CN120065477B - 一种长波红外超大视场光学结构 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学检测技术领域，尤其涉及一种长波红外超大视场光学结构。的长波红外超大视场光学结构由物侧到像侧依次包括光焦度为负的第一透镜、光焦度为正的第二透镜、光焦度为负的第三透镜、光焦度为正的第四透镜、光阑、光焦度为负的第五透镜、光焦度为正的第六透镜、光焦度为负的第七透镜、光焦度为正的第八透镜以及像面；八个透镜由第一光学材料、第二光学材料以及第三光学材料三种光学材料制成，且三种光学材料均不相同。利用三种不同牌号的光学材料，采用特定折射率色散系数透镜材料组合校正光轴外像差和色差，不仅简化光学系统的制备过程，并且降低了生产的成本，本发明光学结构还具有结构紧凑、集成简易、像质优异等特点。

Description

一种长波红外超大视场光学结构

技术领域

本发明属于光学检测技术领域，尤其涉及一种长波红外超大视场光学结构。

背景技术

望远镜作为天文学研究的重要工具，不仅可以深入探索宇宙的奥秘，还有广泛的应用领域，其中，望远镜在环境监测中具有独特的优势和潜力，包括农业生产、光伏产业、航空航天、天文观测等，通过望远镜的观测、遥感和数据分析，可以了解环境的变化，促进可持续发展和生态保护。

为进一步提高环境监控技术，针对农业生产、光伏产业、航空航天、天文观测等领域，研究和开发高质量夜间天空成像设备具有重要应用价值和广泛应用前景。目前已开发的长波红外超大视场光学系统为了追求系统小型化要求，在进行长波红外超大视场光学设计时，一般需要5种以上红外材料进行像差平衡，并且光学视场超过140°时，光学系统中加入高次非球面透镜可以进行像差平衡，虽然非球面透镜的应用可以有效优化光学系统的成像质量，增大设计自由度，但是其非球面透镜的加工和装调公差都较为严格，并且检测难度较高，不仅增加了光学系统的制造难度，还提高了制造成本和时间成本。

发明内容

有鉴于此，本发明创造旨在提供一种长波红外超大视场光学结构，以解决红外材料使用类型多，光学系统制造难度大的技术问题。

为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：

一种长波红外超大视场光学结构，由物侧到像侧依次包括光焦度为负的第一透镜、光焦度为正的第二透镜、光焦度为负的第三透镜、光焦度为正的第四透镜、光阑、光焦度为负的第五透镜、光焦度为正的第六透镜、光焦度为负的第七透镜、光焦度为正的第八透镜以及像面；

所述第一透镜、第四透镜、第六透镜、第七透镜和第八透镜由第一光学材料制成，所述第二透镜和第五透镜由第二光学材料制成，所述第三透镜由第三光学材料制成；所述第一光学材料、第二光学材料以及第三光学材料均不相同。

进一步的，所述第一光学材料的折射率范围为5.48≤Nd≤5.52，所述第一光学材料的阿贝数范围为862≤Vd≤866。

进一步的，所述第二光学材料的折射率范围为2.35≤Nd≤2.39，所述第二光学材料的阿贝数范围为15≤Nd≤17。

进一步的，所述第三光学材料的折射率范围为2.60≤Nd≤2.64，所述第三光学材料的阿贝数范围为7≤Vd≤9。

进一步的，所述第一透镜的物侧面为外凸面，所述第一透镜的像侧面为内凹面；

所述第二透镜的物侧面为外凸面，所述第二透镜的像侧面为外凸面；

所述第三透镜的物侧面为外凸面，所述第三透镜的像侧面为内凹面；

所述第四透镜的物侧面为外凸面，所述第四透镜的像侧面为外凸面；

所述第五透镜的物侧面为内凹面，所述第五透镜的像侧面为外凸面；

所述第六透镜的物侧面为外凸面，所述第六透镜的像侧面为内凹面；

所述第七透镜的物侧面为内凹面，所述第七透镜的像侧面为外凸面；

所述第八透镜的物侧面为外凸面，所述第八透镜的像侧面为内凹面。

进一步的，所述第一透镜的焦距范围为-4mm~-4.5mm；所述第二透镜的焦距范围为18mm~19mm；所述第三透镜的焦距范围为-9mm~-10mm；所述第四透镜的焦距范围为7mm~8mm；所述第五透镜的焦距范围为-95mm~-96mm，所述第六透镜的焦距范围为5.5mm~6mm，所述第七透镜的焦距范围为-11mm~-11.6mm；所述第八透镜的焦距范围为4.5mm~5mm。

进一步的，所述第一透镜的厚度范围为0.8mm~1mm，所述第一透镜与所述第二透镜间隔距离范围为2.1mm~2.3mm；

所述第二透镜的范围厚度为0.8mm~1mm，所述第二透镜和所述第三透镜间隔距离范围为0.3mm~0.5mm；

所述第三透镜的厚度范围为0.8mm~1mm，所述第三透镜和所述第四透镜间隔距离范围为5mm~6mm；

所述第四透镜的厚度范围为1mm~1.2mm，所述第四透镜和所述第五透镜间隔距离范围为6.5mm~6.8mm；

所述第五透镜的厚度范围为3mm~3.5mm，所述第五透镜和所述第六透镜的距离范围为0.1mm~0.3mm；

所述第六透镜的厚度范围为0.6mm~0.8mm，所述第六透镜和所述第七透镜的距离范围为0.4mm~0.5mm；

所述第七透镜的厚度范围为0.8mm~1mm；所述第七透镜和所述第八透镜的距离范围为3mm~3.5mm；

所述第八透镜的厚度范围为2mm~2.5mm；所述第八透镜和像面的距离范围为1.4mm~1.8mm。

进一步的，所述光阑的口径范围为3mm~4mm。

进一步的，所述长波红外超大视场光学结构的光圈数F为1~1.2，所述长波红外超大视场光学结构工作波段为8000nm~14000nm。

进一步的，所述长波红外超大视场光学结构的最大视场范围至少为150°。

与现有技术相比，本发明创造能够取得如下有益效果：

本发明创造所述的一种长波红外超大视场光学结构，采用透镜材料为3种，共8片球面透镜，由第一片透镜收集150°视场内远场光束能量，由后续7片球面透镜进行合理的组合进行像差校正，可实现光学视场150°，对无穷远目标光束进行像差平衡，由8片球面透镜组成的光学结构，进行长波红外光谱段的三阶像差校正，利用三种不同牌号的光学材料，采用以特定折射率色散系数的透镜材料所制成的透镜组合，校正光轴外的像差和色差，不仅简化了光学系统的制备过程，并且降低了生产的成本，本发明光学结构还具有结构紧凑、集成简易、像质优异等特点。

附图说明

构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图中：

图1为本发明创造实施例所述的一种长波红外超大视场光学结构示意图；

图2为本发明创造实施例所述的一种长波红外超大视场光学结构光线路径图；

图3为本发明创造实施例所述的一种长波红外超大视场光学结构的调制传递函数图；

图4为本发明创造实施例所述的一种长波红外超大视场光学结构各个视场的点列图。

附图标记说明：

1、第一透镜；2、第二透镜；3、第三透镜；4、第四透镜；5、光阑；6、第五透镜；7、第六透镜；8、第七透镜；9、第八透镜；10、像面。

具体实施方式

为了使本发明创造的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明创造进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明创造，而不构成对本发明创造的限制。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使本发明创造能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本发明创造相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本发明创造的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调节。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。

在本发明创造的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，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创造的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”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，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明创造。

如图1至图4所示，一种长波红外超大视场光学结构，由物侧到像侧依次包括光焦度为负的第一透镜1、光焦度为正的第二透镜2、光焦度为负的第三透镜3、光焦度为正的第四透镜4、光阑5、光焦度为负的第五透镜6、光焦度为正的第六透镜7、光焦度为负的第七透镜8、光焦度为正的第八透镜9以及像面10。光阑5位于第四透镜4与第五透镜6之间，光阑5的口径的范围为3mm~4mm。长波红外超大视场光学结构的光圈数F为1~1.2，长波红外超大视场光学结构工作波段为8000nm~14000nm，最大视场范围至少为150°。

具体的，透镜由三种不同牌号的光学材料制成，其中，第一透镜1、第四透镜4、第六透镜7、第七透镜8和第八透镜9由第一光学材料制成，第二透镜2和第五透镜6由第二光学材料制成，第三透镜3由第三光学材料制成；第一光学材料、第二光学材料以及第三光学材料均不相同。

进一步的，第一光学材料采用锗；第二光学材料采用硫化锌；第三光学材料采用硒化锌。

第一光学材料的折射率范围为5.48≤Nd≤5.52，第一光学材料的阿贝数范围为862≤Vd≤866；第二光学材料的折射率范围为2.35≤Nd≤2.39，第二光学材料的阿贝数范围为15≤Nd≤17；第三光学材料的折射率范围为2.60≤Nd≤2.64，第三光学材料的阿贝数范围为7≤Vd≤9。

通过第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜6、第六透镜7、第七透镜8和第八透镜9的三种不同折射率以及阿贝数的光学材料对光束进行校正，从而获得大视场以及高质量成像。

具体的，第一透镜1的物侧面为外凸面，第一透镜1的像侧面为内凹面；第二透镜2的物侧面为外凸面，第二透镜2的像侧面为外凸面；第三透镜3的物侧面为外凸面，第三透镜3的像侧面为内凹面；第四透镜4的物侧面为外凸面，第四透镜4的像侧面为外凸面；第五透镜6的物侧面为内凹面，第五透镜6的像侧面为外凸面；第六透镜7的物侧面为外凸面，第六透镜7的像侧面为内凹面；第七透镜8的物侧面为内凹面，第七透镜8的像侧面为外凸面；第八透镜9的物侧面为外凸面，第八透镜9的像侧面为内凹面。

具体的，通过不同的光学材料搭配，透镜双面曲率半径以及透镜厚度的优化设计，得到各透镜的焦距。第一透镜1的焦距范围为-4mm~-4.5mm；第二透镜2的焦距范围为18mm~19mm；第三透镜3的焦距范围为-9mm~-10mm；第四透镜4的焦距范围为7mm~8mm；第五透镜6的焦距范围为-95mm~-96mm；第六透镜7的焦距范围为5.5mm~6mm；第七透镜8的焦距范围为-11mm~-11.6mm；第八透镜9的焦距范围为4.5mm~5mm。

具体的，第一透镜1的厚度范围为0.8mm~1mm，第一透镜1与第二透镜2间隔距离范围为2.1mm~2.3mm；第二透镜2的范围厚度为0.8mm~1mm，第二透镜2和第三透镜3间隔距离范围为0.3mm~0.5mm；第三透镜3的厚度范围为0.8mm~1mm，第三透镜3和第四透镜4间隔距离范围为5mm~6mm；第四透镜4的厚度范围为1mm~1.2mm，第四透镜4和第五透镜6间隔距离范围为6.5mm~6.8mm；第五透镜6的厚度范围为3mm~3.5mm，第五透镜6和第六透镜7的距离范围为0.1mm~0.3mm；第六透镜7的厚度范围为0.6mm~0.8mm，第六透镜7和第七透镜8的距离范围为0.4mm~0.5mm；第七透镜8的厚度范围为0.8mm~1mm，第七透镜8和第八透镜9的距离范围为3mm~3.5mm；第八透镜9的厚度范围为2mm~2.5mm，第八透镜9和像面10的距离范围为1.4mm~1.8mm。

进一步的，各透镜的具体参数以表1为例，其中，曲率半径的单位为mm；透镜厚度的单位为mm；间隔单位为mm。

表1

本发明创造所述的一种长波红外超大视场光学结构，采用透镜材料为3种，共8片球面透镜，由第一片透镜收集150°视场内远场光束能量，由后续7片球面透镜进行合理的组合进行像差校正，可实现光学视场150°，对无穷远目标光束进行像差平衡，由8片球面透镜组成的光学结构，进行长波红外光谱段的三阶像差校正。利用三种不同牌号、具有特定折射率和色散系数的光学材料制作而成的透镜组合，来校正光轴外像差和色差，不仅简化了光学系统的制备过程，并且降低了生产的成本，本发明光学结构还具有结构紧凑、集成简易、像质优异等特点。

应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (9)

1.一种长波红外超大视场光学结构，其特征在于：所述的长波红外超大视场光学结构由物侧到像侧依次包括光焦度为负的第一透镜、光焦度为正的第二透镜、光焦度为负的第三透镜、光焦度为正的第四透镜、光阑、光焦度为负的第五透镜、光焦度为正的第六透镜、光焦度为负的第七透镜、光焦度为正的第八透镜以及像面；

所述第一透镜、第四透镜、第六透镜、第七透镜和第八透镜由第一光学材料制成，所述第二透镜和第五透镜由第二光学材料制成，所述第三透镜由第三光学材料制成；所述第一光学材料、第二光学材料以及第三光学材料均不相同；

所述第一透镜的物侧面为外凸面，所述第一透镜的像侧面为内凹面；

所述第二透镜的物侧面为外凸面，所述第二透镜的像侧面为外凸面；

所述第三透镜的物侧面为外凸面，所述第三透镜的像侧面为内凹面；

所述第四透镜的物侧面为外凸面，所述第四透镜的像侧面为外凸面；

所述第五透镜的物侧面为内凹面，所述第五透镜的像侧面为外凸面；

所述第六透镜的物侧面为外凸面，所述第六透镜的像侧面为内凹面；

所述第七透镜的物侧面为内凹面，所述第七透镜的像侧面为外凸面；

所述第八透镜的物侧面为外凸面，所述第八透镜的像侧面为内凹面。

2.根据权利要求1所述的一种长波红外超大视场光学结构，其特征在于：所述第一光学材料的折射率范围为5.48≤Nd≤5.52，所述第一光学材料的阿贝数范围为862≤Vd≤866。

3.根据权利要求1所述的一种长波红外超大视场光学结构，其特征在于：所述第二光学材料的折射率范围为2.35≤Nd≤2.39，所述第二光学材料的阿贝数范围为15≤Nd≤17。

4.根据权利要求1所述的一种长波红外超大视场光学结构，其特征在于：所述第三光学材料的折射率范围为2.60≤Nd≤2.64，所述第三光学材料的阿贝数范围为7≤Vd≤9。

5.根据权利要求1所述的一种长波红外超大视场光学结构，其特征在于：所述第一透镜的焦距范围为-4mm~-4.5mm；所述第二透镜的焦距范围为18mm~19mm；所述第三透镜的焦距范围为-9mm~-10mm；所述第四透镜的焦距范围为7mm~8mm；所述第五透镜的焦距范围为-95mm~-96mm，所述第六透镜的焦距范围为5.5mm~6mm，所述第七透镜的焦距范围为-11mm~-11.6mm；所述第八透镜的焦距范围为4.5mm~5mm。

6.根据权利要求1所述的一种长波红外超大视场光学结构，其特征在于：

所述第一透镜的厚度范围为0.8mm~1mm，所述第一透镜与所述第二透镜间隔距离范围为2.1mm~2.3mm；

所述第二透镜的范围厚度为0.8mm~1mm，所述第二透镜和所述第三透镜间隔距离范围为0.3mm~0.5mm；

所述第三透镜的厚度范围为0.8mm~1mm，所述第三透镜和所述第四透镜间隔距离范围为5mm~6mm；

所述第四透镜的厚度范围为1mm~1.2mm，所述第四透镜和所述第五透镜间隔距离范围为6.5mm~6.8mm；

所述第五透镜的厚度范围为3mm~3.5mm，所述第五透镜和所述第六透镜的距离范围为0.1mm~0.3mm；

所述第六透镜的厚度范围为0.6mm~0.8mm，所述第六透镜和所述第七透镜的距离范围为0.4mm~0.5mm；

所述第七透镜的厚度范围为0.8mm~1mm；所述第七透镜和所述第八透镜的距离范围为3mm~3.5mm；

所述第八透镜的厚度范围为2mm~2.5mm；所述第八透镜和像面的距离范围为1.4mm~1.8mm。

7.根据权利要求1所述的一种长波红外超大视场光学结构，其特征在于：所述光阑的口径范围为3mm~4mm。

8.根据权利要求1所述的一种长波红外超大视场光学结构，其特征在于：所述长波红外超大视场光学结构的光圈数F为1~1.2，所述长波红外超大视场光学结构工作波段为8000nm~14000nm。

9.根据权利要求1所述的一种长波红外超大视场光学结构，其特征在于：所述长波红外超大视场光学结构的最大视场范围至少为150°。