CN113933976B - 一种长焦距双波段红外光学系统 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种长焦距双波段红外光学系统，涉及光学技术领域，其技术方案要点是：包括：沿光轴从物侧到像侧依次排列的：具有负光焦度的第一透镜；具有正光焦度的第二透镜；具有负光焦度的第三透镜；具有正光焦度的第四透镜；所述第一透镜与所述第二透镜的组合光焦度为Φ12，整个光学系统光焦度为φ，满足：0.70≤φ12/φ≤0.85；所述第三透镜与所述第四透镜的组合光焦度为Φ34，整个光学系统光焦度为φ，满足：1.15≤φ34/φ≤1.35。本申请提供的一种长焦距双波段红外光学系统具有实现中波红外与长波红外共光路，大幅降低光学系统的空间尺寸，且成像质量优异的优点。
Description
技术领域
本申请涉及光学技术领域，具体而言，涉及一种长焦距双波段红外光学系统。
背景技术
采用中波红外和长波红外进行探测是一种常用的探测手段，然而，在传统的方案中，大部分是采用单独的光学镜头实现单一谱段的成像，随着技术的发展，红外双色探测器可以同时输出中波红外和长波红外的图像，因此降低了光学系统的复杂度，但是这也给光学系统的设计开发带来了巨大的难度，因为这意味着光学系统需要将中波红外和长波红外超宽普的信息收集到探测器靶面，因此，目前的双波探测光学系统存在聚光能力低、分辨率低、成像效果不理想等问题。
针对上述问题，发明人提出了一种长焦距双波红外光学系统来解决该问题。
发明内容
本申请的目的在于提供一种长焦距双波段红外光学系统，具有实现中波红外与长波红外共光路，大幅降低光学系统的空间尺寸，且成像质量优异的优点。
第一方面，本申请提供了一种长焦距双波段红外光学系统，技术方案如下：
包括：沿光轴从物侧到像侧依次排列的：
具有负光焦度的第一透镜，所述第一透镜靠近物侧的一面为凸面，靠近像侧的一面为凹面，所述第一透镜靠近物侧一面的曲率半径为118.046mm、通光孔径为85.2mm，靠近像侧一面的曲率半径为93.251mm、通光孔径为74.6mm；
具有正光焦度的第二透镜，所述第二透镜靠近物侧的一面为凸面，靠近像侧的一面为凹面，所述第二透镜靠近物侧一面的曲率半径为113.783mm、通光孔径为75.2mm，靠近像侧一面的曲率半径为375.655mm、通光孔径为73.2mm；
具有负光焦度的第三透镜，所述第三透镜靠近物侧的一面为平面，靠近像侧的一面为凹面，所述第三透镜靠近物侧一面的通光孔径为41.8mm，靠近像侧一面的曲率半径为67.925mm、通光孔径为40.8mm；
具有正光焦度的第四透镜，所述第四透镜靠近物侧的一面为凸面，靠近像侧的一面为平面，所述第四透镜靠近物侧一面的曲率半径为104.593mm、通光孔径为43.2mm，靠近像侧一面的通光孔径为42.4mm；
所述第一透镜与所述第二透镜的组合光焦度为Φ12，整个光学系统光焦度为φ，满足：
0.70≤φ12/φ≤0.85；
所述第三透镜与所述第四透镜的组合光焦度为Φ34，整个光学系统光焦度为φ，满足：
1.15≤φ34/φ≤1.35。
进一步地，在本申请实施例中，所述第二透镜与所述第三透镜之间设置有孔径光阑。
进一步地，在本申请中，所述第一透镜在中轴线上的厚度为18.02mm。
进一步地，在本申请中，所述第二透镜在中轴线上的厚度为10.59mm，所述第二透镜与所述第一透镜在中轴线上的间隔为4.88mm。
进一步地，在本申请中，所述第三透镜在中轴线上的厚度为4.05mm，所述第三透镜与所述孔径光阑在中轴线上的间隔为18.7mm，所述孔径光阑与所述第二透镜在中轴线上的间隔为53.61mm。
进一步地，在本申请中，所述第四透镜在中轴线上的厚度为6.35mm，所述第四透镜与所述第三透镜在中轴线上的间隔为42.58mm，所述第四透镜与像面在中轴线上的间隔为60.67mm。
进一步地，在本申请中，所述第一透镜的材料为锗玻璃材料。
进一步地，在本申请中，所述第二透镜的材料为晶体材料。
进一步地，在本申请中，所述第三透镜的材料为晶体材料。
进一步地，在本申请中，所述第四透镜的材料为晶体材料。
由上可知，本申请实施例提供的一种长焦距双波段红外光学系统，通过采用四个透镜校正两个宽谱段的色差及二级光谱，通过透镜弯曲、间隔调整用于校正球差、彗差、像散及场曲等像差，从而达到中波红外与长波红外共光路且获得质量优异的成像，具有实现中波红外与长波红外共光路，大幅降低光学系统的空间尺寸，且成像质量优异的有益效果。
本申请的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请了解。本申请的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种长焦距双波段红外光学系统示意图。
图2为本申请实施例提供的光学系统在中波红外的光学传递函数曲线分布图。
图3为本申请实施例提供的光学系统在长波红外的光学传递函数曲线分布图。
图中：100、第一透镜；200、第二透镜；300、第三透镜；400、第四透镜；500、孔径光阑。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域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，都属于本申请保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
请参照图1至图3，一种长焦距双波段红外光学系统，其技术方案具体包括：沿光轴从物侧到像侧依次排列的：
具有负光焦度的第一透镜100；
具有正光焦度的第二透镜200；
具有负光焦度的第三透镜300；
具有正光焦度的第四透镜400；
第一透镜100与第二透镜200的组合光焦度为Φ12，整个光学系统光焦度为φ，满足：
0.70≤φ12/φ≤0.85；
第三透镜300与第四透镜400的组合光焦度为Φ34，整个光学系统光焦度为φ，满足：
1.15≤φ34/φ≤1.35。
通过上述技术方案，采用四个透镜校正两个宽谱段的色差及二级光谱，通过透镜弯曲、间隔调整用于校正球差、彗差、像散及场曲等像差，从而达到中波红外与长波红外共光路且获得质量优异的成像，在满足上述关系式的情况下，不仅可以保证成像效果优秀而且可以使系统尺寸大幅缩减，具有实现中波红外与长波红外共光路，大幅降低光学系统的空间尺寸，且成像质量优异的有益效果，只需四片透镜即在满足优秀的成像质量的同时实现中波红外与长波红外共光路，在目前的现有技术中，能够实现中波红外与长波红外共光路的光学系统大多都需要五片透镜，而光学透镜的成本十分高昂，与之相比，使用本申请所记载的方案可以大幅降低制造成本。
并且，在本申请的方案中，在满足上述关系式的条件下，可以具有150mm的焦距，具有非常远的探测距离，在这个焦距下，通过四片透镜的组合仍然具有非常优秀的成像效果。如果光焦度低于上述关系式的下限，会导致光学系统的总长延长，并不是优选，如果光焦度超过上限，则光焦度过大，则产生的像差难以依靠该透镜组合进行校正，这会导致光学性能下降，因此也不是优选。
共口径中长波红外成像光学系统是解决目前分立红外光学系统体量庞大、精度不高的关键技术手段，在具体的设计应用过程中，共口径成像光路设计面临着超宽光谱的色差以及二级光谱校正难题，对于长焦距光学系统而言，校正难度更大，由于同时满足中波红外以及长波红外的高透红外材料十分有限，也加大了像差校正难度。而本申请则是通过上述技术方案成功达到了一个相对平衡的地步，在实现长焦距的同时，仍然保持有足够优秀的成像质量。
在其中一些实施例中，第二透镜200与第三透镜300之间设置有孔径光阑500。
通过上述技术方案，在第二透镜200与第三透镜300之间设置有孔径光阑500用于调节光束的强弱，孔径光阑500设置在第二透镜200与第三透镜300之间可以保证近轴条件，改善成像质量，校正像差。
在其中一些实施例中，第一透镜100靠近物侧的一面为凸面，靠近像侧的一面为凹面。
具体的，第一透镜100靠近物侧一面的曲率半径为118.046mm、通光孔径为85.2mm，靠近像侧一面的曲率半径为93.251mm、通光孔径为74.6mm。并且，第一透镜100在中轴线上的厚度为18.02mm。
在其中一些实施例中，第二透镜200靠近物侧的一面为凸面，靠近像侧的一面为凹面。
具体的，第二透镜200靠近物侧一面的曲率半径为113.783mm、通光孔径为75.2mm，靠近像侧一面的曲率半径为375.655mm、通光孔径为73.2mm。并且，第二透镜200在中轴线上的厚度为10.59mm，第二透镜200与第一透镜100在中轴线上的间隔为4.88mm。
其中，在第二透镜200与第三透镜300之间设置有孔径光阑500，具体的，孔径光阑500的通光孔径为42mm，孔径光阑500与第二透镜200在中轴线上的间隔为53.61mm。
在其中一些实施例中，第三透镜300靠近物侧的一面为平面，靠近像侧的一面为凹面。
具体的，第三透镜300靠近物侧一面的通光孔径为41.8mm，第三透镜300靠近像侧一面的曲率半径为67.925mm、通光孔径为40.8mm。并且，第三透镜300在中轴线上的厚度为4.05mm，第三透镜300与孔径光阑500在中轴线上的间隔为18.7mm。
在其中一些实施例中，第四透镜400靠近物侧的一面为凸面，靠近像侧的一面为平面。
具体的，第四透镜400靠近物侧一面的曲率半径为104.593mm、通光孔径为43.2mm，第四透镜400靠近像侧一面的通光孔径为42.4mm。并且，第四透镜400在中轴线上的厚度为6.35mm，第四透镜400与第三透镜300在中轴线上的间隔为42.58mm。
其中，像面与第四透镜400在中轴线上的间隔为60.67mm，中轴线与光轴重合。
通过上述技术方案，在对第一透镜100、第二透镜200、第三透镜300以及第四透镜400的具体参数进行设置，使红外中波与红外长波通过第一透镜100、第二透镜200、第三透镜300以及第四透镜400之后，在像面分别成像，不仅成像效果优异，而且大幅度缩减尺寸，具备大相对孔径的成像能力，聚光能力强，有效解决了现有技术中镜片多、相对孔径小、聚光能力差的问题。
在其中一些实施例中，第一透镜100的材料为锗玻璃材料。
通过上述技术方案，锗玻璃材料具有良好的机械性能与导热性能，因此将其作为第一透镜100的材料。
在其中一些实施例中，第二透镜200的材料为晶体材料。
具体的，第二透镜200的材料可以选择为硒化锌或硫化锌制成的玻璃材料。
通过上述技术方案，硒化锌或硫化锌在0.5μm~22μm的波长范围内具有良好的透射性能，并且具有光传输损耗小的等特点，其折射率、同质性和均匀性能提供优质的光学性能，因此将其作为第二透镜200的材料。
在其中一些实施例中，第三透镜300的材料为晶体材料。
具体的，第三透镜300的材料可以选择为氟化钡或氟化钙制成的玻璃材料。
通过上述技术方案，氟化钙或氟化钡具有高抗冲击和热冲击性能，在紫外、可见光、红外波段范围内均有良好的透过率，并且可以消除二级光谱，因此将其作为第三透镜300的材料。
在其中一些实施例中，第四透镜400的材料为晶体材料。
具体的，第四透镜400的材料可以选择为硒化锌或硫化锌制成的玻璃材料。
通过上述技术方案，硒化锌或硫化锌在0.5μm~22μm波长范围内具有良好的透射性能，并且具有光传输损耗小的等特点，其折射率、同质性和均匀性能提供优质的光学性能，因此将其作为第四透镜400的材料。
作为最优选的技术方案之一，该光学系统的参数设置如下表所示：
| 面序号 | 名称 | 曲率半径mm | 间隔mm | 材料 | 通光孔径mm |
| 1 | 第一透镜 | 118.046 | 18.02 | Ge | Φ85.2 |
| 2 | 93.251 | 4.88 | Φ74.6 | ||
| 3 | 第二透镜 | 113.783 | 10.59 | ZnSe | Φ75.2 |
| 4 | 375.655 | 53.61 | Φ73.2 | ||
| 5 | 孔径光阑 | ∞ | 18.70 | Φ42.0 | |
| 6 | 第三透镜 | ∞ | 4.05 | BaF2 | Φ41.8 |
| 7 | 67.925 | 42.58 | Φ40.8 | ||
| 8 | 第四透镜 | 104.593 | 6.35 | ZnS | Φ43.2 |
| 9 | ∞ | 60.67 | Φ42.4 | ||
| 10 | 像面 | ∞ | / | Φ7.0 |
值得注意的是，面序号所代表的镜面按照顺序对应为沿光轴从物侧到像侧依次排列的各透镜的镜面。
通过上述参数设置，该光学系统达到的技术指标如下：
（1）工作波段：3.7μm~4.8μm，7.7μm~9.5μm；
（2）焦距：150mm；
（3）探测器：640*512，17μm；
（4）相对孔径：F/2.0。
在本申请所记载的方案中，该光学系统可以与非制冷双色红外探测器匹配，用于航空航天或地面等多种平台，实现多波段红外成像，用于探测、监控等任务。
图2表征了本发明实施例中光学系统在中波红外的光学传递函数曲线分布，平均光学传递函数值在达到了0.63@30lp/mm，成像质量优异。
图3表征了本发明实施例长光学系统在长波红外的光学传递函数曲线分布，平均光学传递函数值达到了0.58@30lp/mm，成像质量优异。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种长焦距双波段红外光学系统，其特征在于，包括：沿光轴从物侧到像侧依次排列的：
具有负光焦度的第一透镜，所述第一透镜靠近物侧的一面为凸面，靠近像侧的一面为凹面，所述第一透镜靠近物侧一面的曲率半径为118.046mm、通光孔径为85.2mm，靠近像侧一面的曲率半径为93.251mm、通光孔径为74.6mm；
具有正光焦度的第二透镜，所述第二透镜靠近物侧的一面为凸面，靠近像侧的一面为凹面，所述第二透镜靠近物侧一面的曲率半径为113.783mm、通光孔径为75.2mm，靠近像侧一面的曲率半径为375.655mm、通光孔径为73.2mm；
具有负光焦度的第三透镜，所述第三透镜靠近物侧的一面为平面，靠近像侧的一面为凹面，所述第三透镜靠近物侧一面的通光孔径为41.8mm，靠近像侧一面的曲率半径为67.925mm、通光孔径为40.8mm；
具有正光焦度的第四透镜，所述第四透镜靠近物侧的一面为凸面，靠近像侧的一面为平面，所述第四透镜靠近物侧一面的曲率半径为104.593mm、通光孔径为43.2mm，靠近像侧一面的通光孔径为42.4mm；
所述第一透镜与所述第二透镜的组合光焦度为Φ12，整个光学系统光焦度为Φ，满足：
0.70≤Φ12/Φ≤0.85；
所述第三透镜与所述第四透镜的组合光焦度为Φ34，整个光学系统光焦度为Φ，满足：
1.15≤Φ34/Φ≤1.35；
所述第二透镜与所述第三透镜之间设置有孔径光阑；
所述第一透镜在中轴线上的厚度为18.02mm。
2.根据权利要求1所述的一种长焦距双波段红外光学系统，其特征在于，所述第二透镜在所述中轴线上的厚度为10.59mm，所述第二透镜与所述第一透镜在所述中轴线上的间隔为4.88mm。
3.根据权利要求2所述的一种长焦距双波段红外光学系统，其特征在于，所述第三透镜在所述中轴线上的厚度为4.05mm，所述第三透镜与所述孔径光阑在所述中轴线上的间隔为18.7mm，所述孔径光阑与所述第二透镜在所述中轴线上的间隔为53.61mm。
4.根据权利要求3所述的一种长焦距双波段红外光学系统，其特征在于，所述第四透镜在所述中轴线上的厚度为6.35mm，所述第四透镜与所述第三透镜在所述中轴线上的间隔为42.58mm，所述第四透镜与像面在所述中轴线上的间隔为60.67mm。
5.根据权利要求1所述的一种长焦距双波段红外光学系统，其特征在于，所述第一透镜的材料为锗玻璃材料。
6.根据权利要求1所述的一种长焦距双波段红外光学系统，其特征在于，所述第二透镜的材料为晶体材料。
7.根据权利要求1所述的一种长焦距双波段红外光学系统，其特征在于，所述第三透镜的材料为晶体材料。
8.根据权利要求1所述的一种长焦距双波段红外光学系统，其特征在于，所述第四透镜的材料为晶体材料。
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