CN116560040A - 一种中波制冷红外定焦光学系统 - Google Patents

一种中波制冷红外定焦光学系统 Download PDF

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杨明长
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Abstract

本发明涉及一种中波制冷红外定焦光学系统，属于光学成像领域，解决了现有技术中镜片口径大、无法适用于模压成型工艺的问题。一种中波制冷红外定焦光学系统，沿光线入射方向自前端向后端依次包括头镜、中继转像镜组和探测器冷光阑；所述中继转像镜组能够将探测器冷光阑投影到头镜附近。本发明解决了现有技术中镜片口径大不能满足模压成型工艺条件的问题。

Description

一种中波制冷红外定焦光学系统
技术领域
本发明涉及光学定焦光学系统技术领域，尤其涉及一种中波制冷红外定焦光学系统。
背景技术
近年来，红外热成像等红外探测技术在光电产品上有着广泛应用，对于探测器来说，非制冷探测器灵敏度较低。在产品相关项目中，双视场、多视场及连续变焦红外光学系统中含有较多活动部件，设计繁杂、可靠性较低。此外，在现有定焦光学系统中，一次成像的中波红外定焦光学系统的镜片口径大，在产品空间包络内只能设计短焦距的定焦光学系统，导致其降低产品的作用距离，减弱效能，且大口径的镜片不能满足模压成型工艺的条件，加工周期长、成本高。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种中波制冷红外定焦光学系统，用以解决现有技术中口径大、不适用于模压成型工艺的问题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
一种中波制冷红外定焦光学系统，沿光线入射方向自前端向后端依次包括头镜、中继转像镜组和探测器冷光阑；所述中继转像镜组能够将探测器冷光阑投影到头镜附近。
进一步地，所述中继转像镜组自前端向后端依次包括第一中继转像镜片、第二中继转像镜片和第三中继转像镜片。
进一步地，所述第一中继转像镜片为前凹后凸的正透镜，所述第二中继转像镜片为前凹后凸的负透镜，所述第三中继转像镜片为双凸正透镜。
进一步地，所述第二中继转像镜片和第三中继转像镜片均采用硫系玻璃材料；所述第一中继转像镜片采用硅材料。
进一步地，所述头镜的折射率n1为2.62；所述第一中继转像镜片的折射率n21为3.424；所述第二中继转像镜片折射率n22为2.62；所述第三中继转像镜片折射率n23为2.62。
进一步地，所述头镜的焦距F1与中波制冷红外定焦光学系统的整组焦距F之间满足：0.43≤|F1/F|≤0.51；所述第一中继转像镜片的焦距F21与中波制冷红外定焦光学系统的整组焦距F之间满足：0.16≤|F21/F|≤0.2；所述第二中继转像镜片的焦距F22与中波制冷红外定焦光学系统的整组焦距F之间满足：0.72≤|F22/F|≤0.81；所述第三中继转像镜片的焦距F23与中波制冷红外定焦光学系统的整组焦距F之间满足：0.08≤|F23/F|≤0.13。
进一步地，所述头镜朝向像方的面、第二中继转像镜片朝向像方的面和第三中继转像镜片朝向物方的面采用非球面结构。
进一步地，所述头镜朝向像方的面和第二中继转像镜片朝向像方的面采用衍射结构。
进一步地，所述头镜镜片厚度D1的范围5.5mm≤D1≤7.2mm；所述第一中继转像镜片镜片厚度D21的范围3.0mm≤D21≤3.9mm；所述第二中继转像镜片镜片厚度D22的范围5.9mm≤D22≤7.2mm；第三中继转像镜片镜片厚度D23的范围6.0mm≤D23≤7.0mm。
进一步地，所述中继转像镜组放大倍率β范围：1.9≤β≤2.3。
与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
(1)本发明通过中继转像镜组和头镜将中波制冷红外定焦光学系统的探测器冷光阑投影到光学系统的头镜附近，能够有效缩小中波制冷定焦光学系统的头镜口径，使得在产品有限的空间包络内，可以加长定焦光学系统的焦距，从而提升系统作用距离，提高产品的效能。通过压缩头镜口径(口径小于35mm)，采用低熔点材料(例如硫系玻璃)，使光学系统镜片均能适用于目前的红外材料模压工艺，在批量生产时，可以缩短生产周期、降低生产成本。
(2)本发明中头镜与中继转像镜组之间的间隔采用钢材料的结构，而第二中继转像镜组中的各个中继转像镜片的间隔采用铝合金材料的结构，根据不同的金属材料具有不同的热膨胀系数的特点，使得不同材料在不同温度下，通过金属体积的不同变化量，调节镜片间间隔，减小像面在不同温度下的漂移量。
(3)本发明中的所述透镜和所述中继转像镜片均采用衍射面，可校正光学系统的色差，利用衍射面光热膨胀系数的特性和合理选择衍射面在光学系统中的位置，实现光学系统的无热化设计。该无热化设计，能够规避环境温度变化引起的像面漂移，保证光学系统在-40℃～60℃的环境内可实现对目标的清晰成像。无热化设计可省去用于温度补偿的调焦机构，使光学系统结构更简洁，成本更低。
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本发明的一种中波制冷红外定焦光学系统的剖面图。
附图标记：
1-头镜；2-中继转像镜组；21-第一中继转像镜片；22-第二中继转像镜片；23-第三中继转像镜片；3-探测器冷光阑；
S1：头镜1朝向物方的面，S2：头镜1朝向像方的面，S3：第一中继转像镜片21朝向物方的面，S4：第一中继转像镜片21朝向像方的面，S5：第二中继转像镜片22朝向物方的面，S6：第二中继转像镜片22朝向像方的面，S7：第三中继转像镜片23朝向物方的面，S8：第三中继转像镜片23朝向像方的面。
具体实施方式
以下结合具体实施例对一种宽光谱微光成像装置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”。
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。
本发明的一个具体实施例，公开了一种中波制冷红外定焦光学系统，所述中波制冷红外定焦光学系统沿光线入射方向自前端向后端(图1中从左至右)依次包括头镜1、中继转像镜组2和探测器冷光阑3，所述中继转像镜组2将探测器冷光阑3投影到中波制冷红外定焦光学系统的头镜1附近，有效减小中波制冷型定焦光学系统的头镜1口径，使其可以适用于模压成型工艺，即头镜1的口径小于35mm口径的条件。
进一步地，所述头镜1为前凸后凹的透镜，采用硫系玻璃材料，所述头镜1朝向像方的面S2采用非球面和衍射结构。所述头镜1的焦距F1与中波制冷红外定焦光学系统的整组焦距F之间可满足：0.43≤|F1/F|≤0.51。
进一步地，所述中继转像镜组2自前端向后端依次包括第一中继转像镜片21、第二中继转像镜片22和第三中继转像镜片23；所述第一中继转像镜片21为前凹后凸的正透镜，所述第二中继转像镜片22为前凹后凸的负透镜，所述第三中继转像镜片23为双凸正透镜。
具体地，所述第二中继转像镜片22和第三中继转像镜片23均采用了适合模压的硫系玻璃材料；所述第一中继转像镜片21采用的材料为硅。
进一步地，所述头镜1的折射率n1为2.62；所述第一中继转像镜片21的折射率n21为3.424；所述第二中继转像镜片22折射率n22为2.62；所述第三中继转像镜片23折射率n23为2.62。
进一步地，所述头镜1镜片厚度D1的范围5.5mm≤D1≤7.2mm；所述第一中继转像镜片21镜片厚度D21的范围3.0mm≤D21≤3.9mm；所述第二中继转像镜片22镜片厚度D22的范围5.9mm≤D22≤7.2mm；第三中继转像镜片23镜片厚度D23的范围6.0mm≤D23≤7.0mm。
进一步地，头镜1朝向物方的面为S1，头镜1朝向像方的面为S2，第一中继转像镜片21朝向物方的面为S3，第一中继转像镜片21朝向像方的面为S4，第二中继转像镜片22朝向物方的面为S5，第二中继转像镜片22朝向像方的面为S6，第三中继转像镜片23朝向物方的面为S7，第三中继转像镜片23朝向像方的面为S8。
进一步地，所述镜面S1的曲率半径满足54mm≤R1≤60mm；所述镜面S2的曲率半径满足120mm≤R2≤126mm；所述镜面S3的曲率半径满足300mm≤R3≤370mm；所述镜面S4的曲率半径满足-74mm≤R4≤-70mm；所述镜面S5的曲率半径满足-8mm≤R5≤-7mm；所述镜面S6的曲率半径满足-15mm≤R6≤-10mm；所述镜面S7的曲率半径满足15mm≤R7≤20mm；所述镜面S8的曲率半径满足40mm≤R8≤48mm。
进一步地，所述第一中继转像镜片21的焦距F21与中波制冷红外定焦光学系统的整组焦距F之间可满足：0.16≤|F21/F|≤0.2；所述第二中继转像镜片22的焦距F22与中波制冷红外定焦光学系统的整组焦距F之间可满足：0.72≤|F22/F|≤0.81；所述第三中继转像镜片23的焦距F23与中波制冷红外定焦光学系统的整组焦距F之间可满足：0.08≤|F23/F|≤0.13。
进一步地，所述第二中继转像镜片22朝向像方的面S6采用衍射结构及非球面结构；第三中继转像镜片23朝向物方的面S7采用非球面结构。
对于本实施例中的非球面结构Z满足的公式如下：
其中，Z为非球面沿光轴方向在高度为h的位置时，距非球面顶点的距离矢高；c为非球面的近轴曲率，c＝1/R(即，近轴曲率c为曲率半径R的倒数)；r为径向坐标，k为圆锥系数；a1、a2、a3、a4均为高次项系数；其中m为自然数，n＝2m。
对于本申请中的衍射结构满足的公式如下：
其中，Φ为相位，M为衍射级，ρ为归一化半口径，N是多项式系数的个数，Ai为多次项系数；其中i为自然数。
进一步地，头镜1的一次像面位于所述头镜1和所述中继转像镜组2之间，且与所述头镜1和所述中继转像镜组2中的第一中继转像镜片21的表面距离均大于或等于3.5mm。
进一步地，所述头镜1与所述中继转像镜组2的间隔L1与头镜1的光学总长度TTL之间可满足：0.47≤L1/TTL≤0.6，且所述头镜1与所述中继转像镜组2的间隔采用钢材料结构；所述中继转像镜片3与所述探测器冷光阑的间隔L2＞7.5mm。
进一步地，所述第一中继转像镜片21、第二中继转像镜片22和第三中继转像镜片23间的间隔采用铝合金材料结构。
值得说明的是，头镜1与中继转像镜组2之间的间隔采用钢材料的结构设计，而中继转像镜组2中的各个中继转像镜片的间隔采用铝合金材料的结构设计；在不同的温度环境下，钢和铝合金材料做成的结构件发生热胀冷缩现象，镜片间隔会随结构件变化，达到减小像面漂移的作用。
进一步地，所述中继转像镜组2与所述头镜1配合，选取所述中继转像镜组2放大倍率1.9≤β≤2.3，将探测器冷光阑3投影到所述头镜1附近，压缩光束占用头镜1的口径，使头镜1的口径不大于35mm，最终实现中波制冷红外定焦光学系统中所有镜片的口径均不大于35mm，使镜片零件均可适用于目前的红外材料模压成型工艺(目前的红外材料模压成型工艺只能加工35mm口径内的镜片)。
具体地，所述红外材料模压成型工艺，区别于常规的光学冷加工和金刚石车工艺，在批量生产过程中，可大幅降低加工成本，但目前模压成型工艺只可加工口径≤35mm的镜片。
值得说明的是，本发明中所述头镜1朝向像方的面S2和所述第二中继转像镜片22朝向像方的面S6均采用衍射面，可有效校正光学系统的色差，利用衍射面光热膨胀系数的特性以及最佳衍射面在光学系统中的位置，实现光学系统的无热化设计。
进一步地，通过上述的镜片材料选择，面型设计，间隔优化及衍射结构的热特性，配合镜筒、隔圈和压圈使用不同的金属材料，共同实现光学系统的无热化设计，规避环境温度变化引起的像面漂移，设计保证光学系统在-40℃～60℃的环境内可实现对目标的清晰成像。无热化设计可省去用于温度补偿的调焦机构，使光学系统结构更简洁，成本更低。
实施例1
表1给出了实施例1中各个面的透镜曲率半径R、到下一面的厚度T或到下一面的距离L，其中曲率半径R、厚度T和距离L的单位均为mm。
表1
本实施例采用上述四片不同的透镜，通过合理分配各个透镜的光焦度与面型，各透镜的中心厚度以及各透镜间的空气间隔，使得光学系统具有镜片公差容限高、镜头装配良品率高、头镜口径小等有益效果。其中，各非球面面型Z由以下公式限定：
具体地，所述第三中继转像镜片23朝向物方的面S7的非球面面型高次项系数参数设置如下：
面号 a1 a2 a3 a4
S7 / -2.0626E-005 -1.4091E-010 -2.464E-010
各非球面型Z以及衍射结构由以下两组公式限定
具体地，本实施例中的非球面透镜表面设置在头镜1朝向像方的面S2和第二中继转像镜片22朝向像方的面S6，其非球面面型高次项系数a1、a2、a3、a4的各个参数以及衍射结构多次项系数Ai设置如下：：
面号 a1 a2 a3 a4 M ρ A1 A2
S2 / 2.4053E-007 -5.3647E-011 -3.9182E-015 1 18 -33.72 -6.37
S6 / -1.7353E-006 1.2336E-008 1.0097E-010 1 10 -45 /
值得说明的是，镜片的非球面可提供更多参数，为光学设计提供更多的自由度，便于光学系统整体设计。因此，本实施例在上述的非球面面型以及衍射面结构的参数下，便于光学系统的无热化设计。
具体来说，所述透镜1和所述第三中继转像镜片23采用衍射面，可校正光学系统的色差，利用衍射面光热膨胀系数的特性和合理选择衍射面在光学系统中的位置，实现光学系统的无热化设计。该无热化设计，为规避环境温度变化引起的像面漂移，设计保证光学系统在-40℃～60℃的环境内可实现对目标的清晰成像。无热化设计可省去用于温度补偿的调焦机构，使光学系统结构更简洁，成本更低。
本实施例的红外定焦光学系统达到了以下技术指标：焦距137mm，相对孔径D/f为1/4；适配640×512中波制冷型F4的探测器，镜片材料和口径均能适用目前的红外材料模压成型工艺。
本发明的一个实施例，提供一种可用于产品的低成本中波红外定焦光学系统，适用于640×512规格中波制冷探测器，尽可能提高探测作用距离和提高像质的基础上，通过中继转像镜组对探测器冷光阑投影到光学系统的头镜附近，有效减小中波制冷型定焦光学系统的头镜口径，设计口径为34.5mm，使镜片适用于目前的模压成型工艺；定焦光学系统采用匹配结构材料和光学材料、分配镜片焦距、使用衍射结构多种方法补偿温度变化造成的非齐焦性，满足-40℃～+60℃的工作温度成像需求。其中，非齐焦性是指在高低温情况下，由于材料的热障冷缩，光学系统发生离焦，光学系统在高低温条件下产生非齐焦性，使得光学系统只能在常温条件下成像清晰，在高低温环境下，成像模糊。
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 (10)

1.一种中波制冷红外定焦光学系统，其特征在于，沿光线入射方向自前端向后端依次包括头镜(1)、中继转像镜组(2)和探测器冷光阑(3)；所述中继转像镜组(2)能够将探测器冷光阑(3)投影到头镜(1)附近。
2.根据权利要求1所述的中波制冷红外定焦光学系统，其特征在于，所述中继转像镜组(2)自前端向后端依次包括第一中继转像镜片(21)、第二中继转像镜片(22)和第三中继转像镜片(23)。
3.根据权利要求2所述的中波制冷红外定焦光学系统，其特征在于，所述第一中继转像镜片(21)为前凹后凸的正透镜，所述第二中继转像镜片(22)为前凹后凸的负透镜，所述第三中继转像镜片(23)为双凸正透镜。
4.根据权利要求2或3任一项所述的中波制冷红外定焦光学系统，其特征在于，所述第二中继转像镜片(22)和第三中继转像镜片(23)均采用硫系玻璃材料；所述第一中继转像镜片(21)采用硅材料。
5.根据权利要求4所述的中波制冷红外定焦光学系统，其特征在于，所述头镜(1)的折射率n1为2.62；所述第一中继转像镜片(21)的折射率n21为3.424；所述第二中继转像镜片(22)折射率n22为2.62；所述第三中继转像镜片(23)折射率n23为2.62。
6.根据权利要求2或3所述的中波制冷红外定焦光学系统，其特征在于，所述头镜(1)的焦距F1与中波制冷红外定焦光学系统的整组焦距F之间满足：0.43≤|F1/F|≤0.51；所述第一中继转像镜片(21)的焦距F21与中波制冷红外定焦光学系统的整组焦距F之间满足：0.16≤|F21/F|≤0.2；所述第二中继转像镜片(22)的焦距F22与中波制冷红外定焦光学系统的整组焦距F之间满足：0.72≤|F22/F|≤0.81；所述第三中继转像镜片(23)的焦距F23与中波制冷红外定焦光学系统的整组焦距F之间满足：0.08≤|F23/F|≤0.13。
7.根据权利要求2、3或5任一项所述的中波制冷红外定焦光学系统，其特征在于，所述头镜(1)朝向像方的面(S2)、第二中继转像镜片(22)朝向像方的面(S6)和第三中继转像镜片(23)朝向物方的面(S7)采用非球面结构。
8.根据权利要求7所述的中波制冷红外定焦光学系统，其特征在于，所述头镜(1)朝向像方的面(S2)和第二中继转像镜片(22)朝向像方的面(S6)采用衍射结构。
9.根据权利要求2、3或5任一项所述的中波制冷红外定焦光学系统，其特征在于，其特征在于，所述头镜(1)镜片厚度D1的范围5.5mm≤D1≤7.2mm；所述第一中继转像镜片(21)镜片厚度D21的范围3.0mm≤D21≤3.9mm；所述第二中继转像镜片(22)镜片厚度D22的范围5.9mm≤D22≤7.2mm；第三中继转像镜片(23)镜片厚度D23的范围6.0mm≤D23≤7.0mm。
10.根据权利要求1-3或5任一项所述的中波制冷红外定焦光学系统，其特征在于，所述中继转像镜组(2)放大倍率β范围：1.9≤β≤2.3。
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