CN114594581B - 一种无热化热成像光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无热化热成像光学系统，属于无热化成像技术领域，解决了现有光学系统受光照条件以及温度限制无法清晰成像且结构复杂的问题。一种无热化热成像光学系统，沿光线入射方向从物方至像方依次包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和红外焦平面探测器；所述第一透镜为凸凹形负光焦度透镜；所述第二透镜为双凸形正光焦度透镜；所述第三透镜为弯月形负光焦度透镜；所述第四透镜为弯月形正光焦度透镜。本发明的光学系统能够不受光照条件的限制实现全天候清晰成像，同时该光学系统能够适应宽温度范围环境，且整体结构小型化。

Description

一种无热化热成像光学系统
技术领域
本发明涉及无热化成像技术领域，尤其涉及一种无热化热成像光学系统。
背景技术
随着光学技术的不断发展，对光学系统的成像质量、工作温度以及体积小型化均提出更高要求。当环境温度发生变化时，由于光学系统的光学元件和机械元件产生热效应，导致光学系统的像面发生偏离，成像质量变低，最终影响成像系统的综合性能。现有的无热化光学系统会出现以下问题：
(1)现有技术为了使热成像光学系统能够适应温差大的各种环境，会采用硅、锗、硫化锌、硒化锌等晶系材料和硫化物作为热成像光学系统的透镜材料，虽然这些材料的折射率温度系数相比可见光透镜材料要大得多，但是温度变化会使最佳像面发生偏移，从而导致图像模糊进而导致成像质量下降。
(2)现有技术中为了提高光学系统的成像质量，光学系统大多采用较多个数的球面透镜来校正像差，使得所需镜片数量多，增加了光学系统整体的重量和体积以及成本。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种无热化热成像光学系统，用以解决现有光学系统受光照条件以及温度限制无法清晰成像且结构复杂的问题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
一种无热化热成像光学系统，沿光线入射方向从物方至像方依次包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和红外焦平面探测器；所述第一透镜为凸凹形负光焦度透镜；所述第二透镜为双凸形正光焦度透镜；所述第三透镜为弯月形负光焦度透镜；所述第四透镜为弯月形正光焦度透镜。
进一步地，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜采用在波长为10μm时，折射率为2.4以上的材料。
进一步地，所述第一透镜的折射率n1≥4；第二透镜的折射率n2≥2.8；第三透镜的折射率n3≥2.4；第四透镜的折射率n4≥4。
进一步地，所述光学系统的组合焦距为f，所述第一透镜的焦距f1满足：7.5≤|f1/f|≤27.6；所述第二透镜的焦距f2满足：0.9≤|f2/f|≤1.3；所述第三透镜的焦距f3满足：4.5≤|f3/f|≤38.2；所述第四透镜的焦距f4满足：2.3≤|f4/f|≤7.8。
进一步地，还包括孔径光阑，所述孔径光阑设置于所述第一透镜与所述第四透镜之间。
进一步地，所述孔径光阑设置于第二透镜的物侧面上。
进一步地，所述第一透镜的物侧面设置为球面，第一透镜的像侧面设置为非球面；所述第二透镜的物侧面设置为球面，第二透镜的像侧面设置为非球面；所述第三透镜的物侧面设置为球面，第三透镜的像侧面设置为非球面；所述第四透镜的物侧面设置为非球面，第四透镜的像侧面设置为球面。
进一步地，所述第一透镜物侧面S1的曲率半径满足460mm≤R1≤490mm；所述第一透镜像侧面S2的曲率半径满足135mm≤R2≤168mm；所述第二透镜物侧面S3的曲率半径满足51mm≤R3≤58mm；所述第二透镜像侧面S4的曲率半径满足-78mm≤R4≤-70mm；所述第三透镜物侧面S5的曲率半径满足12mm≤R5≤16mm；所述第三透镜像侧面S6的曲率半径满足11mm≤R6≤14mm；所述第四透镜物侧面S7的曲率半径满足-22mm≤R7≤-18mm；所述第四透镜像侧面S8的曲率半径满足-22mm≤R8≤-18mm。
进一步地，所述第三透镜的像侧面上设置有衍射环带。
进一步地，所述第一透镜像侧面中心与所述第二透镜物侧面中心之间的间隔d12的范围满足12.5mm≤d12≤13.9mm；所述第二透镜像侧面中心与所述第三透镜物侧面中心之间的间隔d23的范围满足0.5mm≤d23≤3.3mm，所述第三透镜像侧面中心与所述第四透镜物侧面中心之间的间隔d34的范围满足1mm≤d34≤5.2mm；所述第四透镜像侧面中心至所述红外焦平面探测器成像面之间的距离BFL的范围满足9.4mm≤BFL≤10.5mm。
与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
(1)本发明通过合理的透镜光焦度分配、搭配使用不同的晶系材料和硫化物作为热成像光学系统的透镜材料以及非球面的使用，使得本发明使用较少数量的透镜就能够实现无论在白天还是夜间均能能够对8-14μm波段的热辐射清晰成像，光学系统光学畸变小，视场范围宽并且结构简单、重量轻、成本低。
(2)本发明通过将孔径光阑位置设置在第二透镜物侧面的合理布置，使得本发明小型化夜视热成像光学系统可以接收更多的外界热辐射，并有效降低镜头光学系统各镜片的最大口径，减轻了镜片质量，有利于简化结构实现光学系统小型化。
(3)本发明在透镜表面上加工光轴为中心轴的衍射环带，使透镜表面成为衍射面，由于衍射面具有较好的校正热像差及色差特性，能够保证光学系统能在温度范围-40℃～80℃均能清晰成像，从而无需另外设计调焦机构补偿光学系统因温度变化造成的像面离焦，利于实现光学系统小型化。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明一种无热化热成像光学系统的光学系统图；
图2为本发明一种无热化热成像光学系统在-40℃下的MTF曲线图；
图3为本发明一种无热化热成像光学系统在20℃下的MTF曲线图；
图4为本发明一种无热化热成像光学系统在80℃下的MTF曲线图；
图5为本发明一种无热化热成像光学系统优选实施例的视场-畸变曲线图。
附图标记：
100-无热化热成像光学系统；
0-孔径光阑；1-第一透镜；2-第二透镜；3-第三透镜；4-第四透镜；5-红外焦平面探测器；51-探测器保护窗；52-探测器成像面；X-光轴；
S1-第一透镜物侧面；S2-第一透镜像侧面；S3-第二透镜物侧面；S4-第二透镜像侧面；S5-第三透镜物侧面；S6-第三透镜像侧面；S7-第四透镜物侧面；S8-第五透镜像侧面；S9-探测器保护窗物侧面；S10-探测器保护窗像侧面；S11-红外焦平面探测器成像面。
具体实施方式
以下结合具体实施例对一种无热化热成像光学系统作进一步的详细描述，这些实施例只用于比较和解释的目的，本发明不限定于这些实施例中。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接可以是机械连接，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。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发明中的具体含义。
全文中描述使用的术语“顶部”、“底部”、“在……上方”、“下”和“在……上”是相对于装置的部件的相对位置，例如装置内部的顶部和底部衬底的相对位置。可以理解的是装置是多功能的，与它们在空间中的方位无关。
本发明通常的工作面可以为平面或曲面，可以倾斜，也可以水平。为了方便说明，本发明实施例放置在水平面上，并在水平面上使用，并以此限定“高低”和“上下”。
本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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至少一个该特征。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，物方指的是光线入射方，像方指的是出射方，“沿光轴从物方到像方”即如图1中从左向右的方向。每片透镜的两个表面中朝向物方的表面称为物侧面，每片透镜的两个表面中朝向像方的表面称为像侧面。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发明中的具体含义。
本发明的一个具体实施例，公开了一种无热化热成像光学系统100，沿光轴X按光线入射方向从物方至像方依次包括第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4和红外焦平面探测器5。
进一步地，所述第一透镜1为凸凹形负光焦度透镜；所述第二透镜2为双凸形正光焦度透镜；所述第三透镜3为弯月形负光焦度透镜；所述第四透镜4为弯月形正光焦度透镜。
进一步地，所述第一透镜1的焦距为f1、第二透镜2的焦距为f2、第三透镜3的焦距为f3、第四透镜4的焦距为f4，以及光学系统组合焦距为f，四个透镜的焦距与光学系统组合焦距f分别满足下式：7.5≤|f1/f|≤27.6；0.9≤|f2/f|≤1.3；4.5≤|f3/f|≤38.2；2.3≤|f4/f|≤7.8。本实施例通过各透镜光焦度合理分配使得光线在无热化热成像光学系统100中平缓过渡，并能降低透镜公差敏感度，使得其对镜片加工精度要求降低，降低整体成本，同时有利于镜片加工以及光学系统装配。
进一步地，所述第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3以及第四透镜4，使用的材料是在波长10μm时，折射率为2.4以上的晶系材料或者硫系玻璃。
具体地，所述第一透镜1的折射率n1≥4，第二透镜2的折射率n2≥2.8、第三透镜3的折射率n3≥2.4；第四透镜4的折射率n4≥4。本发明仅仅通过以上四种不同特性光学材料的配合实现清晰成像，简化系统结构、减轻重量、降低成本。
值得说明的是，本发明中的硫系玻璃的折射率温度系数较小，因此在红外热成像光学系统的热离焦调整和色差校正中具有重要作用。此外，硫系玻璃的色散系数较低，即阿贝数越大，从而使得其消色差能力很强。
进一步地，所述一种无热化热成像光学系统100还包括孔径光阑0，所述孔径光阑0设置在所述第一透镜1与第四透镜4之间。
可选地，所述孔径光阑0可以布置在第一透镜1与第二透镜2之间，或者第二透镜2与第三透镜3之间，或者第三透镜3与第四透镜4之间，或者第一透镜1的物侧面S1的表面，或者第一透镜1的像侧面S2的表面，或者第二透镜2的物侧面S3的表面，或者第二透镜2的像侧面S4的表面，或者第三透镜3的物侧面S5的表面，或者第三透镜3的像侧面S6的表面，或者第四透镜4的物侧面S7的表面，或者第四透镜4的像侧面S8的表面。
优选地，所述孔径光阑0设置于第二透镜2的物侧面S3的表面，能够保证较大光通量的同时，还能有效减小光学系统的整体口径尺寸，有利于整体光学系统的小型化，同时无需单独设计孔径光阑0的配套机械件，简化结构，易于组装。
进一步地，在本实施例中，所述第一透镜1的物侧面S1设置为球面，第一透镜1的像侧面S2设置为非球面；所述第二透镜2的物侧面S3设置为球面，第二透镜2的像侧面S4设置为非球面；所述第三透镜3的物侧面S5设置为球面，第三透镜3的像侧面S6设置为非球面；所述第四透镜4的物侧面S7设置为非球面，第四透镜4的像侧面S8设置为球面。
值得说明的是，光学系统采用非球面可以校正球差、慧差、象散等像差；且相比球面透镜，非球面透镜具有更多自由度，校正像差的能力比球面透镜更强，而球面透镜若想达到同样效果，必须增加镜片及增加材料种类，这样会增加光学系统重量并使得光学系统结构复杂化，不利于光学系统实现小型化。但是非球面的加工难度大、成本高，因此需要通过球面与非球面的结合以达到最佳的效果。
进一步地，上述非球面透镜的非球面面型满足下式：
Figure GDA0004201176560000081
在公式中，Z为非球面沿光轴X方向在高度为h的位置时距非球面顶点的距离矢高(Sag)，参数C为非球面半径所对应的曲率，Y为径向坐标，系数K为圆锥二次曲线系数；n为2的倍数。
具体地，当K小于-1时，透镜的面形曲线为双曲线，当K等于-1时，透镜的面形曲线为抛物线；当K介于-1到0之间时，透镜的面形曲线为椭圆，当K等于0时，透镜的面形曲线为圆形，当K大于0时，透镜的面形曲线为扁圆形。其中，A2至An分别表示各径向坐标所对应的系数，n为2的倍数。
进一步的，本实施例各个透镜表面非球面面型参数列于表1。
表1
面序号 K A2 A4 A6 A8 A10
S2 0 0 8.231E-06 3.625E-08 -1.655E-10 4.170E-13
S4 0 0 6.909E-06 -3.506E-08 2.310E-10 -2.500E-13
S6 0 0 -2.545E-06 3.010E-07 8.128E-09 -1.114E-10
S7 0 0 -2.544E-05 -8.965E-08 4.285E-09 -8.645E-11
本实施例采用上述球面和非球面的特定结合，既提高成像质量，也有效地减少透镜数量，简化光学系统结构和减轻重量，同时控制了整体成本。
进一步地，所述第三透镜3的像侧面上设置有衍射环带，即环带形式的衍射结构，使得该像侧面S6成为衍射面。该衍射环带构造中心波长为10μm，衍射阶为+1阶，相位分布
Figure GDA0004201176560000082
满足下列表达式：
Figure GDA0004201176560000091
式中r表示透镜表面的归一化径向坐标，B1、B2为各次项系数。该衍射环带是以光轴X为中心轴的环带，通过所述衍射面能够校正热像差及色差，保证光学系统能在温度范围-40℃～80℃均能清晰成像，无需另外设计调焦机构补偿光学系统因温度变化造成的像面离焦，利于实现光学系统小型化。
具体地，所述第三透镜3的像侧面S6加工的衍射环带参数如表2所示，表2为第三透镜3的像侧面S6的衍射面参数。
表2
表面 项数 r B1 B2
S6 2 8 -35.4141 -2.8935
本实施例根据优化出的以上衍射面最优值结果，达到消热差以及消色差功能。此外，值得说明的是，衍射面具有负色差系数，而折射透镜的色差系数为正(硫系玻璃消色差能力由材料本身特性决定)，因此，本实施例通过衍射面优化的负色差，以及折射透镜的特殊的设置形成的正色差的相互抵消来实现整体的消色差效果。
进一步地，所述第一透镜1像侧面S2中心与所述第二透镜2物侧面S3中心之间的间隔d12的范围满足12.5mm≤d12≤13.9mm；所述第二透镜2像侧面S4中心与所述第三透镜3物侧面S5中心之间的间隔d23的范围满足0.5mm≤d23≤3.3mm，所述第三透镜3像侧面S6中心与所述第四透镜4物侧面S7中心之间的间隔d34的范围满足1mm≤d34≤5.2mm；所述第四透镜4像侧面S8中心至所述红外焦平面探测器5成像面之间的距离BFL的范围满足9.4mm≤BFL≤10.5mm。
进一步地，所述镜面S1的曲率半径满足460mm≤R1≤490mm；所述镜面S2的曲率半径满足135mm≤R2≤168mm；所述镜面S3的曲率半径满足51mm≤R3≤58mm；所述镜面S4的曲率半径满足-78mm≤R4≤-70mm；所述镜面S5的曲率半径满足12mm≤R5≤16mm；所述镜面S6的曲率半径满足11mm≤R6≤14mm；所述镜面S7的曲率半径满足-22mm≤R7≤-18mm；所述镜面S8的曲率半径满足-22mm≤R8≤-18mm。
进一步地，所述光学系统组合焦距f与光学系统通光口径D满足：0.9≤f/D≤1.1。
进一步地，所述红外焦平面探测器5包括探测器保护窗51和探测器成像面52，所述探测器保护窗51设置在探测器成像面52的前端，即物方的那端。
具体地，所述探测器保护窗51用来保护探测器，防止探测器在光学系统装配时候因为磕碰等原因被划伤，防止灰尘等异物吸附在成像面上；所述探测器成像面52用于光线经过光学系统汇聚在探测器成像面上成像。
进一步地，本发明能够适配1024×768阵列、像圆间距12μm的红外焦平面探测器。
优选实施例：根据本发明无热化热成像光学系统100的各个数据的设置，实施了一组优选组合，具体列与下表3所示。表3中，面序号指的是沿光轴从物面到像面将第一透镜1物侧面到红外焦平面探测器成像面52每个表面依次标号。表3中还包括：每个表面的面型、每个表面曲率半径R、每一面到下一面的距离d(包括该面到下一面的厚度或该面到下一面的间隔)、每片透镜材料以及材料波长10μm时的折射率。
表3
面序号 面型 R(mm) d(mm) 材料 折射率
S1 球面 488.8 2.4 锗单晶 4.00
S2 非球面 160.0 12.8
S3 球面 56.2 3.5 硫系玻璃 2.80
S4 非球面 -74.9 0.6
S5 球面 15.3 3.2 锗单晶 4.00
S6 非球面 12.1 5.5
S7 非球面 -20.5 2.5 锗单晶 4.00
S8 球面 -19.3 7.3
S9 平面 Infinity 1.0 锗单晶 4.00
S10 平面 Infinity 2.2
S11 / Infinity 0.0
进一步地，如图2-图4所示，为上述优选实施例中无热化热成像光学系统100分别在-40℃、20℃、80℃三个不同温度下光学设计软件仿真计算得出的调制传递函数曲线(MTF)图。曲线图中每条曲线指的是不同视场(以像高区分，如中心视场就是0mm，还有1.5mm、3mm、4.61mm、6.14mm以及边缘视场7.68mm)的调制传递函数曲线，每个视场又有子午和弧矢两个方向，其中实线为不同视场的子午方向仿真结果，虚线为不同视场的弧矢方向仿真结果。通过图2-图4的曲线图可知，本发明的无热化热成像光学系统100在-40℃-80℃温度范围内调制传递函数曲线整体均比较平缓且变化不大，综合像质良好，说明光学系统在不同温度环境均能清晰成像，且各调制传递函数曲线均接近光学系统的衍射极限，足以满足红外焦平面探测器的分辨率要求。
进一步地，如图5所示，光学系统畸变视场曲线表明光学系统成像畸变小，最大畸变≤5％，图像变形小，成像质量高。
值得说明的是，红外焦平面探测器普遍存在非均匀性的问题，因此需要对其进行非均匀性校正。本实施例第四透镜4像侧面S8中心至红外焦平面探测器成像面S11之间的距离BFL较大，较大的后截距为非均匀性校正片的安装留出空间，能够充分满足矫正快门的物理尺寸要求。
本实施例的无热化热成像光学系统100所能达到性能指标如下：焦距：17mm；相对孔径：1.0；工作波长：8μm～14μm；视场范围：40.6°(H)×30.5°(V)；光学畸变：≤5％；适配红外焦平面探测器5规格：1024×768，像圆直径为12μm；工作温度范围：-40℃～80℃。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种无热化热成像光学系统，其特征在于，沿光线入射方向从物方至像方依次包括第一透镜(1)、第二透镜(2)、第三透镜(3)、第四透镜(4)和红外焦平面探测器(5)；
所述第一透镜(1)为凸凹形负光焦度透镜；所述第二透镜(2)为双凸形正光焦度透镜；所述第三透镜(3)为弯月形负光焦度透镜；所述第四透镜(4)为弯月形正光焦度透镜；
所述第一透镜(1)的物侧面(S1)设置为球面，第一透镜(1)的像侧面(S2)设置为非球面；所述第二透镜(2)的物侧面(S3)设置为球面，第二透镜(2)的像侧面(S4)设置为非球面；所述第三透镜(3)的物侧面(S5)设置为球面，第三透镜(3)的像侧面(S6)设置为非球面；所述第四透镜(4)的物侧面(S7)设置为非球面，第四透镜(4)的像侧面(S8)设置为球面；
所述非球面的面型满足下式：
Figure FDA0004201176540000011
且所述非球面的面型参数如下表所示：
面序号 K A2 A4 A6 A8 A10 S2 0 0 8.231E-06 3.625E-08 -1.655E-10 4.170E-13 S4 0 0 6.909E-06 -3.506E-08 2.310E-10 -2.500E-13 S6 0 0 -2.545E-06 3.010E-07 8.128E-09 -1.114E-10 S7 0 0 -2.544E-05 -8.965E-08 4.285E-09 -8.645E-11
；
所述第三透镜(3)的像侧面上设置有衍射环带，所述衍射环带构造中心波长为10μm，衍射阶为+1阶，相位分布
Figure FDA0004201176540000012
满足下列表达式：
Figure FDA0004201176540000013
且所述第三透镜(3)的像侧面(S6)加工的衍射环带参数如下表所示：
表面 项数 r B1 B2 S6 2 8 -35.4141 -2.8935
。
2.根据权利要求1所述的无热化热成像光学系统，其特征在于，所述第一透镜(1)、第二透镜(2)、第三透镜(3)和第四透镜(4)采用晶系材料或者硫系玻璃材料。
3.根据权利要求2所述的无热化热成像光学系统，其特征在于，所述第一透镜(1)的折射率n1≥4；第二透镜(2)的折射率n2≥2.8；第三透镜(3)的折射率n3≥2.4；第四透镜(4)的折射率n4≥4。
4.根据权利要求1-3任一项所述的无热化热成像光学系统，其特征在于，所述光学系统的组合焦距为f，所述第一透镜(1)的焦距f1满足：7.5≤|f1/f|≤27.6；所述第二透镜(2)的焦距f2满足：0.9≤|f2/f|≤1.3；所述第三透镜(3)的焦距f3满足：4.5≤|f3/f|≤38.2；所述第四透镜(4)的焦距f4满足：2.3≤|f4/f|≤7.8。
5.根据权利要求1-3任一项所述的无热化热成像光学系统，其特征在于，还包括孔径光阑(0)，所述孔径光阑(0)设置于所述第一透镜(1)与所述第四透镜(4)之间。
6.根据权利要求5所述的无热化热成像光学系统，其特征在于，所述孔径光阑(0)设置于第二透镜(2)的物侧面(S3)上。
7.根据权利要求6所述的无热化热成像光学系统，其特征在于，所述所述第一透镜物侧面(S1)的曲率半径满足460mm≤R1≤490mm；所述第一透镜像侧面(S2)的曲率半径满足135mm≤R2≤168mm；所述第二透镜物侧面(S3)的曲率半径满足51mm≤R3≤58mm；第二透镜像侧面(S4)的曲率半径满足-78mm≤R4≤-70mm；所述第三透镜物侧面(S5)的曲率半径满足12mm≤R5≤16mm；所述第三透镜像侧面(S6)的曲率半径满足11mm≤R6≤14mm；所述第四透镜物侧面(S7)的曲率半径满足-22mm≤R7≤-18mm；所述第四透镜像侧面(S8)的曲率半径满足-22mm≤R8≤-18mm。
8.根据权利要求1-3或6任一项所述的无热化热成像光学系统，其特征在于，所述第一透镜像侧面(S2)中心与所述所述第二透镜物侧面(S3)中心之间的间隔d12的范围满足12.5mm≤d12≤13.9mm；所述第二透镜像侧面(S4)中心与所述第三透镜物侧面(S5)中心之间的间隔d23的范围满足0.5mm≤d23≤3.3mm，所述第三透镜像侧面(S6)中心与所述第四透镜物侧面(S7)中心之间的间隔d34的范围满足1mm≤d34≤5.2mm；第四透镜像侧面(S8)中心至所述红外焦平面探测器(5)成像面之间的距离BFL的范围满足9.4mm≤BFL≤10.5mm。
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