CN113376816A - 一种非球面短波红外镜头 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种非球面短波红外镜头，镜头包括5枚镜片，沿光线入射方向依次为正负负负正；镜头的焦距为16.8mm，F数为2.5，工作波段为短波红外波段，波长范围1000nm~2500nm，视场角16°，系统光学总长为39.4mm，其中后截距11.6mm；该镜头设计为像方远心结构，主要可以作为短波红外成像光谱仪器的望远系统，同时也可以直接作为短波红外成像系统使用；该镜头在设计过程中采用非球面技术，对各种像差均进行了校正和平衡，最终使镜头具有宽工作波段范围、大相对孔径、长后截距、像质优异、小型化和轻量化的优点。

Description

一种非球面短波红外镜头
技术领域
本发明涉及光学设计技术领域，特别涉及一种非球面短波红外镜头。
背景技术
成像光谱仪主要包括望远系统和分光系统两部分，望远系统的主要作用是对目标成像，而分光系统的主要作用是将目标的像按照不同的波长分开，可见成像光谱仪的成像质量由望远系统决定。短波红外是太阳反射光谱区中的一个波段，对于非主动照明式的光探测具有重要意义，因此短波红外成像光谱仪在诸多领域具有重要应用。近年来无人机技术迅速发展，可以挂装在无人机上的便携式短波红外成像光谱仪的研制成为研究热点。
短波红外波段范围为1000nm~2500nm，波段范围较宽导致色差校正相对比较困难。考虑到成本和可靠性等因素，能够满足短波红外波段内透过率要求的普通光学玻璃材料种类较少。同时为了适应仪器小型化、轻量化的发展方向，光学系统的体积也受到严格限制。镜头能够作为成像光谱仪的望远系统使用，需要具有像方远心的光路结构特点，而且在设计过程中要对所有类型的像差全部进行校正。综合以上各种因素，使得小型化短波红外像方远心望远镜头的设计具有一定难度。
为了克服上述缺点，设计一种新的非球面短波红外镜头。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种非球面短波红外镜头，该镜头不仅可以直接作为成像镜头使用，而且可以作为短波红外成像光谱仪的望远系统使用，该镜头具有像方远心的特点，采用非球面镜片简化了镜头结构，保证镜头的小型化和轻量化，通过光学材料的合理搭配，确保镜头光学透过率的同时实现良好的色差校正效果，最终镜头具有宽工作波段范围、大相对孔径、长后截距、像质优异、小型化和轻量化的优点。
本发明实施例中提供一种非球面短波红外镜头，其包括沿光线入射方向依次同轴排布的第一正透镜、第一负透镜、第二负透镜、第三负透镜和第二正透镜；所述第一正透镜的材料为HZK20，8mm<通光口径<9mm，5mm<厚度<6mm；所述第一负透镜的材料为HLAF62，7mm<通光口径<8mm，2mm<厚度<3mm；所述第二负透镜的材料为HBAK5，7mm<通光口径<8mm，3mm<厚度<4mm；所述第三负透镜的材料为HZF6，8mm<通光口径<9mm，1mm<厚度<2mm；所述第二正透镜的材料为HZBAF1，8mm<通光口径<9mm，7mm<厚度<8mm。前述五种光学玻璃均选自成都光明玻璃库，在保证良好的材料搭配实现色差校正效果的同时，统筹考虑了镜头的光学透过率。
可选地，所述第一正透镜的通光口径为8.2mm，厚度为5.00mm；所述第一负透镜的通光口径为7.5mm，厚度为2.68mm；所述第二负透镜的通光口径为7.4mm，厚度为3.83mm；所述第三负透镜的通光口径为8.6mm，厚度为1.50mm；所述第二正透镜的通光口径为9.7mm，厚度为7.50mm。
可选地，所述第一正透镜和所述第一负透镜组成第一个胶合透镜，所述第三负透镜和所述第二正透镜组成第二个胶合透镜。
可选地，所述第二正透镜的光线出射面的中心与像面的距离为11.6mm。
可选地，非球面短波红外镜头的外形尺寸为φ9.7×39.4mm。
可选地，非球面短波红外镜头的光学系统焦距为16.8mm，F数为2.5。
可选地，非球面短波红外镜头的光谱范围为1000nm~2500nm。
可选地，非球面短波红外镜头的全视场16°。
从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：
1.所述非球面短波红外镜头，光谱范围为1000nm~2500nm，具有像方远心结构，能够完美匹配成像光谱仪的分光系统，光学系统的焦距为16.8mm，F数为2.5，镜头集光能力强。
2.所述非球面短波红外镜头，通过非球面技术简化了光路结构，光学系统仅包括五枚镜片，系统总长39.4mm，光学口径9.7mm，满足小型化和轻量化的要去。
3.所述非球面短波红外镜头，所述第二正透镜的光线出射面的中心与像面的距离为11.6mm，为镜头与后续系统或探测器的连接留有足够空间。
4.所述非球面短波红外镜头，所述第一正透镜、所述第一负透镜、所述第二负透镜、所述第三负透镜和所述第二正透镜共五枚镜片的材料均选用成都光明玻璃库中短波红外透过率较高的普通光学玻璃，波长2400nm处10mm透过率达到0.86以上，保证了整个镜头的光学透过率。
附图说明
图1为本发明的非球面短波红外镜头的光学系统结构图；
图2为本发明的非球面短波红外镜头的点列图；
图3为本发明的非球面短波红外镜头的光学调制传递函数；
附图标记：1-第一正透镜；2-第一负透镜；3-第二负透镜；4-第三负透镜；5-第二正透镜。
具体实施方式
在为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清除、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
请参看图1，为本发明的光学系统结构图，该非球面短波红外镜头包括5片透镜，5片透镜以正负负负正的形式排列，镜片采用非球面面型，利于简化光路结构，实现更好成像质量的同时保证镜头小型化和轻量化。5片透镜包括沿光线入射方向依次同轴排布的第一正透镜1、第一负透镜2、第二负透镜3、第三负透镜4、第二正透镜5。所述第一正透镜1的材料为HZK20，8mm<通光口径<9mm，5mm<厚度<6mm；所述第一负透镜2的材料为HLAF62，7mm<通光口径<8mm，2mm<厚度<3mm；所述第二负透镜3的材料为HBAK5，7mm<通光口径<8mm，3mm<厚度<4mm；所述第三负透镜4的材料为HZF6，8mm<通光口径<9mm，1mm<厚度<2mm；所述第二正透镜5的材料为HZBAF1，8mm<通光口径<9mm，7mm<厚度<8mm。
在其中一个实施例中，所述第一正透镜1的通光口径为8.2mm，厚度为5.00mm；所述第一负透镜2的通光口径为7.5mm，厚度为2.68mm；所述第二负透镜3的通光口径为7.4mm，厚度为3.83mm；所述第三负透镜4的通光口径为8.6mm，厚度为1.50mm；所述第二正透镜5的通光口径为9.7mm，厚度为7.50mm；以此使得光学系统焦距为16.8mm，F数为2.5，全视场16°，外形尺寸为φ9.7×39.4mm，镜头具有宽工作波段范围、大相对孔径、长后截距、像质优异、小型化和轻量化的优点。
在其中一个实施例中，所述第一正透镜和所述第一负透镜组成第一个胶合透镜，所述第三负透镜和所述第二正透镜组成第二个胶合透镜，通过光学材料的合理搭配，确保色差的良好校正。
在其中一个实施例中，非球面短波红外镜头的光谱范围为1000nm~2500nm，故组成非球面短波红外镜头的5片透镜的材料，均按照透过率进行严格的挑选，最终采用的5种光学材料在2400nm处的10mm光学透过率均在0.86以上，确保了整个镜头具有较高的光学透过率。
在其中一个实施例中，所述第二正透镜的光线出射面的中心与像面的距离为11.6mm，为镜头与后续系统或探测器的连接留有足够空间，而且本发明实施例设计为像方远心的光路结构，使各个视场的主光线垂直入射到像面，满足作为成像光谱仪的望远系统的要求。
请参看图2，为本发明的光学系统的点列图，可以看出各个视场角下弥散斑RMS均小于5μm，表明光学系统的像差得到了良好的校正，成像质量优良。
请参看图3，为本发明的光学系统的光学调制传递函数，可以看出在50cycles/mm以内的空间频率范围内，各个视场的光学调制传递函数均接近于衍射极限，高于0.7，说明光学系统的成像质量已经优化到理论极限。
以下，示出非球面短波红外镜头的镜头数据。表1示出了光学系统中各个透镜的表面类型及表面参数。
表1
Figure 647961DEST_PATH_IMAGE001
本发明实施例中所采用的非球面面型公式如下：
Figure 830680DEST_PATH_IMAGE002
其中，z为非球面沿光轴方向在半径为r的位置时，距离非球面顶点的矢高；c为非球面的近轴曲率，k为圆锥系数；Ai为非球面第i阶的修正系数。
表2示出了本实施例中各个非球面的高次项系数。
表2
Figure 79259DEST_PATH_IMAGE004
本发明的所述非球面短波红外镜头，焦距为16.8mm，F数为2.5，工作波段为短波红外波段，波长范围1000nm~2500nm，视场角16°，系统光学总长为39.4mm，其中后截距11.6mm；该镜头设计为像方远心结构，主要可以作为短波红外成像光谱仪器的望远系统，同时也可以直接作为短波红外成像系统使用；该镜头在设计过程中采用非球面技术，对各种像差均进行了校正和平衡，镜头具有宽工作波段范围、大相对孔径、长后截距、像质优异、小型化和轻量化的优点。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种非球面短波红外镜头，其特征在于：包括沿光线入射方向依次同轴排布的第一正透镜、第一负透镜、第二负透镜、第三负透镜和第二正透镜；
所述第一正透镜的材料为HZK20，8mm<通光口径<9mm，5mm<厚度<6mm；
所述第一负透镜的材料为HLAF62，7mm<通光口径<8mm，2mm<厚度<3mm；
所述第二负透镜的材料为HBAK5，7mm<通光口径<8mm，3mm<厚度<4mm；
所述第三负透镜的材料为HZF6，8mm<通光口径<9mm，1mm<厚度<2mm；
所述第二正透镜的材料为HZBAF1，8mm<通光口径<9mm，7mm<厚度<8mm。
2.如权利要求1所述的非球面短波红外镜头，其特征在于：
所述第一正透镜的通光口径为8.2mm，厚度为5.00mm；
所述第一负透镜的通光口径为7.5mm，厚度为2.68mm；
所述第二负透镜的通光口径为7.4mm，厚度为3.83mm；
所述第三负透镜的通光口径为8.6mm，厚度为1.50mm；
所述第二正透镜的通光口径为9.7mm，厚度为7.50mm。
3.如权利要求1所述的非球面短波红外镜头，其特征在于：所述第一正透镜和所述第一负透镜组成第一个胶合透镜，所述第三负透镜和所述第二正透镜组成第二个胶合透镜。
4.如权利要求1所述的非球面短波红外镜头，其特征在于：所述第二正透镜的光线出射面的中心与像面的距离为11.6mm。
5.如权利要求1所述的非球面短波红外镜头，其特征在于：非球面短波红外镜头的外形尺寸为φ9.7×39.4mm。
6.如权利要求1所述的非球面短波红外镜头，其特征在于：非球面短波红外镜头的光学系统焦距为16.8mm，F数为2.5。
7.如权利要求1所述的非球面短波红外镜头，其特征在于：非球面短波红外镜头的光谱范围为1000nm~2500nm。
8.如权利要求1所述的非球面短波红外镜头，其特征在于：非球面短波红外镜头的全视场16°。
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