CN209182565U - 一种经济型长波红外光学无热化镜头 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种经济型长波红外光学无热化镜头，从物方至像方依次有三组透镜，包括：具有正光焦度的第一透镜，为一片凸面朝向物方的弯月形硫系玻璃正透镜；具有负光焦度的第二透镜，为一片平面在物方一侧的平凹形硫化锌负透镜；具有正光焦度的第三透镜，为一片凸面朝向物方的弯月形锗正透镜。本实用新型可在‑40℃～60℃范围内无热化成像，同时F数为1.0，焦距为50mm，适用于640x480，像元大小17μm的长波非制冷探测器；在‑40℃～60℃温度范围内成像清晰，实现了光学无热化，相比同类型镜头体积小，重量轻，更经济实用。

Description

一种经济型长波红外光学无热化镜头
技术领域
本实用新型属于光学技术领域，涉及一种用于长波红外非制冷探测器的经济型长波红外光学无热化镜头。
背景技术
随着红外技术的日趋成熟，红外光学镜头越来越向可见光镜头领域靠拢，普通已经不能满足更多环境温度的需求，需要使用无热化镜头。无热化镜头能够适应-40℃～60℃温度范围内成像清晰，不会受环境温度变化的影响。光学无热化镜头相对于主动无热化和机械无热化技术具有其独特的优势。因此迫切需要一种体积小，重量轻的光学无热化镜头。这种镜头可以在工作温度范围内保证像质良好，同时光圈保持恒定，安装在手持或者移动式热像仪上，携带方便。相对同类型镜头本新型实用缩小了镜片口径，成本更加低廉。
实用新型内容
本实用新型提供了一种经济型长波红外光学无热化镜头，要解决的技术问题是提供一种光学设计消热差，光学总长短，体积小，便于携带，装调方便，成像质量高的光学无热化镜头。其工作波段为8～12微米，焦距为50mm，F数＝1.0，适配分辨率为640x480，像元大小17微米的非制冷探测器，光学系统总长60.881mm，最大口径50mm。
为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：
一种经济型长波红外光学无热化镜头，由物方到像方依次包括，第一透镜、孔径光阑、第二透镜、第三透镜以及探测器部分；
所述第一透镜具有正光焦度，为一片凸面朝向物方的弯月形硫系玻璃正透镜，表面类型均为非球面；
所述孔径光阑位于第一透镜之后；
所述第二透镜具有负光焦度，为一片平面在物方一侧的平凹形硫化锌负透镜，其朝向像方的一侧为非球面；
所述第三透镜具有正光焦度，为一片凸面朝向物方的弯月形锗单晶正透镜，其表面类型均为非球面；
在所述调焦组后为长波非制冷探测器部分，包括保护窗口和像面。
所述镜头满足如下参数：
所述镜头的有效焦距EFL＝50mm，F数＝1.0，光学系统总长＝60.881mm，适配探测器分辨率640x480，像元大小17μm。
所述镜头的水平视场角范围为：2w＝12.4°。
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。
本实用新型的有益效果为：在-40℃～60摄氏度大范围温度内无热差，光学系统总长为60.881mm，最大口径50mm，结构紧凑。系统只使用了三片镜片，使系统更稳定。同时使用折射式光学结构，装调简便，易于量产。整个温度范围内成像质量优良，全视场的平均MTF>0.67@20lp/mm。
附图说明
图1是本实用新型提供的经济型长波红外光学无热化镜头在常温20℃的光学系统图；
图2是本实用新型提供的经济型长波红外光学无热化镜头在常温20℃的点列图；
图3是本实用新型提供的经济型长波红外光学无热化镜头在常温20℃的光学传递函数图(截止分辨率为30lp/mm)；
图4是本实用新型提供的经济型长波红外光学无热化镜头在常温20℃的场曲畸变图；
图5是本实用新型提供的经济型长波红外光学无热化镜头在低温-40℃的光学系统图；
图6是本实用新型提供的经济型长波红外光学无热化镜头在低温-40℃的点列图；
图7是本实用新型提供的经济型长波红外光学无热化镜头在低温-40℃的光学传递函数图(截止分辨率为30lp/mm)；
图8是本实用新型提供的经济型长波红外光学无热化镜头在低温-40℃的场曲畸变图；
图9是本实用新型提供的经济型长波红外光学无热化镜头在高温60℃的光学系统图；
图10是本实用新型提供的经济型长波红外光学无热化镜头在高温60℃的点列图；
图11是本实用新型提供的经济型长波红外光学无热化镜头在高温60℃的光学传递函数图(截止分辨率为30lp/mm)；
图12是本实用新型提供的经济型长波红外光学无热化镜头在高温60℃的场曲畸变图；
其中，100-物空间，L1-第一透镜，L2-第二透镜，L3-第三透镜，101-探测器保护窗口，102-像面，S1～S7为透镜各个表面及光阑面。
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640×480像元尺寸17μm凝视型焦平面探测器的例子。
图1、图5、图9分别为本实用新型在常温20℃，低温-40℃，高温60℃的光学系统图，所述经济型长波红外光学无热化镜头的结构相同，以其中一个图为例作为说明。
如图1所示，本实用新型应用由正光焦度的第一透镜L1、负光焦度的第二透镜L2、正光焦度的第三透镜L3以及最后的探测器101、102组成。
L1即第一透镜，为凸面朝向物方的正透镜，材料为硫系玻璃，其两个表面S1、S2均为非球面；光阑面为S3；L2即第二透镜，为平面在物方一侧的平凹形为负透镜，材料为硫化锌，两面分别为S4和S5，S5表面为非球面；L3即第三透镜，为凸面朝向物方的正透镜，材料为锗单晶，其两个表面S6、S7均为非球面；长波非制冷探测器包括：保护窗口101，成像面102，分辨率为640x480，像元大小17μmx17μm。
以上三片透镜中，均镀增透膜以保证其透过率。
表1为本实用新型在温度20℃时的光学结构参数：
表1
表面 曲率半径 厚度(间隔) 材料 口径
S1 39.956 7.3 IRG204 50
S2 60.670 4 45.6
S3 Infinity 5.364 45.4
S4 Infinity 2.6 ZNS_IR 44
S5 327.374 25.747 40.6
S6 26.345 3 GE_LONG 26
S7 26.307 10.5 24.6
以上三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为常温20℃时表面S1，S2，S5，S6，S7的非球面系数：
表2
表面 4th 6th 8th 10th
S1 -9.192E-7 7.338E-10 -2.293E-12 -2.166E-15
S2 -1.574E-6 2.989E-9 -1.020E-11 5.652E-15
S5 6.845E-7 -1.853E-9 2.482E-12 -6.013E-15
S6 -1.333E-5 -2.347E-7 -8.473E-11 -3.694-12
S7 -1.635E-5 -3.071E-7 -1.136E-9 5.004E-12
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所述的经济型长波红外光学无热化镜头的具体实施例在常温20℃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所述的经济型长波红外光学无热化镜头的具体实施例在低温-40℃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。
图10-图12是图9所述的经济型长波红外光学无热化镜头的具体实施例在高温60℃状态时的像差分析图，图10是点列图、图11是MTF图、图12是场曲畸变图。
从图中可以发现，各个温度下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<5％。
所述镜头的有效焦距EFL＝50mm，F数＝1.0，光学系统总长＝60.881mm，适配探测器分辨率640x480，像元大小17μmx17μm。所述镜头的水平视场角范围为：2w＝12.4°。
由此可见，本实用新型所述的经济型长波红外光学无热化镜头在温度范围内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 (3)

1.一种经济型长波红外光学无热化镜头，其特征在于：由物方到像方依次包括，第一透镜、孔径光阑、第二透镜、第三透镜以及探测器部分；
所述第一透镜具有正光焦度，为一片凸面朝向物方的弯月形硫系玻璃正透镜，表面类型均为非球面；
所述孔径光阑位于第一透镜之后；
所述第二透镜具有负光焦度，为一片平面在物方的平凹形硫化锌负透镜，其朝向像方的一侧为非球面；
所述第三透镜具有正光焦度，为一片凸面朝向物方的弯月形锗单晶正透镜，表面类型均为非球面；
在所述第三透镜后为长波非制冷探测器部分，包括保护窗口和像面；
镜头的水平视场角范围为：2w＝12.4°，镜头的全视场的平均MTF>0.67@20lp/mm。
2.根据权利要求1所述的经济型长波红外光学无热化镜头，其特征在于，所述镜头满足如下参数：
所述镜头的有效焦距EFL＝50mm，F数＝1.0，光学系统总长＝60.881mm，适配探测器分辨率640x480，像元大小17μm。
3.根据权利要求1所述的经济型长波红外光学无热化镜头，其特征在于，所述镜头的镜片中的非球面满足下列表达式：
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。
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