CN209784643U - 一种短波红外镜头 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种短波红外镜头，镜片数目少，通过较小的体积和重量实现高质量成像。本实用新型通过对各组份组成进行设计，通过较少的镜片实现25.6mm～90.6mm，3.5倍光学变焦需求，同时实现较高的系统透过率和较高的分辨率，最终满足MTF≥0.55@30lp/mm；在较小的体积和重量下，实现l/f＜1.44。

Description

一种短波红外镜头

技术领域

本实用新型涉及光学镜头技术领域，具体涉及一种短波红外镜头。

背景技术

所有利用红外辐射成像的技术都是红外成像技术，包括被动红外成像技术和主动红外成像技术，其中，没有人工红外光源照明、只依靠接收景物自身发射的红外辐射信号成像的技术是被动红外成像技术。被动红外成像技术包括热成像和短波红外成像两种，其中热成像是指接收景物发射长波红外成像与接收景物发射中波红外成像；短波红外成像是指接收景物反射短波红外成像，当目标的温度升高到能发射足够强的短波红外辐射时，短波红外成像又变成既接收目标自身发射，又接收景物反射的短波红外辐射，其中短波红外辐射是指波长为0.76μm～3μm的红外辐射，其主要来源有自然环境反射、高温物体主动辐射及人造短波红外光源。短波红外成像包含特定的光谱辐射信息，可以获得更多的图像细节，可以提供可见光、微光夜视、中波以及长波红外成像所不能提供的信息。在透雾能力方面，与可见光相比，近红外光传输受雾霾、空气中的尘埃衰减损耗小，透雾能力更强。

可见，短波红外成像填补了微光夜视和中波红外成像之间的光谱空缺，实现在三个大气红外透射窗口的“无缝隙探测”，对在红外波段全面获取目标的信息具有重要意义。短波红外成像的应用领域非常广泛，不仅可以用于夜视、侦察与监视、遥感、红外成像制导及光电对抗等军事领域，还可用于光谱学、无损检测、工业多光谱成像分析、资源遥感、红外天文学、交通、风切变探测、医疗以及公安等领域是一项很实用的军民两用技术，随着红外热像仪在新领域的应用，未来这种装置将渗透到国民经济生活的各个领域，民用领域的红外热像仪市场极有可能出现爆发性增长，未来民用潜在需求市场高达上千亿美元。

现有的短波红外镜头采用的镜片数目较多，整体长度较长，不能适用于对镜头体积和重量有需求的设备。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种短波红外镜头，镜片数目少，通过较小的体积和重量实现高质量成像。

为实现上述目的，本实用新型的一种短波红外镜头，包括前组、变倍组、补偿组以及后组，前组包括前组胶合镜和前组单透镜；变倍组包括变倍单透镜和变倍胶合镜；补偿组包括补偿单透镜和补偿胶合镜；

其中，前组单透镜为n≤1.49且色散系数γ≥81的镜片；

变倍单透镜为弯向像面方向的负透镜；

前组胶合镜、变倍胶合镜以及补偿胶合镜中均包括一片折射率n≥1.9且色散系数γ≤21的镜片以及一片折射率1.67≤n＜1.9的镜片；其中，前组胶合镜的前片为折射率n≥1.9且色散系数γ≤21的镜片；

后组包括一片n≤1.49且色散系数γ≥81的镜片以及一片折射率n≥1.9且色散系数γ≤21的镜片，折射率n≥1.9且色散系数γ≤21的镜片弯向像面。

其中后组的前方设有可变孔径光阑。

其中前组前设有球罩。

其中，前组单透镜采用萤石或H-FK61玻璃。

其中，前组胶合镜采用重火石类ZF62玻璃和镧火石类LaF5玻璃组合。

其中，变倍单透镜采用重火石玻璃。

其中，补偿胶合镜采用镧冕玻璃和重火石玻璃组合。

其中，后组包括后组一镜、后组二镜、后组三镜和后组四镜；后组一镜采用氟化物玻璃；后组二镜采用氟冕玻璃，后组三镜采用重火石玻璃；后组四镜采用氟冕玻璃；后组一镜背向像面，后组三镜弯向像面。

有益效果：

1.本实用新型通过对各组份组成进行设计，通过较少的镜片实现25.6mm～90.6mm，3.5倍光学变焦需求，同时实现较高的系统透过率和较高的分辨率，最终满足MTF≥0.55@30lp/mm；在较小的体积和重量下，实现l/f＜1.44；

2.本实用新型主要设计波段为0.9μm～1.7μm，有利于透雾和夜间使用；

3.本实用新型满足光电桅杆回转头对体积和重量的需求，可以满足直径180mm光电桅杆使用；

4.本实用新型通过无热化设计，确保产品-40℃～60℃使用温度范围内成像质量。

附图说明

图1为本实用新型连续变焦短波红外镜头组份示例；

图2为本实用新型连续变焦短波红外镜头短焦示例；

图3为本实用新型连续变焦短波红外镜头中焦示例；

图4为本实用新型连续变焦短波红外镜头长焦示例；

图5为本实用新型连续变焦短波红外镜头短焦MTF示例；

图6为本实用新型连续变焦短波红外镜头中焦MTF示例；

图7为本实用新型连续变焦短波红外镜头长焦MTF示例。

具体实施方式

下面结合图并举实施例，对本实用新型进行详细描述。

短波红外镜头由于波长的特殊关系，介于可见光和中波红外之间，可用的光学材料相对于可见光系统少，其波段导致其衍射极限较可见光要高，并且红外系统需要考虑其热膨胀的影响。所以在短波红外镜头设计时，需要综合考虑结构形式的选项、材料的组合应用、像差的校正以及体积的控制等。另外，光学系统色差校正的重要手段之一就是利用光学材料的不同色散性能进行合理的光焦度分配，通常情况下，透射式光学系统由若干个正光焦度和负光焦度的镜片组成，在可见光波段进行色差校正时往往用色散小的冕牌玻璃作正透镜，色散大的火石玻璃作负透镜，但这两种类型的玻璃在短波红外波段其色散特性发生变化，采用这种方法不能有效地校正色差。

本实施例的一种短波红外镜头，如图1所示，包括前组1、变倍组2、补偿组3以及后组4，后组4的前方设有可变孔径光阑。短波红外镜头选取InGaAs探测器敏感波段0.9μm～1.7μm作为光学系统设计波段，焦距设计值为25.6mm～90.6mm，相对孔径设计值为1/4，探测器分辨率为640×512，像元大小为17μm，系统机械总长为100mm。

如图2～图4所示该连续变焦短波红外系统的短焦、中焦、长焦光路图，包括球罩0、前组1、变倍组2、补偿组3以及后组4。为减少镜片数目，通过较小的体积和重量实现高质量成像。前组1包括前组胶合镜1-2和前组单透镜1-3；变倍组2包括变倍单透镜2-4和变倍胶合镜2-5；补偿组3包括补偿单透镜3-6和补偿胶合镜3-7；

其中，前组单透镜1-3为n≤1.49且色散系数γ≥81的镜片；

变倍单透镜2-4为弯向像面方向的负透镜；

前组胶合镜1-2、变倍胶合镜2-5以及补偿胶合镜3-7中均包括一片折射率n≥1.9且色散系数γ≤21的镜片以及一片折射率1.67≤n＜1.9的镜片；其中，前组胶合镜1-2的前片为折射率n≥1.9且色散系数γ≤21玻璃的镜片；

后组4包括一片n≤1.49且色散系数γ≥81的镜片以及一片折射率n≥1.9且色散系数γ≤21的镜片，且射率n≥1.9且色散系数γ≤21的镜片弯向像面。

前组1为前组胶合镜1-2和前组单透镜1-3的组合。本实施例中，前组胶合镜1-2采用重火石类玻璃ZF62和镧火石类玻璃LaF5组合，用于消色差，同时提高了前组的光焦度承担能力；前组单透镜1-3采用萤石或玻璃H-FK61，有效降低光学系统的二级光谱等像差。

变倍组2为变倍单透镜2-4和变倍胶合镜2-5的组合。本实施例中，变倍单透镜2-4采用高折射率低色散的重火石玻璃，变倍胶合镜2-5采用高折射率重镧火石玻璃和高折射率低色散重火石玻璃组合，变倍单透镜2-4采用弯向像面方向的负透镜和变倍胶合镜2-5采用负光焦度的组合降低变倍组光线集中大幅度偏转程度，减小变倍组像差集中程度，并消除系统色差。补偿组3采用补偿单透镜3-6和补偿胶合镜3-7组合，补偿单透镜3-6采用高折射率玻璃，补偿胶合镜3-7采用镧冕玻璃和高折射率低色散重火石玻璃组合，用于补偿变倍组移动量导致的像面移动，同时综合校正系统剩余像差。

后组4采用四个单透镜组成，主要用于补偿剩余残差，使系统满足最终焦距放大率要求；轴外像差的校正考虑调整后组4的结构以增加系统校正像差的能力，而校正场曲主要用正负光焦度分离的办法来实现，为了不增加后组4结构的复杂性，本实施例采用一个弯月型的透镜起到正负光焦度分离的功能，而像散的校正通过改变透镜的弯曲度来实现。后组4包括后组一镜4-8、后组二镜4-9、后组三镜4-10和后组四镜4-11；后组一镜4-8采用氟化物玻璃；后组二镜4-9采用氟冕玻璃，后组三镜4-10采用重火石玻璃；后组四镜4-11采用氟冕玻璃。后组一镜4-8采用低折射率高色散氟化物玻璃弯向光阑即背向像面，有利于校正色差；后组二镜4-9和后组三镜4-10采用高折射率氟冕玻璃和重火石玻璃，后组三镜4-10背向光阑即弯向像面，有利于校正系统场曲。

图5至图7为该实用新型连续变焦短波红外镜头短焦，中焦，长焦的MTF曲线示意，MTF≥0.55@30lp/mm。

该实用新型连续变焦短波红外镜头达到了以下技术指标：焦距25.6mm～90.6mm，变倍比3.5倍；相对孔径D/f为1/4；视场角24°×19.3°～6.9°×5.5°；MTF≥0.55@30lp/mm，适配640系列短波摄像机，适用温度-40℃～60℃。

本实用新型的短波红外镜头适用于光电桅杆，光电桅杆是一种新型电光传感器位于桅杆的旋转顶端，可同时容纳多人使用。该光电桅杆使用短波红外连续变焦镜头和InGaAs传感器作为主要成像部分，使其具有可见光图像分辨率和细节方面的优点，同时具有短波红外物体识别的战术优点，具有利用夜空辉光成像的优点，具有尺寸小、功率低的优点。

综上所述，以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种短波红外镜头，包括前组(1)、变倍组(2)、补偿组(3)以及后组(4)，其特征在于，前组(1)包括前组胶合镜(1-2)和前组单透镜(1-3)；变倍组(2)包括变倍单透镜(2-4)和变倍胶合镜(2-5)；补偿组(3)包括补偿单透镜(3-6)和补偿胶合镜(3-7)；

其中，前组单透镜(1-3)为n≤1.49且色散系数γ≥81的镜片；

变倍单透镜(2-4)为弯向像面方向的负透镜；

前组胶合镜(1-2)、变倍胶合镜(2-5)以及补偿胶合镜(3-7)中均包括一片折射率n≥1.9且色散系数γ≤21的镜片以及一片折射率1.67≤n＜1.9的镜片；其中，前组胶合镜(1-2)的前片为折射率n≥1.9且色散系数γ≤21的镜片；

后组(4)包括一片n≤1.49且色散系数γ≥81的镜片以及一片折射率n≥1.9且色散系数γ≤21的镜片，折射率n≥1.9且色散系数γ≤21的镜片弯向像面。

2.如权利要求1所述的短波红外镜头，其特征在于，后组(4)的前方设有可变孔径光阑。

3.如权利要求1所述的短波红外镜头，其特征在于，前组(1)前设有球罩(0)。

4.如权利要求1所述的短波红外镜头，其特征在于，前组单透镜(1-3)采用萤石或H-FK61玻璃。

5.如权利要求1所述的短波红外镜头，其特征在于，前组胶合镜(1-2)采用重火石类ZF62玻璃和镧火石类LaF5玻璃组合。

6.如权利要求1所述的短波红外镜头，其特征在于，变倍单透镜(2-4)采用重火石玻璃。

7.如权利要求1所述的短波红外镜头，其特征在于，补偿胶合镜(3-7)采用镧冕玻璃和重火石玻璃组合。

8.如权利要求1所述的短波红外镜头，其特征在于，后组(4)包括后组一镜(4-8)、后组二镜(4-9)、后组三镜(4-10)和后组四镜(4-11)；后组一镜(4-8)采用氟化物玻璃；后组二镜(4-9)采用氟冕玻璃，后组三镜(4-10)采用重火石玻璃；后组四镜(4-11)采用氟冕玻璃；后组一镜(4-8)背向像面，后组三镜(4-10)弯向像面。