CN112684595B - 一种超大孔径广角中波制冷红外光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超大孔径广角中波制冷红外光学系统，从物方到像方依次由望远镜组G1和聚焦镜组G2组成；望远镜组G1依次由第一透镜和第二透镜组成，第一透镜为具有负光焦度的非球面透镜，第二透镜为具有正光焦度的非球面透镜；聚焦镜组G2依次由第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜组成，第三透镜、第四透镜和第六透镜均为具有正光焦度且凸面弯向物方的弯月形非球面透镜，第五透镜为具有负光焦度且凸面弯向物方的弯月形非球面透镜。上述光学系统，具有大视场和大孔径，响应灵敏度高，搜索范围大；穿透烟尘、雾霾能力强，抗非目标干扰能力强；像质优良；减少了光学系统所用镜片数量，减轻了系统总重量；同时非球面面型平缓平滑，有利于加工，提高产品良率。

Description

一种超大孔径广角中波制冷红外光学系统

技术领域

本发明涉及一种超大孔径广角中波制冷红外光学系统，属于中波制冷红外光学系统领域。

背景技术

红外热成像的应用领域，通常需要红外光学系统能够同时提供高放大倍率的小视场图像和低放大倍率的大视场图像，以完成系统对目标的搜索、瞄准和跟踪功能，大视场用于目标搜索，小视场用于仔细观察或放大目标。目前市面上主要有连续变焦和双视场镜头(或多视场镜头)来同时实现搜索瞄准和跟踪观察功能。

受限于中波制冷探测器和中波材料镜片加工等技术难点，中波制冷镜头的F数通常＞2.0，成像靶面通常＜1inch，这就很难同时兼顾大视场和长焦。

红外光学系统的大孔径(F数＜1.2)相比于传统小孔径系统能接受更多的信息，光学响应度和灵敏度大大提高，减少发现和追踪目标的时间，且抗烟尘、雾霾干扰的能力强，大视场能提高搜索和观察目标的范围。同时大孔径大视场红外光学系统对于捕捉高速移动的目标有相对于传统红外镜头有无法比拟的优势，能广泛用于夜视巡航、搜寻救援、设备巡检、农林牧渔等航空、光学雷达等领域。

发明内容

本发明提供一种本发明提供一种大孔径大视场中波制冷红外光学系统，具有成像质量好，灵敏度高，穿透烟尘、雾霾能力强，抗非目标干扰能力强的特点。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种超大孔径广角中波制冷红外光学系统，从物方到像方依次由望远镜组G1和聚焦镜组G2组成；

从物方到像方，望远镜组G1依次由第一透镜和第二透镜组成，第一透镜为具有负光焦度的非球面透镜，第二透镜为具有正光焦度的非球面透镜；

从物方到像方，聚焦镜组G2依次由第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜组成，第三透镜、第四透镜和第六透镜均为具有正光焦度且凸面弯向物方的弯月形非球面透镜，第五透镜为具有负光焦度且凸面弯向物方的弯月形非球面透镜。

上述光学系统的原理：望远镜组G1将物方广角视场进行压缩，再由G2聚焦镜组汇聚成像，其中整个光学系统的光阑位于制冷相机的冷屏处，以使达到100％冷光阑效率，减少杂散光和冷反射对成像的影响。

为了提高像质和灵敏度，上述光学系统焦距为F,望远镜组G1的放大率为Γ，聚焦镜组G2的焦距为f,2＜Γ＜4,1.0F＜f＜1.1F。

为了提高像质，优选，第一透镜的焦距为f1，-22F＜f1＜-21F；第二透镜的焦距为f2，29F＜f2＜30F；第三透镜的焦距为f3，0.65F＜f3＜0.7F；第四透镜的焦距为f4，4.5F＜f4＜4.6F；第五透镜的焦距为f5，-0.7F＜f5＜-0.65F；第六透镜的焦距为f6，7.0F＜f6＜7.2F。

上述光学系统的工作波段为2.5um～3.2um，F/#为1.13，全视场角为42.6°，响应灵敏度高，搜索范围大；穿透烟尘、雾霾能力强，抗非目标干扰能力强。

为了确保像质，各透镜所用材料为单晶锗、硅或硫化锌。优选，第一透镜、第二透镜、第五透镜和第六透镜均为单晶锗透镜；第三透镜为硅透镜；第四透镜为硫化锌透镜。

为了兼顾像质和强度等性能，第一透镜的中心厚度为9±0.02mm；第二透镜的中心厚度为1.4±0.02mm；第三透镜的中心厚度为15±0.02mm；第四透镜的中心厚度为7±0.02mm；第五透镜的中心厚度为10.8±0.02mm；第六透镜的中心厚度为9.8±0.02mm。

为了进一步确保像质，第一透镜与第二透镜的中心间隔为1.495±0.002mm；第二透镜与第三透镜的中心间隔为70.65±0.002mm；第三透镜与第四透镜的中心间隔为0.6±0.002mm；第四透镜与第五透镜的中心间隔为1.2±0.002mm；第五透镜与第六透镜的中心间隔为4.10±0.002mm。

为了进一步确保成像品质，从物方到像方，第一透镜的两面依次为第一物侧面和第一像侧面，第二透镜的两面依次为第二物侧面和第二像侧面，第三透镜的两面依次为第三物侧面和第三像侧面，第四透镜的两面依次为第四物侧面和第四像侧面，第五透镜的两面依次为第五物侧面和第五像侧面，第六透镜的两面依次为第六物侧面和第六像侧面；第一物侧面的曲率半径为807.836±0.001mm，第一像侧面的曲率半径为690.630±0.001mm；第二物侧面的曲率半径为-131.503±0.001mm，第二像侧面的曲率半径为-138.9999±0.001mm；第三物侧面的曲率半径为73.9804±0.001mm，第三像侧面的曲率半径为182.361±0.001mm；第四物侧面的曲率半径为93.5689±0.001mm，第四像侧面的曲率半径为115.4263±0.001mm；第五物侧面的曲率半径为149.8522±0.001mm，第五像侧面的曲率半径为68.6544±0.001mm；第六物侧面的曲率半径为161.3233±0.001mm，第六像侧面的曲率半径为173.1177±0.001mm。

为使光学系统获得比较好的成像质量，光学系统中使用非球面减小包括色差在内的多种像差，非球面方程为：

其中，z：镜面的凹陷度；h：镜面的孔径半径；c：曲率半径的倒数；K：圆锥系数；A、B、C、D为h的各阶系数。

本发明未提及的技术均参照现有技术。

本发明种超大孔径广角中波制冷红外光学系统，具有如下有益效果：

1.具有大视场和大孔径，响应灵敏度高，搜索范围大；相比传统广角物镜放大倍率高，细节辨识能力强；穿透烟尘、雾霾能力强，抗非目标干扰能力强；

2.采用大量非球面，像质优良；减少了光学系统所用镜片数量，减轻了系统总重量；同时非球面面型平缓平滑，有利于非球面加工，提高产品良率，有效降低生产成本，实现节能减排。

附图说明

图1为本发明光学系统示意图；

图2为本发明光学系统的光路图；

图3为本发明的光学系统成像像质点列图；

图4为本发明的光学系统成像像差光扇图；

图5为本发明的光学系统学传递函数曲线图；

图6为本发明的光学系统全视场场曲畸变图；

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

如图1-2所示，超大孔径广角中波制冷红外光学系统，从物方到像方，依次由望远镜组G1和聚焦镜组G2组成；光学系统焦距为F,望远镜组G1的放大率为Γ，聚焦镜组G2的焦距为f,2＜Γ＜4,1.0F＜f＜1.1F；从物方到像方，望远镜组G1依次由第一透镜1和第二透镜2组成，聚焦镜组G2依次由第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5和第六透镜6组成，图2中7为冷光阑，8为窗口片；设上述学系统焦距为F，第一到第六透镜的的焦距分别为f1,f2,f3,f4,f5,f6，每片透镜所具有特征如下

第一透镜为具有负光焦度、非球面位于物侧面的非球面透镜，-22F＜f1＜-21F；

第二透镜为具有正光焦度、非球面位于物侧面的非球面透镜；29F＜f2＜30F；

第三透镜为具有正光焦度、非球面位于物侧面、且凸面弯向物方的弯月形非球面透镜，0.65F＜f3＜0.7F；

第四透镜为具有正光焦度、非球面位于像侧面、且凸面弯向物方的弯月形非球面透镜，4.5F＜f4＜4.6F；

第五透镜为具有负光焦度、非球面位于物侧面、且凸面弯向物方的弯月形非球面透镜，-0.7F＜f5＜-0.65F；

第六透镜为具有正光焦度、前后两个表面都为非球面、且凸面弯向物方的弯月形双非球面透镜，7.0F＜f6＜7.2F；

表1为本实施例光学系统的技术指标，表2为本实施例光学系统的具体光学参数，表3为本实施例所述光学系统具体使用的非球面系数。

表1光学系统的技术指标

表2光学系统具体光学参数

表2中，从物方到像方，第一透镜1的两面依次为第一物侧面S1和第一像侧面S2，第二透镜2的两面依次为第二物侧面S3和第二像侧面S4，第三透镜3的两面依次为第三物侧面S5和第三像侧面S6，第四透镜4的两面依次为第四物侧面S7和第四像侧面S8，第五透镜5的两面依次为第五物侧面S9和第五像侧面S10，第六透镜6的两面依次为第六物侧面S11和第六像侧面12；厚度或间隔是指镜片中心厚度或相邻镜片的中心间隔，如S1对应的为第一透镜的中心厚度，S2对应的为第一透镜与第二透镜的中心间隔，其它以此类推；材料是镜片所用材料，空气是指两个透镜之间介质为空气。

为使光学系统获得比较好的成像质量，光学系统中使用非球面减小包括色差在内的多种像差。

表3具体实施例中使用非球面系数

表3中各表面所采用的非球面方程为：

其中各量的含义如下：

z：镜面的凹陷度；

h：镜面的孔径半径；

c：曲率半径的倒数；

K：圆锥系数；

A、B、C、D为h的各阶系数；

图3为本发明的光学系统成像像质点列图，图4为本发明的光学系统成像像差光扇图，图5为本实施例在大视场工作状态下光学传递函数曲线图。点列图像质接近衍射极限，传递函数0视场100lp＞0.5,0.7视场100lp＞0.3，60lp＞0.3，全视场光学系统的成像清晰锐利，像质优良。

Claims (8)

1.一种超大孔径广角中波制冷红外光学系统，其特征在于：从物方到像方依次由望远镜组G1和聚焦镜组G2组成；

从物方到像方，望远镜组G1依次由第一透镜和第二透镜组成，第一透镜为具有负光焦度的非球面透镜，第二透镜为具有正光焦度的非球面透镜；第一透镜为凸面弯向物方的弯月形负透镜；第二透镜为凸面弯向像方的弯月形正透镜；

从物方到像方，聚焦镜组G2依次由第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜组成，第三透镜、第四透镜和第六透镜均为具有正光焦度且凸面弯向物方的弯月形非球面透镜，第五透镜为具有负光焦度且凸面弯向物方的弯月形非球面透镜；

光学系统焦距为F，望远镜组G1的放大率为Γ，聚焦镜组G2的焦距为f,2＜Γ＜4,1.0F＜f＜1.1F；

第一透镜的焦距为f1，-22F＜f1＜-21F；第二透镜的焦距为f2，29F＜f2＜30F；第三透镜的焦距为f3，0.65F＜f3＜0.7F；第四透镜的焦距为f4，4.5F＜f4＜4.6F；第五透镜的焦距为f5，-0.7F＜f5＜-0.65F；第六透镜的焦距为f6，7.0F＜f6＜7.2F。

2.如权利要求1所述的超大孔径广角中波制冷红外光学系统，其特征在于：其工作波段为2.5um～3.2um，F数为1.13，全视场角为42.6°。

3.如权利要求1或2所述的超大孔径广角中波制冷红外光学系统，其特征在于：各透镜所用材料为单晶锗、硅或硫化锌。

4.如权利要求3所述的超大孔径广角中波制冷红外光学系统，其特征在于：第一透镜、第二透镜、第五透镜和第六透镜均为单晶锗透镜；第三透镜为硅透镜；第四透镜为硫化锌透镜。

5.如权利要求1或2所述的超大孔径广角中波制冷红外光学系统，其特征在于：第一透镜的中心厚度为9±0.02mm；第二透镜的中心厚度为1.4±0.02mm；第三透镜的中心厚度为15±0.02mm；第四透镜的中心厚度为7±0.02mm；第五透镜的中心厚度为10.8±0.02mm；第六透镜的中心厚度为9.8±0.02mm。

6.如权利要求1或2所述的超大孔径广角中波制冷红外光学系统，其特征在于：第一透镜与第二透镜的中心间隔为1.495±0.002mm；第二透镜与第三透镜的中心间隔为70.65±0.002mm；第三透镜与第四透镜的中心间隔为0.6±0.002mm；第四透镜与第五透镜的中心间隔为1.2±0.002mm；第五透镜与第六透镜的中心间隔为4.10±0.002mm。

7.如权利要求1或2所述的超大孔径广角中波制冷红外光学系统，其特征在于：从物方到像方，第一透镜的两面依次为第一物侧面和第一像侧面，第二透镜的两面依次为第二物侧面和第二像侧面，第三透镜的两面依次为第三物侧面和第三像侧面，第四透镜的两面依次为第四物侧面和第四像侧面，第五透镜的两面依次为第五物侧面和第五像侧面，第六透镜的两面依次为第六物侧面和第六像侧面；第一物侧面的曲率半径为807.836±0.001mm，第一像侧面的曲率半径为690.630±0.001mm；第二物侧面的曲率半径为-131.503±0.001mm，第二像侧面的曲率半径为-138.9999±0.001mm；第三物侧面的曲率半径为73.9804±0.001mm，第三像侧面的曲率半径为182.361±0.001mm；第四物侧面的曲率半径为93.5689±0.001mm，第四像侧面的曲率半径为115.4263±0.001mm；第五物侧面的曲率半径为149.8522±0.001mm，第五像侧面的曲率半径为68.6544±0.001mm；第六物侧面的曲率半径为161.3233±0.001mm，第六像侧面的曲率半径为173.1177±0.001mm。

8.如权利要求1或2所述的超大孔径广角中波制冷红外光学系统，其特征在于：各透镜所采用的非球面方程为：

其中，z：镜面的凹陷度；h：镜面的孔径半径；c：曲率半径的倒数；K：圆锥系数；A、B、C、D为h的各阶系数。

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