CN113866937A - 一种红外双波段广角消热差共焦面光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种红外双波段广角消热差共焦面光学系统，包括沿光路顺次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜；所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜、所述第五透镜和所述第六透镜的光焦度分别相对于所述光学系统的焦距归一化后，满足如下关系：‑1≤φ₁≤‑0.5，0≤φ₂≤0.5，‑0.5≤φ₃≤0，0≤φ₄≤0.5，‑0.5≤φ₅≤0，0≤φ₆≤0.5；所述光学系统的F数满足1.5≤F≤2；所述光学系统的半视场角w满足：120°≤2w≤140°；所述光学系统的像面半径r满足：r≥12.3mm。采用共光路共焦面方式，具有体积小、成本低、透过率高等优点。同时还可以配合透镜材料的选择达到被动消热差的技术效果。

Description

一种红外双波段广角消热差共焦面光学系统

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种红外双波段广角消热差共焦面光学系统。

背景技术

目前红外双波段成像的形式主要分为分光路、部分共光路和共光路三种，分光路和部分共光路形式镜片数量多、体积大，不利于产品化应用。

红外热成像系统能否探测和识别目标，不仅取决于系统本身的性能，还与景物的辐射特性密切相关。不同目标的辐射特性，和同一目标不同温度的辐射特性均有不同，它们在中波红外和长波红外辐射强度有很大区别。另外，随着任务需求和干扰技术的提升，单一波段红外热成像很难满足使用需求。对于识别告警系统而言，要求光学系统具有大相对孔径、大视场角，以满足更大的成像告警范围和更高的灵敏度，有效降低红外告警系统虚警率。

红外告警系统往往需要工作在高低温环境中，因此红外光学系统需要进行无热化设计来满足不同的温度环境。现有方案的消热差主要针对单一波段进行无热化设计，无法满足红外双波段同时消热差成像，不符合红外双波段告警系统的环境温度需求。

因此开发高性能的双波段广角无热化光学系统具有十分重要的意义。

发明内容

本发明实施例提供一种红外双波段广角消热差共焦面光学系统，用以解决现有双波段成像中，结构复杂、可靠性低、透过率低、工作范围小的问题。

本发明实施例提供一种红外双波段广角消热差共焦面光学系统，包括沿光路顺次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜；

所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜、所述第五透镜和所述第六透镜的光焦度分别相对于所述光学系统的焦距归一化后，满足如下关系：-1≤φ₁≤-0.5，0≤φ₂≤0.5，-0.5≤φ₃≤0，0≤φ₄≤0.5，-0.5≤φ₅≤0，0≤φ₆≤0.5；

所述光学系统的F数满足1.5≤F≤2；

所述光学系统的半视场角w满足：120°≤2w≤140°；

所述光学系统的像面半径r满足：r≥12.3mm。

在一些实施例中，所述第一透镜的后表面、所述第四透镜的前表面和所述第五透镜的后表面为非球面。

在一些实施例中，所述第一透镜为凹面朝向像方的弯月型透镜，所述第二透镜为双凸型透镜，所述第三透镜为双凹型透镜，所述第四透镜为双凸型透镜，所述第五透镜为凹面朝向像方的弯月型透镜，所述第六透镜为双凸型透镜。

在一些实施例中，所述第一透镜和所述第二透镜材料为锗单晶，所述第三透镜和第四透镜材料为硫系玻璃，所述第五透镜和第六透镜材料为硫化锌。

在一些实施例中，所述的第一透镜的口径D满足：6＜D/f＜7。

在一些实施例中，还包括光阑，所述光阑设置在第六透镜的出射光路上，且光阑与制冷型探测器冷光阑重合。

在一些实施例中，所述光学系统的工作波段为3.5um～4.8um和7.7um～9.5um。

在一些实施例中，所述光学系统工作温度为-40℃～70℃，且能实现被动消热差成像。

本发明实施例的光学系统，包括沿光路顺次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、具第五透镜和第六透镜，采用共光路共焦面方式，具有体积小、成本低、透过率高等优点。同时在一些实施例中还可以配合透镜材料的选择达到被动消热差的技术效果。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本公开的光学系统的基本结构示意图。

图2、图3、图4分别为本实施例光学系统中波波段在20℃、-40℃和70℃的MTF曲线。

图5、图6、图7分别为本实施例光学系统长波波段在20℃、-40℃和70℃的MTF曲线。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本发明实施例提供一种红外双波段广角消热差共焦面光学系统，如图1所示，包括沿光路顺次设置的第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5和第六透镜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和所述第六透镜6分别相对于所述光学系统的焦距归一化后，满足如下关系：-1≤φ₁≤-0.5，0≤φ₂≤0.5，-0.5≤φ₃≤0，0≤φ₄≤0.5，-0.5≤φ₅≤0，0≤φ₆≤0.5，其中φ₁，…，φ₆分别为各透镜相对于光学系统的焦距归一化后的光焦度值。

所述光学系统的F数满足1.5≤F≤2；本发明实施例中光学系统采用小F数设计，有利于提高系统的聚光能力和分辨率；同时采用广角视场设计，显著提升工作范围，满足光学系统在告警系统中的使用需求。

所述光学系统的半视场角w满足：120°≤2w≤140°。

所述光学系统的像面半径r满足：r≥12.3mm。

本公开的光学系统采用共光路共焦面方式，具有体积小、成本低、透过率高等优点。

在一些实施例中，所述第一透镜1的后表面、所述第四透镜4的前表面和所述第五透镜5的后表面为非球面。本发明实施例中光学系统在第一透镜后表面、第四透镜前表面和第五透镜后表面分别设计非球面，主要用于校正光学系统中球差、像散及彗差。

在一些实施例中，所述第一透镜1为凹面朝向像方的弯月型透镜，所述第二透镜2为双凸型透镜，所述第三透镜3为双凹型透镜，所述第四透镜4为双凸型透镜，所述第五透镜5为凹面朝向像方的弯月型透镜，所述第六透镜6为双凸型透镜。

红外光学系统随温度变化会引起光学镜片间隔、焦面的变化，直接导致成像质量的下降。因此为了满足光学系统能够在不同环境温度正常使用，需要对光学系统进行消热差处理。在一些实施例中，所述第一透镜和所述第二透镜材料为锗单晶，所述第三透镜和第四透镜材料为硫系玻璃，所述第五透镜和第六透镜材料为硫化锌。本实施例通过光、机材料搭配，利用光、机材料自身的热胀冷缩和光学材料的热致折射率的改变，实现无热化设计，无需添加调焦机构，即可满足不同环境温度条件。在一些实施例中，所述光学系统工作温度为-40℃～70℃。在该温度范围下本实施例的光学系统能够实现成像清楚且无需调焦，提升了光学系统的环境适应性和工作范围，具有稳定、可靠、体积小的优点。

在一些实施例中，所述的第一透镜1的口径D满足：6＜D/f＜7。

在一些实施例中，还包括光阑7，所述光阑7设置在第六透镜6的出射光路上，且光阑7与制冷型探测器冷光阑重合。

在一些实施例中，所述光学系统的工作波段为3.5um～4.8um和7.7um～9.5um。

本发明实施例的光学系统，包括沿光路顺次设置的第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5和第六透镜6，采用共光路共焦面方式，具有体积小、成本低、透过率高等优点。同时在一些实施例中还可以配合透镜材料的选择达到被动消热差的技术效果。

本发明实施例还提供一种红外双波段广角消热差共焦面光学系统的实施案例，本实施例提出一种红外双波段广角消热差共焦面光学系统(以下简称光学系统)，包括由物方至像方依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、具第五透镜和第六透镜。各透镜相对于光学系统焦距归一化时的范围满足：-1≤Φ1≤-0.5，0≤Φ2≤0.5，-0.5≤Φ3≤0，0≤Φ4≤0.5，-0.5≤Φ5≤0以及0≤Φ6≤0.5。

其中光学系统F数为1.6，工作波段为3.5μm～4.8um和7.7μm～9.5um，光学系统的视场角为±65°，光学系统像面半径为12.3mm，光学系统焦距为11mm。

本实施例中第一透镜和第二透镜材料为锗单晶，所述第三透镜和第四透镜材料为硫系玻璃，所述第五透镜和第六透镜材料为硫化锌，通过不同材料的搭配，实现红外双波段的共焦面成像。同时通过材料的搭配，对光学系统进行光学无热化设计，实现光学被动式消热差功能，满足光学系统在-40℃～70℃温度范围内中长波成像质量均良好。

本实施例中光学系统包括一个光阑，设置在第六透镜后，且光阑与制冷型探测器冷光阑重合，以实现100％冷光阑效率。

本实施例中光学系统各透镜的具体参数见表1。

表1光学系统参数表

本实施例中设计了非球面，表2列出了光学系统的非球面系数。

表2非球面系数

表面	K	A	B	C	D
						S2	0	1.3549e-7	-1.0620e-9	1.7142e-12	-1.3759e-14
S7	0	-8.0452e-6	4.6816e-9	-1.1467e-13	0
						S10	0	-1.6077e-6	1.4694e-9	-4.1705e-13	0

非球面的面型方程为：

上式中，Z为非球面矢高；c为顶点曲率半径；k为圆锥曲线系数；A、B、C、D分别为非球面系数；r为非球面表面上的径向坐标。

图2、图3、图4分别为光学系统中波波段在20℃、-40℃和70℃时，光学传递函数情况。图5、图6、图7分别为光学系统长波波段在20℃、-40℃和70℃时，光学传递函数情况。从图中可以看出，在不同环境温度时，无论是中波波段还是长波波段，在空间频率20lp/mm的轴上MTF均大于0.4，轴外MTF均大于0.3，满足光学系统的使用需求。

综上，本发明的光学系统采用双波段广角共焦面形式，利用材料搭配和非球面技术进行被动消热差设计，使得系统结构简单，可靠性高，可实现在环境温度-40℃～70℃范围内实现成像清楚且无需调焦，提升了光学系统的环境适应性和工作范围。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端(可以是手机，计算机，服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (8)

1.一种红外双波段广角消热差共焦面光学系统，其特征在于，包括沿光路顺次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜；

所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜、所述第五透镜和所述第六透镜的光焦度分别相对于所述光学系统的焦距归一化后，满足如下关系：-1≤φ₁≤-0.5，0≤φ₂≤0.5，-0.5≤φ₃≤0，0≤φ₄≤0.5，-0.5≤φ₅≤0，0≤φ₆≤0.5；

所述光学系统的F数满足1.5≤F≤2；

所述光学系统的半视场角w满足：120°≤2w≤140°；

所述光学系统的像面半径r满足：r≥12.3mm。

2.如权利要求1所述的红外双波段广角共焦面光学系统，其特征在于，所述第一透镜的后表面、所述第四透镜的前表面和所述第五透镜的后表面为非球面。

3.如权利要求1所述的红外双波段广角共焦面光学系统，其特征在于，所述第一透镜为凹面朝向像方的弯月型透镜，所述第二透镜为双凸型透镜，所述第三透镜为双凹型透镜，所述第四透镜为双凸型透镜，所述第五透镜为凹面朝向像方的弯月型透镜，所述第六透镜为双凸型透镜。

4.如权利要求1所述的红外双波段广角共焦面光学系统，其特征在于，所述第一透镜和所述第二透镜材料为锗单晶，所述第三透镜和第四透镜材料为硫系玻璃，所述第五透镜和第六透镜材料为硫化锌。

5.如权利要求1所述的红外双波段广角共焦面光学系统，其特征在于，所述的第一透镜的口径D满足：6＜D/f＜7。

6.如权利要求1所述的红外双波段广角共焦面光学系统，其特征在于，还包括光阑，所述光阑设置在第六透镜的出射光路上，且光阑与制冷型探测器冷光阑重合。

7.如权利要求1所述的红外双波段广角共焦面光学系统，其特征在于，所述光学系统的工作波段为3.5um～4.8um和7.7um～9.5um。

8.如权利要求4所述的红外双波段广角共焦面光学系统，其特征在于，所述光学系统工作温度为-40℃～70℃，且能实现被动式消热差成像。

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