯月负透镜，两透镜的物侧面为凸面，另一侧为凹面。
2.根据权利要求1所述的中波红外显微镜头，其特征在于所述第一组透镜的组合焦距范围在60mm～70mm，第二组透镜的组合焦距在55mm～65mm，第三组透镜的组合焦距在15mm～25mm。
3.根据权利要求1所述的中波红外显微镜头，其特征在于所述的第一透镜(1)、第三透镜(3)、第四透镜(4)、第五透镜(5)和第六透镜(6)均采用单晶硅材料；所述的第二透镜(2)和第七透镜(7)采用单晶锗材料。
4.根据权利要求1所述的中波红外显微镜头，其特征在于各透镜表面采用球面或非球面。
5.根据权利要求1所述的中波红外显微镜头，其特征在于七个透镜光学表面的曲率半径、透镜的厚度及相邻透镜的间隔如下表，表中Ri表示第i个光学表面的曲率半径，i＝1,2，…，14；tj表示第j个透镜的厚度，j＝1,2，…，7；dn表示第n个透镜后表面到下一透镜前表面的空气间隔，n＝1,2，…，6：
表1
Figure FDA0002512701270000011
Figure FDA0002512701270000021
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