CN115453722A - 一种高分辨率长波红外成像光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高分辨率长波红外成像光学系统，该系统沿光轴依次设置第一透镜、第二透镜、第三透镜、CCD窗口；其中第一透镜为凸面面向物方的正弯月透镜，其前表面为球面、后表面为偶次非球面；第二透镜为凸面面向物方的负弯月透镜，其前表面为偶次非球面、后表面为球面透镜；第三透镜为双凸透镜，其前表面为偶次非球面、后表面为球面透镜。本发明与传统的长波红外成像光学系统相比，在同等焦距的情况下，视场角大0.9～2倍，且在成像质量优良的前提下极大简化了光学系统的复杂程度，利于后续系统的加工及装调。
Description
技术领域
本发明属于光学设计技术领域，涉及一种高分辨率长波红外成像光学系统。
背景技术
随着红外技术中的热成像非制冷机芯靶面像元数的不断提高，人们对红外 成像光学系统的成像质量提出了更高的要求。即要求光学系统在更大的探测器 靶面(1280×1024)下有较好的成像质量。
为了满足不同工作温度要求，长波红外成像光学系统要进行消热差设计， 即光学系统成像质量不随使用环境温度的改变而降低。这就要求光学系统中光 学材料和镜头结构件的机械材料的热效应相互匹配，保证光学系统的最佳像面 位置不发生相对偏离，进而保证不同工作温度下光学系统成像质量不降低。
目前的红外成像光学系统都采用了衍射面或数量不等的非球面来实现光 学系统的无热化，这样的系统大多结构复杂，不利于后续的加工及装调。
目前的红外成像光学系统通常采用640×512或400×300像元的非制冷探 测器。在相同焦距的情况下，采用1280×1024像元非制冷探测器的光学系统的 视场是采用上述两种探测器的1.9倍～3.1倍，其优点不言而喻。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种高分辨率长波红外成像光学系统，该 系统视场大、成像质量优良，并且结构简单。
为了解决上述技术问题，本发明的高分辨率长波红外成像光学系统沿光轴 依次设置第一透镜、第二透镜、第三透镜、CCD窗口；其中第一透镜为凸面面 向物方的正弯月透镜，其前表面为球面、后表面为偶次非球面；第二透镜为凸 面面向物方的负弯月透镜，其前表面为偶次非球面、后表面为球面透镜；第三 透镜为双凸透镜，其前表面为偶次非球面、后表面为球面透镜。
所述的第一透镜前后表面的曲率半径分别为24.024mm～26.983mm和 48.921mm～55.671mm，后表面偶次非球面圆锥二次曲线系数k为-0.3299～ -0.7873，四次项系数为1.0157E-6～5.1162E-6，六次项系数为-1.343E-9～ -6.4617E-9，八次项系数为1.0012E-12～6.1646E-12；第二透镜前后表面的曲率 半径分别为32.138mm～34.873mm和12.168mm～14.862mm，前表面偶次非球 面圆锥二次曲线系数k为0.6183～0.9452，四次项系数为7.8792E-6～3.9711E-5， 六次项系数为1.0156E-8～3.6837E-8，八次项系数为1.1638E-11～8.1844E-11； 第三透镜前后表面的曲率半径分别为64.236mm～69.641mm和-95.187mm～-107.463mm，前表面偶次非球面圆锥二次曲线系数k为1.1115～2.5427，四次 项系数为-2.8718E-6～-9.3548E-6，六次项系数为-2.1681E-9～-9.4116E-9，八次 项系数为-4.8415E-13～-8.0413E-12。
所述的第一透镜厚度为6.3mm～7.7mm，第二透镜厚度为4.4mm～5.7mm， 第三透镜厚度为7mm～8.5mm。
所述的第一透镜与第二透镜之间的空气间隔为3.0mm～5.8mm，第二透镜 与第三透镜之间的空气间隔为11.6mm～13.7mm。
所述的第三透镜与CCD窗口之间的空气间隔为4.1mm～5.6mm。
所述的第一透镜、第二透镜、第三透镜材料分别选择IRG205、ZNSE和 IRG202。
所述的CCD窗口材料为Ge，厚度为1.5mm。
本发明采用分辨率1280×1024、像元间距12um的热成像非制冷探测器， 与传统采用分辨率640×512探测器的光学系统相比，在同等焦距的情况下，视 场角大0.9～2倍，且在-40℃～60℃温度范围内，光学系统成像质量接近衍射 极限；在能够同时满足光学成像系统消热差、成像质量优良的前提下极大简化 了光学系统的复杂程度，利于后续系统的加工及装调。
三个透镜光学材料为IRG205、硒化锌和IRG202，镜筒材料为铝合金，光 学系统中含3个偶次非球面，其余均为球面透镜，在满足光学系统的设计使用 要求的前提下极大的简化了系统结构、降低了成像系统的整体重量。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1是本发明的高分辨率长波红外成像光学系统结构示意图。
图2是本发明在20℃时的传函图。
图3是本发明在20℃时的点列图。
图4是本发明在20℃时的圆包围能量。
图5是本发明在20℃时的相对照度。
图6.1是本发明在-40℃时的传函图。
图6.2是本发明在-15℃时的传函图。
图6.3是本发明在10℃时的传函图。
图6.4是本发明在35℃时的传函图。
图6.5是本发明在60℃时的传函图。
图7.1是本发明在-40℃时的点列图。
图7.2是本发明在-15℃时的点列图。
图7.3是本发明在10℃时的点列图。
图7.4是本发明在35℃时的点列图。
图7.5是本发明在60℃时的点列图。
图8.1是对比例(调整半径参数等)在20℃时的传函图。
图8.2是对比例2在20℃时的传函图。
图8.3是对比例3在20℃时的传函图。
图8.4是对比例4在20℃时的传函图。
图8.5是对比例5在20℃时的传函图。
图8.6是对比例6在20℃时的传函图。
图中L1为第一透镜，L2为第2透镜，L3为第三透镜，W为CCD窗口， I为像面。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，可以理解的是，此处 所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需说 明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、 “固定”应做广义的理解，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；可以是直接连接，也可以通过中 间媒介间接连接，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，可以具体情况具体理解上述术语在本发明中的 具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上” 或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不 是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征 “之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或者 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”、“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征 水平高度小于第二特征。
在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或者位置 关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于 在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
通过对红外成像光学系统特点进行分析，并综合考虑光学系统成像质量、 复杂程度、体积重量等要求，本发明的高分辨率长波红外成像光学系统如图1 所示，沿光轴依次设置第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、CCD窗口W； 其中第一透镜L1为凸面面向物方的正弯月透镜，其前表面为球面、后表面为 偶次非球面；第二透镜L2为凸面面向物方的负弯月透镜，其前表面为偶次非 球面、后表面为球面透镜；第三透镜L3为双凸透镜，其前表面为偶次非球面、 后表面为球面透镜。
所述的偶次非球面的面型方程均满足方程式：
上述方程式中参数c为偶次非球面的曲率半径，y为径向坐标，其单位和透镜 曲率半径的单位相同；k为圆锥二次曲线系数，a1至a8分别代表径向坐标所对应 的非球面系数；本发明中α1、α5、α6、α7、α8均为0。
所述的第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3材料分别选择IRG205、ZNSE 和IRG202。
本发明在结构上采用三个单透镜的组合形式，其焦距形式为正+负+正。在 优化光学系统的过程中，不断的调整各透镜的曲率半径、中心厚度，各透镜间 的空气间隔及透镜的圆锥系数和高阶系数等参数，使系统的光学传递函数在8～ 14um的成像波段范围达到系统的衍射极限，实现高质量成像。光学系统在20℃ 时的传函图如图2所示、点列图如图3所示、圆包围能量如图4所示、相对照度如 图5所示。
配合铝合金的外壳结构，本发明的高分辨率长波红外成像光学系统可以实 现在-40℃～60℃温度范围内消热差，实现镜头的无热化。系统在-40℃、-15℃、 10℃、35℃及60℃时，光学传递函数如图6.1～6.5所示，光学系统点列图如图 7.1～7.5所示。
实施例1
本实施例1中的各光学元件的参数(半径、厚度、材料、圆锥系数等)如表 1所示，其中R为各光学表面的曲率半径，t为与后一光学表面之间的距离，α 2、α3、α4分别为径向坐标的四次方、六次方、八次方系数。
表1
本实施例能够达到下列指标：
a)焦距：35mm；
b)F/#：1；
c)波段：8～14um；
d)视场角：31.7°；
e)MTF：>0.26@42lp/mm；
f)畸变：<|1|％；
g)相对照度：>88％；
h)使用温度：-40℃～60℃
实施例2
本实施例2中的各光学元件的参数(半径、厚度、材料、圆锥系数等)如表2所示，其中R为各光学表面的曲率半径，t为与后一光学表面之间的距离，α2、α3、α4分别为径向坐标的四次方、六次方、八次方系数。
表2
本实施例能够达到下列指标：
a)焦距：35.02mm；
b)F/#：1；
c)波段：8～14um；
d)视场角：31.7°；
e)MTF：>0.25@42lp/mm；
f)畸变：<|1|％；
g)相对照度：>87％；
h)使用温度：-40℃～60℃
实施例3
本实施例3中的各光学元件的参数(半径、厚度、材料、圆锥系数等)如表3所示，其中R为各光学表面的曲率半径，t为与后一光学表面之间的距离，α2、α3、α4分别为径向坐标的四次方、六次方、八次方系数。
表3
本实施例能够达到下列指标：
a)焦距：35.05mm；
b)F/#：1；
c)波段：8～14um；
d)视场角：31.6°；
e)MTF：>0.25@42lp/mm；
f)畸变：<|1|％；
g)相对照度：>87％；
h)使用温度：-40℃～60℃
本发明的对比例1如表4所示：
表4
上述对比例1能够达到下列指标：
a)焦距：35.13mm；
b)F/#：1；
c)波段：8～14um；
d)视场角：31.68°；
e)MTF：>0.06@42lp/mm；
f)畸变：<|1.3|％；
g)相对照度：>85％；
h)使用温度：-40℃～60℃
对比例2：所述的第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3材料分别选择 IRG202、ZNSE、IRG205。经过优化后，在20℃时的传函见图8.2。
对比例3：所述的第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3材料分别选择ZNSE、IRG202、IRG205。经过优化后，在20℃时的传函见图8.3。
对比例4：所述的第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3材料分别选择GE、 ZNSE、IRG202。经过优化后，在20℃时的传函见图8.4。
对比例5：第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3材料分别选择IRG205、 ZNS、IRG205。经过优化后，在20℃时的传函见图8.5。
对比例6：偶次非球面调换到第一透镜L1前表面、第二透镜L2后表面、 第三透镜L3后表面。经过优化后，在20℃时的传函见图8.6。
Claims (7)
1.一种高分辨率长波红外成像光学系统，其特征在于沿光轴依次设置第一透镜、第二透镜、第三透镜、CCD窗口；其中第一透镜为凸面面向物方的正弯月透镜，其前表面为球面、后表面为偶次非球面；第二透镜为凸面面向物方的负弯月透镜，其前表面为偶次非球面、后表面为球面透镜；第三透镜为双凸透镜，其前表面为偶次非球面、后表面为球面透镜。
2.根据权利要求1所述的高分辨率长波红外成像光学系统，其特征在于所述的第一透镜前后表面的曲率半径分别为24.024mm～26.983mm和48.921mm～55.671mm，后表面偶次非球面圆锥二次曲线系数k为-0.3299～-0.7873，四次项系数为1.0157E-6～5.1162E-6，六次项系数为-1.343E-9～-6.4617E-9，八次项系数为1.0012E-12～6.1646E-12；第二透镜前后表面的曲率半径分别为32.138mm～34.873mm和12.168mm～14.862mm，前表面偶次非球面圆锥二次曲线系数k为0.6183～0.9452，四次项系数为7.8792E-6～3.9711E-5，六次项系数为1.0156E-8～3.6837E-8，八次项系数为1.1638E-11～8.1844E-11；第三透镜前后表面的曲率半径分别为64.236mm～69.641mm和-95.187mm～-107.463mm，前表面偶次非球面圆锥二次曲线系数k为1.1115～2.5427，四次项系数为-2.8718E-6～-9.3548E-6，六次项系数为-2.1681E-9～-9.4116E-9，八次项系数为-4.8415E-13～-8.0413E-12。
3.根据权利要求1所述的高分辨率长波红外成像光学系统，其特征在于所述的第一透镜厚度为6.3mm～7.7mm，第二透镜厚度为4.4mm～5.7mm，第三透镜厚度为7mm～8.5mm。
4.根据权利要求1所述的高分辨率长波红外成像光学系统，其特征在于所述的第一透镜与第二透镜之间的空气间隔为3.0mm～5.8mm，第二透镜与第三透镜之间的空气间隔为11.6mm～13.7mm。
5.根据权利要求1所述的高分辨率长波红外成像光学系统，其特征在于所述的第三透镜与CCD窗口之间的空气间隔为4.1mm～5.6mm。
6.根据权利要求1所述的高分辨率长波红外成像光学系统，其特征在于所述的第一透镜、第二透镜、第三透镜材料分别选择IRG205、ZNSE和IRG202。
7.根据权利要求1所述的高分辨率长波红外成像光学系统，其特征在于所述的CCD窗口材料为Ge，厚度为1.5mm。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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