CN207216116U

CN207216116U - 一种小型化无衍射面中波红外双视场镜头

Info

Publication number: CN207216116U
Application number: CN201721051536.1U
Authority: CN
Inventors: 蔡文苑; 刘自强; 孔超
Original assignee: Sanhe Lanstech Optoelectronics Science & Technology Co Ltd
Current assignee: Hebei Lansitek Optoelectronic Technology Co ltd
Priority date: 2017-08-22
Filing date: 2017-08-22
Publication date: 2018-04-10
Anticipated expiration: 2027-08-22

Abstract

本实用新型公开了一种小型化无衍射面中波红外双视场镜头，从物方至像方依次有五组透镜，包括：具有正光焦度的前固定组，为一片凸面朝向物方的弯月形硅正透镜；具有负光焦度的变倍组，为一片锗负透镜；具有正光焦度的后固定组，包括一片双凸硅正透镜、一片凸面朝向物方的硅正透镜和一片凸面朝向物方弯曲的锗负透镜；具有正光焦度的二次成像组，包括一片凸面朝向像方的硫化锌负透镜、一片凸面朝向像方的硅正透镜和一片凸面朝向物方的硅正透镜。本实用新型可在60mm和240mm两个焦距切换，F数为4.0，适用于分辨率320×256像元大小30μm的中波制冷探测器；两个视场切换过程变倍组移动行程短，光轴稳定性高，有良好的成像效果。

Description

一种小型化无衍射面中波红外双视场镜头

技术领域

本实用新型属于光学技术领域，涉及一种用于中波制冷探测器的小型化无衍射面中波红外双视场镜头。

背景技术

随着红外成像技术的发展，红外光学系统越来越多的应用于军民领域。相比相同焦距的非制冷探测器系统，制冷型红外系统有灵敏性高的特点，有更强的搜索发现能力，更能发挥远距离监测镜头的特长。监控、军事领域在对小型化制冷镜头有着迫切的需求。但是由于中长焦距红外镜头色差较大，目前国内镜头大多使用衍射面纠正色差。衍射面的使用会降低镜头能量透过率，降低系统温差灵敏度，并且增加镜头加工难度和成本。因此研发一种无衍射面的小型化制冷型镜头有很大的市场需求。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种F数为4.0，光学总长短，体积小，装调方便、成像质量高的小型化无衍射面中波红外双视场镜头。其可以适用于工作波段为3.7～4.8微米，焦距为60mm/240mm，F数为4.0，适配分辨率为320x256，像元大小30微米的非制冷探测器，光学系统总长169mm，最大口径78mm。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种小型化无衍射面中波红外双视场镜头，由物方到像方依次包括前固定组、变倍组、后固定组、二次成像组以及探测器部分；

所述前固定组具有正光焦度，为一片凸面朝向物方的弯月形硅正透镜，透镜表面类型为球面；

所述变倍组具有负光焦度，为一片双凹锗负透镜，两面面型均为非球面，变倍组透镜的总移动行程30.6mm；

所述后固定组具有正光焦度，包括一片双凸硅正透镜、一片凸面朝向物方的硅正透镜和一片凸面朝向物方弯曲的锗负透镜，后固定组中的透镜的表面类型均为球面；

所述二次成像组具有正光焦度，包括一片凸面朝向像方的硫化锌负透镜、一片凸面朝向像方的硅正透镜和一片凸面朝向物方的硅正透镜；其中硫化锌负透镜的凹面类型为非球面；

在所述二次成像组与像方空间之间设置有中波制冷探测器部分，包括保护窗口、孔径光阑和像面，孔径光阑位于保护窗口与像面之间。

所述镜头满足如下参数：

所述镜头的有效焦距EFL＝60/240mm，F数＝4.0，光学系统总长＝169mm，适配探测器分辨率320×256，像元大小30μm。

所述镜头在60mm焦段时全视场平均在20lp/mm处MTF>0.45，在240mm焦段时全视场平均在20lp/mm处MTF>0.3。

所述镜头的镜片中的非球面满足下列表达式：

其中z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距非球面顶点的距离矢高，c表示非球面表面的顶点曲率，k为圆锥系数，α₂、α₃、α₄、α₅、α₆为高次非球面系数。

所述镜头的镜片中未使用衍射面。

所述镜头的水平视场角范围为：2w＝9.2°～2.3°。

本实用新型的有益效果为：全焦段光圈F数＝4.0，拥有4倍变倍比，光学系统总长为169mm，最大口径78mm。结构紧凑，变焦曲线平滑，镜片最大移动量为30.6mm。后固定组有三片透镜，这样可以更好的分担第一次成像组像差纠正压力，提升系统公差敏感度。同时使用折射式光学结构，无须调整反射镜，装调简便，易于量产。整个变焦范围内成像质量优良，在60mm焦段全视场平均在20lp/mm处MTF>0.45，在240mm焦段全视场平均在20lp/mm处MTF>0.3。

附图说明

图1是本实用新型提供的小型化无衍射面中波红外双视场镜头的焦距为60mm时的光学系统图；

图2是本实用新型提供的小型化无衍射面中波红外双视场镜头的焦距为60mm时的点列图；

图3是本实用新型提供的小型化无衍射面中波红外双视场镜头的焦距为60mm时的光学传递函数图(截止分辨率为20lp/mm)；

图4是本实用新型提供的小型化无衍射面中波红外双视场镜头的焦距为240mm时的象散畸变图；

图5是本实用新型提供的小型化无衍射面中波红外双视场镜头的焦距为240mm时的光学系统图；

图6是本实用新型提供的小型化无衍射面中波红外双视场镜头的焦距为240mm时的点列图；

图7是本实用新型提供的小型化无衍射面中波红外双视场镜头的焦距为240mm时的光学传递函数图(截止分辨率为20lp/mm)；

图8是本实用新型提供的小型化无衍射面中波红外双视场镜头的焦距为240mm时的象散畸变图；

其中，200-物空间，110-前固定组，120-变倍组，130-后固定组，140-二次成像组，300-中波制冷探测器部分，310-探测器，312-探测器第一保护窗口，314-探测器第二保护窗口，315-像面，316-孔径光阑，S1～S16为透镜各个表面。

具体实施方式

以下结合附图，通过实施例对本实用新型做进一步详细说明。

该实施例是本实用新型应用于长波非制冷型分辨率320×256像元尺寸30μm凝视型焦平面探测器的例子。

图1、图5分别为本实用新型在焦距60mm，240mm时的光学系统图，所述镜头的结构相同，以其中一个图为例作为说明。

如图1所示，本实施由正光焦度的前固定组110、负光焦度的变倍组120、正光焦度的后固定组130、正光焦度的二次成像组140以及最后的探测器310组成。

前固定组110即第一透镜，第一透镜为一片凸面朝向物方的弯月形硅正透镜，透镜表面S1、S2类型为球面，材料为硅单晶。变倍组120即第二透镜，第二透镜为一片双凹负透镜，材料为锗单晶，S3、S4面为非球面，该组是移动组，视场切换过程中起到变焦的作用，总移动行程30.6mm。后固定组130即第三透镜132、第四透镜134和第五透镜136，分别为一片双凸硅正透镜，一片凸面朝向物方的硅正透镜和一片凸面朝向物方弯曲的锗负透镜；表面S5-S10的类型均为球面。二次成像组140即第六透镜142、第七透镜144和第八透镜146，分别为一片凸面朝向像方的硫化锌负透镜，一片凸面朝向像方的硅正透镜和一片凸面朝向物方的硅正透镜，其中硫化锌负透镜凹面S11类型为非球面，其余镜片表面S12-S16为球面。中波制冷探测器300包括：探测器310，第一保护窗口312，第二保护窗口314，光阑316，成像面315，分辨率为320×256，像元大小30μ。

以上八片透镜中，第一透镜S1表面镀类金刚石碳膜，因为该表面外露，需要镀类金刚石碳膜。其余S2～S16表面均镀增透膜。

表1为本实用新型在焦距60mm，240mm时的光学结构参数：

表1

表面	曲率半径	60mm/240mm时的厚度(间隔)	材料	口径
					S1	56.878	7	SILICON	78.0
S2	71.775	18.5/49.17		73.0
					S3	-85.9799	2.4	GERMANIUM	31.2
S4	232.1222	40.6/10		30.5
					S5	230.055	4.2	SILICON	40
S6	-208.037	1.38		40
					S7	34.011	4.4	SILICON	37
S8	72.309	3.74		34
					S9	101.209	2	GERMANIUM	30
S10	42.468	43.72		25.8
					S11	-8.98	1.8	ZNS	26
S12	-19.505	2		9.2
					S13	-28.772	2.7	SILICON	13.6
S14	-16.125	1		16
					S15	17.974	2.5	SILICON	16
S16	25.47184	7		13.2

以上八片透镜中提及的非球面，均为偶次非球面，其表达式如下：

其中z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距非球面顶点的距离矢高，c表示表面的顶点曲率，k为圆锥系数，α₂、α₃、α₄、α₅、α₆为高次非球面系数。

表2为表面S3，S4，S11的非球面系数：

表2

表面	α₂	α₃	α₄	α₅
					S3	1.2867794e-005	-1.2536789e-008	-5.1895261e-012	3.2641911e-014
S4	1.2966754e-005	-6.4741066e-009	-1.8435655e-011	4.5312979e-014
					S11	-9.7107764e-005	-4.1158075e-006	1.4188804e-008	-4.5933859e-009

下面参照像差分析图对本实用新型的效果做进一步详细的描述。

图2-图4是图1所述的小型化无衍射面中波红外双视场镜头的具体实施例在长焦状态时的像差分析图，图2是点列图、图3是MTF图、图4是场曲畸变图。

图6-图8是图5所述的长波红外连续变焦镜头的具体实施例在中焦状态时的像差分析图，图6是点列图、图7是MTF图、图8是场曲畸变图。

从图中可以发现，各个焦段的各种像差得到了很好的校正，弥散斑均校正到接近艾利斑大小，MTF接近衍射极限，畸变<1％。

由此可见，本实用新型提供的小型化无衍射面中波红外双视场镜头具有良好的成像质量。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型而并非限制本实用新型所描述的技术方案。因此，尽管本说明书参照上述的实施例对本实用新型已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本实用新型进行修改或等同替换；而一切不脱离本实用新型的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims

1.一种小型化无衍射面中波红外双视场镜头，其特征在于：由物方到像方依次包括前固定组、变倍组、后固定组、二次成像组以及探测器部分；

2.根据权利要求1所述的小型化无衍射面中波红外双视场镜头，其特征在于，所述镜头满足如下参数：

3.根据权利要求1所述的小型化无衍射面中波红外双视场镜头，其特征在于，所述镜头在60mm焦段时全视场平均在20lp/mm处MTF>0.45，在240mm焦段时全视场平均在20lp/mm处MTF>0.3。

4.根据权利要求1所述的小型化无衍射面中波红外双视场镜头，其特征在于，所述镜头的镜片中的非球面满足下列表达式：

<mrow> <mi>z</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msup> <mi>cr</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> <mrow> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <msqrt> <mrow> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <msup> <mi>c</mi> <mn>2</mn> </msup> <msup> <mi>r</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> </mrow> </mfrac> <mo>+</mo> <msub> <mi>&alpha;</mi> <mn>2</mn> </msub> <msup> <mi>r</mi> <mn>4</mn> </msup> <mo>+</mo> <msub> <mi>&alpha;</mi> <mn>2</mn> </msub> <msup> <mi>r</mi> <mn>6</mn> </msup> <mo>+</mo> <msub> <mi>&alpha;</mi> <mn>4</mn> </msub> <msup> <mi>r</mi> <mn>8</mn> </msup> <mo>+</mo> <msub> <mi>&alpha;</mi> <mn>5</mn> </msub> <msup> <mi>r</mi> <mn>10</mn> </msup> <mo>+</mo> <msub> <mi>&alpha;</mi> <mn>6</mn> </msub> <msup> <mi>r</mi> <mn>12</mn> </msup> </mrow>

5.根据权利要求1所述的小型化无衍射面中波红外双视场镜头，其特征在于，所述镜头的镜片中未使用衍射面。

6.根据权利要求1所述的小型化无衍射面中波红外双视场镜头，其特征在于，所述镜头的水平视场角范围为：2w＝9.2°～2.3°。