CN117420656A - 低畸变广角红外物镜系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种低畸变广角红外物镜系统，包括位于像方的探测器窗口、中波制冷探测器焦平面，其特征在于沿光轴方向从物方到像方依次设有第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜，其中：第一透镜和第二透镜均设为负光焦度弯月透镜，第三透镜设为负光焦度双凹透镜，第四透镜设为正光焦度弯月透镜，第五透镜设为正光焦度弯月透镜；且第一透镜和第二透镜的凹面朝向像方，第四透镜的凸面朝向像方，第五透镜的凸面朝向像方。上述光学系统将目标景物红外辐射光线经探测器窗口汇聚至制冷探测器焦平面上形成红外视频图像，可适配大面阵高规格制冷型红外探测器，实现超大视场广角光学系统的低畸变、无热化和小型化。
Description
技术领域
本发明涉及一种红外物镜系统，特别是一种低畸变广角红外物镜系统，属于光学光电技术领域。
背景技术
广角红外物镜已在红外监控监视系统、导航/领航设备、告警装置等装备上得到广泛应用。目前常用的制冷型广角红外物镜大多适配640×512面阵规格探测器，难以同时满足大视场感知和一定距离空间分辨率的成像需求。由于视场范围与空间分辨率相互制约，若视场范围增大，则光学系统焦距减少，在保持探测器像元规格及尺寸不变的情况下，空间分辨率会降低；与之相反，若要增加空间分辨率，则需减少系统成像的视场范围。因此，适配大面阵规格制冷型探测器的低畸变广角红外物镜能在保证一定空间分辨率要求的焦距时，扩大视场范围，以满足告警、导航、领航的距离需求。目前，国内已报道的大视场红外光学系统大多采用640×512规格探测器，很难满足大视场探测与高空间分辨率要求。例如：在《长波红外鱼眼凝视光学系统设计》这一论文中，采用640×512规格的非制冷探测器，来实现200°超大视场光学设计。在《高分辨率制冷型中波广角红外成像系统的光学设计》这一论文中，采用640×512制冷型中波红外探测器，以实现111.2°超大视场光学设计，该光学系统采用二次成像架构，系统总长较长，光学零件加工成本高、装调复杂。
中国专利CN115128772A公开一种大视场光学被动无热化非制冷光学系统，其采用五片透镜，适配非制冷探测器，实现长波红外大视场成像功能。中国专利CN204679709U公开一种制冷型大相对孔径超广角红外光学系统，适配640×512规格探测器，采用四片透镜实现120°超大视场红外光学成像。中国专利CN112684595A公开一种超大孔径广角中波制冷红外光学系统，采用六片透镜的一次成像架构，适配2K制冷探测器，实现42.6°视场角成像功能。中国专利CN112415723B公开一种制冷型长波红外广角镜头，采用二次成像架构，适配640×512规格探测器，实现100°视场成像功能。
低畸变广角物镜通常采用双端负镜设计方式，所谓双端负镜是物镜最前端和最后端均为较大负光焦度的大弯月透镜，透镜凹面朝向物镜中心的光阑弯曲，使得光阑前后中间组透镜的视场角变小，以校正畸变。但双端负镜架构一般适配非制冷红外探测器，不适合制冷型红外探测器，究其原因是因为：位于光学系统中心的光阑与位于制冷型红外探测器杜瓦内部的冷光阑不匹配而造成。因此有必要对现有技术加以改进。
发明内容
为解决现有广角红外物镜用于制冷型红外探测器时存在畸变大、质量重、体积大等问题，本发明提供一种低畸变广角红外物镜系统。
本发明通过下列技术方案完成：一种低畸变广角红外物镜系统，包括位于像方的探测器窗口、中波制冷探测器焦平面，其特征在于沿光轴方向从物方到像方依次设有第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜，其中：
第一透镜和第二透镜均设为负光焦度弯月透镜，第三透镜设为负光焦度双凹透镜，第四透镜设为正光焦度弯月透镜，第五透镜设为正光焦度弯月透镜；且第一透镜和第二透镜的凹面朝向像方，第四透镜的凸面朝向像方，第五透镜的凸面朝向像方；
或者：
第一透镜和第二透镜均设为负光焦度弯月透镜，第三透镜设为正光焦度弯月透镜，第四透镜设为负光焦度弯月透镜，第五透镜设为正光焦度弯月透镜；且第一透镜和第二透镜的凹面朝向像方，第三透镜的凸面朝向像方，第四透镜的凹面朝向像方，第五透镜凸面朝向像方；
以便通过第一、第二负光焦度弯月透镜压缩入射光线视场，有利于后续透镜像差校正，再通过第三、第四、第五透镜及探测器窗口，来会聚第一、第二透镜的入射光线至中波制冷探测器焦平面，使光学系统具有较长的后截距，实现孔径光阑与制冷探测器冷光阑匹配，达到100％冷屏效率。
所述第一透镜焦距、第二透镜焦距、第五透镜焦距需分别满足以下条件：2.42<|f1/fL|<6.2；1.3<|f2/fL|<3.8；1.0<|f5/fL|<2.8；
其中fL为光学系统焦距，f1为第一透镜焦距，f2为第二透镜焦距，f5为第五透镜焦距，以便增加光学系统可适配的探测器规格。
所述第一透镜材质为锗单晶或硅单晶透镜。
所述第二透镜材质为锗单晶或硅单晶或硫系玻璃。
所述第三透镜材质为锗单晶或硅单晶或硫化锌或硒化锌。
所述第四透镜材质为锗单晶或硅单晶或硫化锌或硒化锌。
所述第五透镜材质为锗单晶或硅单晶或硫化锌或硒化锌。
所述第一、第二、第三、第四、第五透镜中至少有两个是非球面透镜。
本发明具有下列优点及效果：采用上述方案，即通过由第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜组成的光学系统，使目标景物红外辐射光线通过探测器窗口汇聚至制冷探测器焦平面上，经成像电路处理形成红外视频图像，其中，通过第一、第二负光焦度弯月透镜压缩入射光线视场，有利于后续透镜像差校正，再通过第三、第四、第五透镜及探测器窗口，来会聚第一、第二透镜的入射光线至中波制冷探测器焦平面，使光学系统具有较长的后截距，实现孔径光阑与制冷探测器冷光阑匹配，达到100％冷屏效率。另外，本发明的光学系统通过采用反远摄物镜架构及少有两个是非球面透镜的设计方式，能够适配大面阵高规格制冷型长波/中波红外探测器，实现超大视场广角光学系统的低畸变(畸变低于2％)、无热化和小型化。
附图说明
图1为本发明低畸变广角红外物镜光路图；
图2为本发明实施例一光学系统图；
图3为本发明实施例一+25℃时光学调制传递函数图；
图4为本发明实施例一+70℃时光学调制传递函数图；
图5为本发明实施例一-45℃时光学调制传递函数图；
图6为本发明实施例一光学系统畸变图；
图7为本发明实施例二光学系统图；
图8为本发明实施例二+25℃时光学调制传递函数图；
图9为本发明实施例二+70℃时光学调制传递函数图；
图10为本发明实施例二-45℃时光学调制传递函数图；
图11为本发明实施例二光学系统畸变图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
实施例一
本发明提供的低畸变广角红外物镜系统包括：位于像方的探测器窗口6、中波制冷探测器焦平面7，以及沿光轴方向从物方到像方依次设有第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4和第五透镜5；第一透镜1设为负光焦度弯月透镜，第二透镜2设为负光焦度弯月透镜，第三透镜3设为负光焦度双凹透镜，第四透镜4设为正光焦度弯月透镜，第五透镜5设为正光焦度弯月透镜；其中：
第一透镜1凹面朝向像方，第二透镜2凹面朝向像方，第四透镜4凸面朝向像方，第五透镜5凸面朝向像方；
第一透镜1和第三透镜3的材质为硅单晶，第二透镜2的材质为锗单晶，第四透镜4的材质为硫化锌，第五透镜5的材质为硒化锌；
以便目标景物红外辐射光线经过由第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4和第五透镜5组成的光学系统后，通过探测器窗口6汇聚至中波制冷探测器焦平面7上，经成像电路处理形成中波红外视频图像，如图2；
所述光学系统具体参数如表1，表1中：
前表面、后表面指：沿光轴方向各光学元件朝向景物的一面为前表面、朝向制冷探测器焦平面7的一面为后表面；
曲率半径指：每个光学透镜前表面、后表面的曲率半径；
中心厚度指：每个光学透镜的中心厚度；
间距指：沿光轴方向每个光学透镜后表面中心与相邻光学透镜前表面中心距离；
材料均为光学元件所用光学材料；
非球面参数为光学透镜非球面表面的偶次非球面方程系数；
偶次非球面方程定义如下：
式中，z为非球面沿光轴方向的透镜矢高，C0为光学透镜表面顶点曲率，Y为透镜垂直于光轴方向的半口径，K为二次曲线常数，A为方程四次方系数，B为方程六次方系数，C为方程八次方系数，D为方程十次方系数；
表1光学系统参数表(单位：mm)
系统适配F数3.0、1280×1024/15μm规格的制冷型中波红外焦平面探测器，其中波低畸变广角光学系统焦距为11.2mm，视场为80°(水平)×64°(垂直)，圆视场为102°，具有较大的视场范围及一定的空间分辨率，满足机载/车载告警/导航/领航等态势感知需求；
光学系统常温+25℃时，红外光学调制传递函数如图3所示；高温+70℃时，红外光学调制传递函数如图4所示；低温-45℃时，红外光学调制传递函数如图5所示；该系统畸变如图6所示，光学畸变小于2％；该中波低畸变广角光学系统畸变低，成像质量在高低温环境保持良好，图像清晰。
实施例二
本发明提供的低畸变广角红外物镜系统包括：位于像方的探测器窗口6、中波制冷探测器焦平面7，以及沿光轴方向从物方到像方依次设有第一透镜1、第二透镜2、第三透镜31、第四透镜41和第五透镜5；第一透镜1设为负光焦度弯月透镜，第二透镜2设为负光焦度弯月透镜，第三透镜31设为正光焦度弯月透镜，第四透镜41设为负光焦度弯月透镜，第五透镜5设为正光焦度弯月透镜；其中：
第一透镜1凹面朝向像方，第二透镜2凹面朝向像方，第三透镜31凸面朝向像方，第四透镜41凹面朝向像方，第五透镜5凸面朝向像方；
第一透镜1、第二透镜2和第四透镜41的材质为锗单晶，第三透镜31的材质为硫化锌，第五透镜5的材质设为硒化锌；
以便目标景物红外辐射光线经过由第一透镜1、第二透镜2、第三透镜31、第四透镜41和第五透镜5组成的光学系统后，通过探测器窗口6汇聚至中波制冷探测器焦平面7上，经成像电路处理形成中波红外视频图像，如图7；
光学系统具体参数如表2，表2中：
前表面、后表面指：沿光轴方向各光学元件接近景物的一面为前表面，朝向制冷探测器焦平面的一面为后表面；
曲率半径指：每个光学透镜前表面、后表面的曲率半径；
中心厚度指：每个光学透镜的中心厚度；
间距指：沿光轴方向每个光学透镜后表面中心与相邻光学透镜前表面中心距离；
材料是光学元件所用光学材料；
非球面参数为光学透镜非球面表面的偶次非球面方程系数；
偶次非球面方程定义如下：
式中，z为非球面沿光轴方向的透镜矢高，C0为光学透镜表面顶点曲率，Y为透镜垂直于光轴方向的半口径，K为二次曲线常数，A为方程四次方系数，B为方程六次方系数，C为方程八次方系数，D为方程十次方系数；
表2光学系统参数表(单位：mm)
系统适配F数3.0、1280×1024/15μm规格的制冷型长波红外焦平面探测器；长波低畸变广角光学系统焦距为11.2mm，视场为80°(水平)×64°(垂直)，圆视场为102°，具有较大的视场范围及一定的空间分辨率，满足机载/车载告警/导航/领航等态势感知需求；
光学系统常温+25℃时，红外光学调制传递函数如图8所示；高温+70℃时，红外光学调制传递函数如图9所示；低温-45℃时，红外光学调制传递函数如图10所示；该低畸变广角光学系统畸变情况如图11所示，光学畸变小于2％。该长波低畸变广角光学系统具有低畸变、高成像清晰度等特点。
Claims (4)
1.一种低畸变广角红外物镜系统，包括位于像方的探测器窗口、中波制冷探测器焦平面，其特征在于沿光轴方向从物方到像方依次设有第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜，其中：
第一透镜和第二透镜均设为负光焦度弯月透镜，第三透镜设为负光焦度双凹透镜，第四透镜设为正光焦度弯月透镜，第五透镜设为正光焦度弯月透镜；且第一透镜和第二透镜的凹面朝向像方，第四透镜的凸面朝向像方，第五透镜的凸面朝向像方；
或者：
第一透镜和第二透镜均设为负光焦度弯月透镜，第三透镜设为正光焦度弯月透镜，第四透镜设为负光焦度弯月透镜，第五透镜设为正光焦度弯月透镜；且第一透镜和第二透镜的凹面朝向像方，第三透镜的凸面朝向像方，第四透镜的凹面朝向像方，第五透镜凸面朝向像方。
2.根据权利要求1所述的低畸变广角红外物镜系统，其特征在于所述第一透镜焦距、第二透镜焦距、第五透镜焦距需分别满足以下条件：2.42< |f1/fL| <6.2；1.3< |f2/fL| <3.8；1.0 < | f5/fL| <2.8；
其中fL为光学系统焦距，f1为第一透镜焦距，f2为第二透镜焦距，f5为第五透镜焦距。
3.根据权利要求1所述的低畸变广角红外物镜系统，其特征在于：
所述第一透镜材质为锗单晶或硅单晶透镜；
所述第二透镜材质为锗单晶或硅单晶或硫系玻璃；
所述第三透镜材质为锗单晶或硅单晶或硫化锌或硒化锌；
所述第四透镜材质为锗单晶或硅单晶或硫化锌或硒化锌；
所述第五透镜材质为锗单晶或硅单晶或硫化锌或硒化锌。
4.根据权利要求1所述的低畸变广角红外物镜系统，其特征在于：所述第一、第二、第三、第四、第五透镜中至少有两个是非球面透镜。
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