CN116909001A - 一种高分辨率的长焦红外瞄准镜 - Google Patents

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陈琳
陈建红
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Abstract

本发明涉及一种高分辨率的长焦红外瞄准镜，沿光轴从物方至像方依次设置有第一透镜、第二透镜，第一透镜为凸面朝向物方的弯月透镜，第二透镜为凹面朝向物方的弯月透镜。该红外瞄准镜在75mm焦距下各透镜沿光轴方向之间尺寸如下：第一透镜与第二透镜之间的空气间隔为48.46mm，第二透镜与探测器焦平面之间的间距为31.78mm。本发明结构紧凑、设计合理，镜片数目少，成像质量好，可匹配和满足高分辨率640*512@12μm红外探测器的长焦红外瞄准镜需求，将目前的红外瞄准镜的探测距离从百米级提升到千米级。

Description

一种高分辨率的长焦红外瞄准镜
技术领域
本发明涉及一种红外镜头，具体的说，涉及一种高分辨率的长焦红外瞄准镜。
背景技术
红外瞄准系统是采用红外热成像技术，将红外瞄准镜和红外探测器组成红外瞄准系统。该系统因其探测的是观察目标的热能量，因其不受环境光照亮度的限制，即可实现观察目标的全天候观察，因此被广泛的应用于警用、边防侦查和军事对抗等领域。
然而，随着红外探测像素的不断提高以及对更远探测目标的要求，当前的低分辨率和短焦距的红外瞄准镜难以满足上述需求。因此亟需一种高分辨率的长焦红外瞄准镜，以匹配高分辨率的红外探测器和实现更远距离目标的探测。
发明内容
本发明提出了一种高分辨率的长焦红外瞄准镜，其焦距为75mm，可匹配640*521@12μm(像素单元:640*521,像素大小:12μm)的高分辨率红外探测器。将其装配在640*521@12μm探测器时，即可实现远距离探测目标的高清红外图像和视频画面。本发明的高分辨率的长焦红外瞄准镜成像画面清晰、探测距离远、结构紧凑且成本经济。
为实现上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的：
所述的高分辨率的长焦红外瞄准镜，沿光轴从物方至像方依次设置有第一透镜、第二透镜，第一透镜为凸面朝向物方的弯月透镜，第二透镜为凹面朝向物方的弯月透镜。光线沿光轴方向自左向右依次入射第一透镜1、第二透镜2，最后通过探测器窗口入射到探测器焦平面3。
进一步优选，红外瞄准镜在75mm焦距下各透镜沿光轴方向之间尺寸如下：第一透镜与第二透镜之间的空气间隔为48.46mm，第二透镜与探测器焦平面之间的间距为31.78mm。
进一步优选，第一透镜的焦距f1≤95mm，第二透镜的焦距f2≤139.95mm，第一透镜和第二透镜组成的整个光学系统焦距f≤75mm。
进一步优选，第一透镜、第二透镜沿物侧至像侧方向上的曲面分别标记为S1、S2、S3、S4，第一透镜中心厚度为18.2mm，第二透镜中心厚度为7.84mm，S1曲率半径为88.036218mm，S2曲率半径为72.874226mm，S3曲率半径为173.87653mm，S4曲率半径为126.98739mm。
进一步优选，S1、S2、S3、S4为非球面透镜。
进一步优选，非球面透镜曲线满足如下方程表达式：
式中，z为非球面沿着光轴方向到达高度r位置时，其距离非球面顶点的距离矢高；c:非球面顶点之曲率；k：锥面系数Conic constant；r径向距离；A4、A6、A8表示为高次非球面系数。
进一步优选，第一透镜和第二透镜的材质均为锗材料。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明结构紧凑、设计合理，镜片数目少，成像质量好，可匹配和满足高分辨率640*512@12μm红外探测器的长焦红外瞄准镜需求，将目前的红外瞄准镜的探测距离从百米级提升到千米级。此外，本发明还具有安装方便，操作简单，经济性能好，实用性强等优点。
附图说明
图1是本发明的光学结构示意图；图中，1-第一透镜，2-第二透镜，3-探测器焦平面。
图2是本发明75mm焦距下20℃时的MTF曲线图。
图3是本发明75mm焦距下的畸变曲线图。
图4是本发明50mm焦距下20℃时的MTF曲线图。
图5是本发明50mm焦距下的畸变曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面将对本发明的优选实施例进行详细的说明，以方便技术人员理解。
本发明提供了一种高分辨率长焦红外瞄准镜，将红外瞄准镜探测距离从百米级提成到千米级。如图1所示，高分辨率的长焦红外瞄准镜镜筒内沿光轴从物方至像方依次设置有第一透镜、第二透镜，第一透镜为凸面朝向物方的弯月透镜，第二透镜为凹面朝向物方的弯月透镜。光线沿光轴方向自左向右依次入射第一透镜1、第二透镜2，最后通过探测器窗口入射到探测器焦平面3。
红外瞄准镜在75mm焦距下各透镜沿光轴方向之间尺寸如下：第一透镜与第二透镜之间的空气间隔为48.46mm，第二透镜与探测器焦平面之间的间距为31.78mm。
本发明中，第一透镜和第二透镜的材质均为锗材料。
本发明中，第一透镜1的焦距为f1，第二透镜2的焦距为f2，由第一透镜1和第二透镜2所组成的系统焦距为f，其比例满足：f1≤95mm，f2≤139.95mm，f≤75mm。
满足上述条件，既可使得镜头在8um-14μm波长范围内得获得良好的成像质量。镜头在上述焦距范围，根据实际情况，可通过转动调焦环调节各镜片焦距，从而找到成像的最佳焦点位置。
在上述基础上，作为本发明的进一步改进，由第一透镜1和第二透镜2所组成的光学结构达到了如下的指标：
1)工作波段：8μm-14μm；
2)焦距：f＝75mm；
3)相对孔径D/f：1/1.0；
4)视场角(D*H*V)：7.5°*5.8°*4.7°；
5)TV畸变：<0.06％；
6)出瞳距离：5.15mm；
7)分辨率：可满足长波红外非制冷型探测器640*512,12μm；
8)光路总长≤90mm，光学后截距8mm。
上述镜头具有极小的TV畸变<0.06。
在上述基础上，作为本发明的进一步改进，第一透镜1、第二透镜2沿物侧至像侧方向上的曲面分别标记为S1、S2、S3、S4(见图1)，第一透镜中心厚度为18.2mm，第二透镜中心厚度为7.84mm；S1、S2、S3、S4均为非球面透镜。
第一透镜1、第二透镜2构成的光学元件具体详细参数如表1所示。
表1
非球面透镜曲线满足如下方程表达式：
式中，z为非球面沿着光轴方向到达高度r位置时，其距离非球面顶点的距离矢高；
c：非球面顶点之曲率；
k：锥面系数(Conic constant)；
r径向距离；
A4、A6、A8表示为高次非球面系数。
各系数表如下表2所示：
表2
表面 S1 S2 S3 S4
k -1.368493 -2.749303 -289.873262 20.763829
A4 1.178924E-07 -2.675428E-07 9.876524E-06 -2.567922E-07
A6 2.225865E-10 -3.897652E-10 -6.875274E-08 3.568282E-08
A8 -2.392467E-13 7.228709E-13 1.467527E-10 -4.056598E-11
A10 3.782927E-16 -1.265894E-15 -2.096728E-13 4.828864E-15
A12 3.762279E-20 2.786527E-19 1.087362E-16 9.997624E-17
该长焦红外瞄准镜头在20℃下的MTF曲线图见图2。从图中可以看出，该镜头的MTF值均大于0.15，镜头成像对比度高，图像成像质量好。图3为镜头曲长及畸变图。从图中可以看出，系统的光学畸变小，其值小于0.15％,，可提供良好的图像成像质量。
图4和图5为50mm焦距下的MTF曲线图和畸变图，50mm MTF值为为0.23，镜头畸变<0.8％，75mm镜头畸变小于50mm镜头畸变，性能提高。
最后说明的是，以上优选实施例仅用于说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (7)

1.一种高分辨率的长焦红外瞄准镜，其特征在于：沿光轴从物方至像方依次设置有第一透镜、第二透镜，第一透镜为凸面朝向物方的弯月透镜，第二透镜为凹面朝向物方的弯月透镜。
2.根据权利要求1所述的一种高分辨率的长焦红外瞄准镜，其特征在于：红外瞄准镜在75mm焦距下各透镜沿光轴方向之间尺寸如下：第一透镜与第二透镜之间的空气间隔为48.46mm，第二透镜与探测器焦平面之间的间距为31.78mm。
3.根据权利要求1所述的一种高分辨率的长焦红外瞄准镜，其特征在于：第一透镜的焦距f1≤95mm，第二透镜的焦距f2≤139.95mm，第一透镜和第二透镜组成的整个光学系统焦距f≤75mm。
4.根据权利要求1所述的一种高分辨率的长焦红外瞄准镜，其特征在于：第一透镜、第二透镜沿物侧至像侧方向上的曲面分别标记为S1、S2、S3、S4，第一透镜中心厚度为18.2mm，第二透镜中心厚度为7.84mm，S1曲率半径为88.036218mm，S2曲率半径为72.874226mm，S3曲率半径为173.87653mm，S4曲率半径为126.98739mm。
5.根据权利要求1或4所述的一种高分辨率的长焦红外瞄准镜，其特征在于：S1、S2、S3、S4为非球面透镜。
6.根据权利要求4或5所述的一种高分辨率的长焦红外瞄准镜，其特征在于：非球面透镜曲线满足如下方程表达式：
式中，z为非球面沿着光轴方向到达高度r位置时，其距离非球面顶点的距离矢高；c:非球面顶点之曲率；k：锥面系数Conic constant；r径向距离；A4、A6、A8表示为高次非球面系数。
7.根据权利要求1所述的一种高分辨率的长焦红外瞄准镜，其特征在于：第一透镜和第二透镜的材质均为锗材料。
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