CN114578531A - 一种红外光学系统及红外镜头 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种红外光学系统及红外镜头，涉及红外镜头技术领域。红外光学系统包括沿光轴依次设置的第一弯月正透镜、第二弯月正透镜、第三弯月正透镜、第四弯月正透镜、第五弯月正透镜、第六弯月正透镜、双凹负透镜及双凸正透镜，所述红外光学系统还包括物侧和像侧；所述第三弯月正透镜远离所述物侧的一侧设置有第一衍射面，所述第六弯月正透镜靠近所述像侧的一侧设置有第二衍射面。本申请提供的红外光学系统可使实现光学系统的无热化效果，改善成像效果。

Description

一种红外光学系统及红外镜头
技术领域
本申请涉及红外镜头技术领域，尤其涉及一种红外光学系统及红外镜头。
背景技术
随着红外光学系统的设计及元件加工水平不断地发展成熟，使得红外光学系统的应用范围也越来越广泛，例如军事及民用领域等。
然而，现有的红外光学系统并不能满足一些性能要求较高的应用场合的无热化需求。
发明内容
本申请提供了一种红外光学系统及红外镜头，可实现光学无热化。
本申请提供了：
一种红外光学系统，包括沿光轴依次设置的第一弯月正透镜、第二弯月正透镜、第三弯月正透镜、第四弯月正透镜、第五弯月正透镜、第六弯月正透镜、双凹负透镜及双凸正透镜，所述红外光学系统还包括物侧和像侧；
其中，所述第三弯月正透镜远离所述物侧的一侧设置有第一衍射面，所述第六弯月正透镜靠近所述像侧的一侧设置有第二衍射面。
在一些可能的实施方式中，所述第一弯月正透镜的凹面和所述第二弯月正透镜的凹面均朝向所述物侧；
在所述光轴上，所述第一弯月正透镜与所述第二弯月正透镜间的空气间隙为0.28mm至0.32mm。
在一些可能的实施方式中，所述第三弯月正透镜的凹面朝向所述像侧，所述第四弯月正透镜的凹面和所述第五弯月正透镜的凹面相对设置，所述第六弯月正透镜的凹面朝向所述像侧。
在一些可能的实施方式中，在所述光轴上，所述第二弯月正透镜与所述第三弯月正透镜之间的空气间隙为0.28mm至0.32mm，所述第三弯月正透镜与所述第四弯月正透镜之间的空气间隙为17.18mm至17.22mm，所述第四弯月正透镜与所述第五弯月正透镜之间的空气间隙6.34mm至6.38mm，所述第五弯月正透镜与所述第六弯月正透镜之间的空气间隙49.98mm至50.02mm，所述第六弯月正透镜与所述双凹负透镜之间的空气间隙为1.34mm至1.38mm，所述双凹负透镜与所述双凸正透镜之间的空气间隙为1.57mm至1.61mm。
在一些可能的实施方式中，所述第一弯月正透镜、所述第三弯月正透镜、所述双凹负透镜和所述双凸正透镜均由锗单晶制成，所述第二弯月正透镜和所述第四弯月正透镜均由硒化锌制成，所述第五弯月正透镜和所述第六弯月正透镜均由硫系玻璃制成。
在一些可能的实施方式中，所述红外光学系统还包括反射镜，所述反射镜设置于所述第五弯月正透镜与所述第六弯月正透镜之间以使所述光轴转向，所述反射镜用于将所述第五弯月正透镜出射的光线反射至所述第六弯月正透镜。
在一些可能的实施方式中，所述红外光学系统还包括长波制冷型探测器，所述长波制冷型探测器设置于所述双凸正透镜远离所述双凹负透镜的一侧，所述长波制冷型探测器与所述双凸正透镜同轴。
在一些可能的实施方式中，每一衍射面的相位分布函数＝M(B1r2+B2r4)；
其中，M表示衍射级次，B1和B2均表示衍射面系数，r表示衍射面相对所述光轴的垂直高度。
在一些可能的实施方式中，所述第一衍射面的衍射级次M为1，衍射面系数B1为-56.0545，衍射面系数B2为-8.1879；
所述第二衍射面的衍射级次M为1，衍射面系数B1为-40.1772，衍射面系数B2为2.1364。
另外，本申请还提供了一种红外镜头，包括本申请所提供的所述红外光学系统。
本申请的有益效果是：本申请提出一种红外光学系统及红外镜头，红外镜头包括该红外光学系统。红外光学系统包括沿光轴依次设置的第一弯月正透镜、第二弯月正透镜、第三弯月正透镜、第四弯月正透镜、第五弯月正透镜、第六弯月正透镜、双凹负透镜及双凸正透镜。其中，在第三弯月正透镜远离物侧的一侧设置有第一衍射面，在第六弯月正透镜靠近像侧的一侧设置有第二衍射面。通过第一衍射面和第二衍射面的设置，可实现红外光学系统的消热差及消色差效果，进而可减少红外光学系统中透镜的设置数量，有利于实现光学无热化，并可提高红外光学系统的整体透过率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1示出了一些实施例中红外光学系统的结构示意图；
图2示出了一些实施例中红外光学系统的光路结构示意图；
图3示出了一些实施例中红外光学系统中各镜片的表面标注示意图；
图4示出了一些实施例中红外光学系统的调制传递函数(Modulation TransferFunction，MTF)曲线示意图；
图5示出了一些实施例中红外光学系统常温下的畸变曲线示意图；
图6示出了一些实施例中红外光学系统常温下的球差曲线示意图。
主要元件符号说明：
100-第一弯月正透镜；200-第二弯月正透镜；300-第三弯月正透镜；400-第四弯月正透镜；500-第五弯月正透镜；600-第六弯月正透镜；700-双凹负透镜；800-双凸正透镜；900-反射镜；110-长波制冷型探测器；111-杜瓦窗口；112-冷屏；113-像面；120-物侧；130-像侧。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
实施例中提供了一种红外光学系统，可用于红外镜头中，可用于红外影像的采集。
如图1和图2所示，红外光学系统可包括沿光轴L依次设置的第一弯月正透镜100、第二弯月正透镜200、第三弯月正透镜300、第四弯月正透镜400、第五弯月正透镜500、第六弯月正透镜600、双凹负透镜700及双凸正透镜800。
实施例中，红外光学系统还可包括物侧120和像侧130。其中，物侧120可指被拍摄物所在的一侧，相对应的，像侧130可指成像的一侧。实施例中，第一弯月正透镜100靠近物侧120设置，相应的，双凸正透镜800可靠近像侧130一侧设置。
可以理解的，从物侧120发出的光线可依次经过第一弯月正透镜100、第二弯月正透镜200、第三弯月正透镜300、第四弯月正透镜400、第五弯月正透镜500、第六弯月正透镜600、双凹负透镜700及双凸正透镜800，并到达像侧130进行成像。
如图1所示，在一些实施例中，第三弯月正透镜300远离物侧120的一侧设置有第一衍射面301。第六弯月正透镜600靠近像侧130的一侧设置有第二衍射面601。
其中，衍射面的负色散特性会抵消折射透镜的色散，以实现消色差效果。另外，衍射面可对红外光学系统像侧130的环境温度进行补偿。从而，可由第一衍射面301和第二衍射面601配合对红外光学系统进行消色差和消热差，使得红外光学系统可利用更少的折射透镜来实现消热差和消色差的目的。进而，可有利于红外光学系统的无热化，提高红外光学系统的透过率，改善成像效果。
此外，还可降低红外光学系统的体积及重量，使得红外光学系统更加轻便。同时，也可降低红外光学系统的加工成本。
如图1和图2所示，在一些实施例中，红外光学系统还可包括反射镜900和长波制冷型探测器110。
其中，反射镜900可用于调整光轴L的方向。具体的，反射镜900可设置于第五弯月正透镜500和第六弯月正透镜600之间，且反射镜900与光轴L之间的夹角α可设置成45°，从而可使得光轴L进行90°转向。
相应的，第一弯月正透镜100、第二弯月正透镜200、第三弯月正透镜300、第四弯月正透镜400、第五弯月正透镜500可设置于反射镜900的入射一侧，第六弯月正透镜600、双凹负透镜700和双凸正透镜800可依次设置反射镜900的出射一侧。物侧120所发射的光线可在通过第一弯月正透镜100至第五弯月正透镜500后，经过反射镜900反射到达第六弯月正透镜600，并依次经过第六弯月正透镜600、双凹负透镜700和双凸正透镜800到达像侧130进行成像。可以理解的，反射镜900的反射面可朝向第五弯月正透镜500和第六弯月正透镜600。
实施例中，通过反射镜900可使红外光学系统的光路进行90°转向，从而可有利于减小红外光学系统的体积，缩小占用空间，利于红外镜头的小型化发展，并可使其适用于更多不同的应用场景。
当然，在另一些实施例中，反射镜900与光轴L之间的夹角α不排除设置成35°、42°、46°、50°等角度。
如图1和图2所示，在一些实施例中，长波制冷型探测器110可设置于双凸正透镜800靠近像侧130的一侧，且长波制冷型探测器110与双凸正透镜800同轴。可以理解的，长波制冷型探测器110的接收端可朝向双凸正透镜800。
在一些实施例中，长波制冷型探测器110包括依次设置的杜瓦窗口111、冷屏112和像面113。其中，杜瓦窗口111可作为长波制冷型探测器110的接收端，并靠近双凸正透镜800设置。可以理解的，长波制冷型探测器110还包括有光阑(图未示)，可设置于冷屏112上。实施例中，像面113可用于成像，即红外光学系统的像侧130可指靠近像面113的一侧。实施例中，将光阑靠近红外光学系统的末端设置，即靠近像侧130的一端，可实现冷光阑效率100％，可有效减少杂散光的进入，提高红外光学系统的灵敏度。
在一些实施例中，可选用的长波制冷型探测器110的参数为：像素数为640×512，像素尺寸为15μm，光圈数(即F数)为1.6。
当然，在另一些实施例中，可选用的长波制冷型探测器110的参数为：像素数为384×288，像素尺寸为25μm，光圈数为2.5。
实施例中，长波制冷型探测器110工作于较低的温度，从而使得长波制冷型探测器110具有更高的信噪比、灵敏度更高、响应时间更短等特点，使得红外光学系统可工作于性能要求更高的应用场景，且可应用于长波红外波段的探测。
如图1所示，可以理解理解的，弯月透镜可包括一向外凸的镜面和一向内凹的镜面。在一些实施例中，第一弯月正透镜100的凹面可朝向物侧120。第二弯月正透镜200的凹面也可朝向物侧120。第三弯月正透镜300的凹面可朝向像侧130。第四弯月正透镜400的凹面可朝向像侧130。第五弯月正透镜500的凹面可朝向物侧120，即第五弯月正透镜500的凹面与第四弯月正透镜400的凹面相对设置。第六弯月正透镜600的凹面可朝向像侧130。
实施例中，使第一弯月正透镜100的凹面和第二弯月正透镜200的凹面均朝向物侧120，可确保红外光学系统具有大视场和大相对孔径。且，通过二次成像结构可有效压缩红外光学系统中光学元件的口径，进一步实现红外光学系统的小型化。
如图1所示，实施例中，在光轴L上，第一弯月正透镜100和第二弯月正透镜200间的空气间隙设置为0.28mm至0.32mm，第二弯月正透镜200与第三弯月正透镜300间的空气间隙为0.28mm至0.32mm，第三弯月正透镜300与第四弯月正透镜400间的空气间隙为17.18mm至17.22mm，第四弯月正透镜400与第五弯月正透镜500间的空气间隙为6.34mm至6.38mm，第五弯月正透镜500与第六弯月正透镜600间的空气间隙为49.98mm至50.02mm，第六弯月正透镜600与双凹负透镜700间的空气间隙为1.34mm至1.38mm，双凹负透镜700与双凸正透镜800间的空气间隙为1.57mm至1.61mm。可以理解的，第五弯月正透镜500与第六弯月正透镜600间的空气间隙可指，第五弯月正透镜500凸面在光轴L上的点与第六弯月正透镜600在光轴L上的点之间对应光轴L的长度。
示例性的，在一些实施例中，第一弯月正透镜100和第二弯月正透镜200间的空气间隙设置为0.3mm，第二弯月正透镜200与第三弯月正透镜300间的空气间隙为0.3mm，第三弯月正透镜300与第四弯月正透镜400间的空气间隙为17.2mm，第四弯月正透镜400与第五弯月正透镜500间的空气间隙为6.36mm，第五弯月正透镜500与第六弯月正透镜600间的空气间隙为50mm，第六弯月正透镜600与双凹负透镜700间的空气间隙为1.36mm，双凹负透镜700与双凸正透镜800间的空气间隙为1.59mm。
当然，在另一些实施例中，第一弯月正透镜100和第二弯月正透镜200间的空气间隙设置为0.29mm或0.32mm等，第二弯月正透镜200与第三弯月正透镜300间的空气间隙可设置为0.29mm或0.31mm等，第三弯月正透镜300与第四弯月正透镜400间的空气间隙可设置为17.18mm或17.21mm等，第四弯月正透镜400与第五弯月正透镜500间的空气间隙可设置为6.35mm或6.37mm等，第五弯月正透镜500与第六弯月正透镜600间的空气间隙可设置为49.99mm或50.01mm，第六弯月正透镜600与双凹负透镜700间的空气间隙可设置为1.34mm或1.38mm等，双凹负透镜700与双凸正透镜800间的空气间隙可设置为1.58mm或1.61mm等。
进一步的，在一些实施例中，第一弯月正透镜100可由锗单晶制成。第二弯月正透镜200可由硒化锌制成。第三弯月正透镜300可由锗单晶制成。第四弯月正透镜400可由硒化锌制成。第五弯月正透镜500可由硫系玻璃制成。第六弯月正透镜600可由硫系玻璃制成。双凹负透镜700和双凸正透镜800均可由锗单晶制成。
在另一些实施例中，第一弯月正透镜100、第三弯月正透镜300、双凹负透镜700和双凸正透镜800均不排除选用硒化锌或硫系玻璃等材料制成。第二弯月正透镜200和第四弯月正透镜400均不排除采用锗单晶或硫系玻璃等制成。第五弯月正透镜500和第六弯月正透镜600均不排除采用锗单晶或硒化锌等材料制成。
实施例中，红外光学系统所选用的材料为硒化锌、硫系玻璃和锗单晶，均为常用红外光学材料，可保证加工精度，进而确保红外光学系统的成像精度。
一并结合图1和图3所示，实施例中，各镜片(包括各透镜及位于长波制冷型探测器110中的镜片)的具体参数可设置成如下表1：
表1
Figure BDA0003542938500000101
Figure BDA0003542938500000111
实施例中，各透镜中非球面的面型方程如下：
Figure BDA0003542938500000112
其中，Z为光轴方向的位置，r为相对光轴的垂直高度，c为曲率半径，k为圆锥系数，α4、α6、α8、α10...为非球面系数。
实施例中，第一衍射面301设置于第三弯月正透镜300远离物侧120一侧的凹面上，第二衍射面601设置于第六弯月正透镜600远离物侧120一侧的凸面上。
实施例中，各非球面和衍射面的参数可设置成如下表2：
表2
Figure BDA0003542938500000113
Figure BDA0003542938500000121
实施例中，第一衍射面301和第二衍射面501的相位分布函数均满足以下关系：
相位分布函数＝B1r2+B2r4；
其中，M为衍射级次，B1、B2为衍射面系数，r为相对光轴L的垂直高度。
第一衍射面301和第二衍射面501的参数可设置成如下表3：
表3
衍射面 M B<sub>1</sub> B<sub>2</sub>
第一衍射面S6 1 -56.0545 -8.1879
第二衍射面S12 1 -40.1772 2.1364
通过以上设置，实施例中红外光学系统可具备以下光学指标：
光圈数：1.6；
全视场角＞130°；
光学畸变≤50％；
成像圆直径≥φ12.3mm；
工作光谱范围：7.7um～9.5um。
同时，如图4，示出了实施例中所提供红外光学系统的MTF曲线示意图。从中可以获知，红外光学系统具有较好的成像效果。
如图5所示，为实施例中红外光学系统在常温下的畸变曲线示意图。从中，可以看出红外光学系统具有良好的畸变特性。
如图6所示，为实施例中红外光学系统在常温下的球差示意图。从中可以看出，红外光学系统可将球差校正到0.01mm至0.03mm范围内，具有较好的校正效果。
因此，本申请提供的红外光学系统可应用于长波红外摄像头，并可至少具备以下特性：
(1)通过将靠近物侧120的两弯月正透镜的凹面朝向物侧120，可实现大视场和大相对孔径，并可缩小透镜的口径，实现红外光学系统的小型化；
(2)采用常用的红外光学材料，可确保各透镜的加工精度，进而确保整个红外光学系统的工作精度；
(3)通过设置反射镜900，可使得红外光学系统的光路进行转向，进而可进一步实现红外光学系统的小型化；
(4)本红外光学系统采用类对称的结构设置，可使得红外光学系统具有较好的畸变特性及色差特性；
(5)实施例中，通过在红外光学系统中设置衍射面，可减少红外光学系统中透镜的设置数量，实现光学无热化，提高整体透光率，同时也可降低成本及体积。
实施例中还提供了一种红外镜头，可包括实施例中提供的红外光学系统。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种红外光学系统，其特征在于，包括沿光轴依次设置的第一弯月正透镜、第二弯月正透镜、第三弯月正透镜、第四弯月正透镜、第五弯月正透镜、第六弯月正透镜、双凹负透镜及双凸正透镜，所述红外光学系统还包括物侧和像侧；
其中，所述第三弯月正透镜远离所述物侧的一侧设置有第一衍射面，所述第六弯月正透镜靠近所述像侧的一侧设置有第二衍射面。
2.根据权利要求1所述的红外光学系统，其特征在于，所述第一弯月正透镜的凹面和所述第二弯月正透镜的凹面均朝向所述物侧；
在所述光轴上，所述第一弯月正透镜与所述第二弯月正透镜间的空气间隙为0.28mm至0.32mm。
3.根据权利要求2所述的红外光学系统，其特征在于，所述第三弯月正透镜的凹面朝向所述像侧，所述第四弯月正透镜的凹面和所述第五弯月正透镜的凹面相对设置，所述第六弯月正透镜的凹面朝向所述像侧。
4.根据权利要求3所述的红外光学系统，其特征在于，在所述光轴上，所述第二弯月正透镜与所述第三弯月正透镜之间的空气间隙为0.28mm至0.32mm，所述第三弯月正透镜与所述第四弯月正透镜之间的空气间隙为17.18mm至17.22mm，所述第四弯月正透镜与所述第五弯月正透镜之间的空气间隙6.34mm至6.38mm，所述第五弯月正透镜与所述第六弯月正透镜之间的空气间隙49.98mm至50.02mm，所述第六弯月正透镜与所述双凹负透镜之间的空气间隙为1.34mm至1.38mm，所述双凹负透镜与所述双凸正透镜之间的空气间隙为1.57mm至1.61mm。
5.根据权利要求3所述的红外光学系统，其特征在于，所述第一弯月正透镜、所述第三弯月正透镜、所述双凹负透镜和所述双凸正透镜均由锗单晶制成，所述第二弯月正透镜和所述第四弯月正透镜均由硒化锌制成，所述第五弯月正透镜和所述第六弯月正透镜均由硫系玻璃制成。
6.根据权利要求1至5任一项所述的红外光学系统，其特征在于，所述红外光学系统还包括反射镜，所述反射镜设置于所述第五弯月正透镜与所述第六弯月正透镜之间以使所述光轴转向，所述反射镜用于将所述第五弯月正透镜出射的光线反射至所述第六弯月正透镜。
7.根据权利要求1所述的红外光学系统，其特征在于，所述红外光学系统还包括长波制冷型探测器，所述长波制冷型探测器设置于所述双凸正透镜远离所述双凹负透镜的一侧，所述长波制冷型探测器与所述双凸正透镜同轴。
8.根据权利要求1所述的红外光学系统，其特征在于，每一衍射面的相位分布函数＝M(B1r2+B2r4)；
其中，M表示衍射级次，B1和B2均表示衍射面系数，r表示衍射面相对所述光轴的垂直高度。
9.根据权利要求8所述的红外光学系统，其特征在于，所述第一衍射面的衍射级次M为1，衍射面系数B1为-56.0545，衍射面系数B2为-8.1879；
所述第二衍射面的衍射级次M为1，衍射面系数B1为-40.1772，衍射面系数B2为2.1364。
10.一种红外镜头，其特征在于，包括权利要求1至9任一项所述的红外光学系统。
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