CN211180373U - 一种四片式大相对孔径中波红外定焦光学系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种四片式大相对孔径中波红外定焦光学系统，包括第一透镜组、第二透镜组，第二透镜组设置于第一透镜组的后方；第二透镜组的后方设置有探测器窗口，第一透镜组、第二透镜组、探测器窗口与焦平面阵列同轴设置且依序从前到后排列；本实用新型的光学系统具有四片透镜，光焦度分别为正负正正，适用于3‑3.5微米探测波段，相对孔径1.2的中波制冷型红外探测器；四片透镜的面型为球面，具有结构紧凑、后截距长、易于批量生产，制造成本低等优点，适用于在线气体泄漏的探测系统。

Description

一种四片式大相对孔径中波红外定焦光学系统

技术领域

本实用新型涉及一种光学系统，尤其涉及一种四片式大相对孔径中波红外定焦光学系统。

背景技术

在线气体泄漏可以采用红外3μm-3.5μm波段进行成像探测，探测需要使用特定的制冷型红外探测器。常规3-5μm中波红外探测器相对孔径为2，在线气体泄漏探测应用的3μm-3.5μm制冷探测器光谱响应带宽窄，为了满足系统响应要求，需要较大的孔径以收集足够多的目标辐射能量，其系统的相对孔径为1.2。适用于3-5μm中波红外探测器的定焦光学系统在设计焦距范围为30mm-100mm时可以采用一次成像的设计方法，结构为三片式，其结构为正负正透镜的形式，镜片材料分别为硅、锗、硅，在第二透镜的一个表面使用非球面面型修正像差，采用探测器冷光阑作为系统孔径光阑。这种结构形式当进一步增大孔径时，无法满足短光学总长，长后截距的技术要求，同时设计使用了非球面增加了光学零件的加工成本。

专利CN108802980A公开了一款四片式调焦中波红外光学系统，该光学系统焦距30mm，相对孔径为2.0，该系统光学总长长，口径小，设计时采用了ZnSe材料，该材料成本很高，国产材料有较多杂质不适合用作光学透镜材料，而国外的材料价格较贵，同时设计时使用了非球面面型，加工工艺复杂，加工成本高，该设计方案不利于低成本的批量生产。

实用新型内容

为了解决上述技术所存在的不足之处，本实用新型提供了一种四片式大相对孔径中波红外定焦光学系统。

为了解决以上技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种四片式大相对孔径中波红外定焦光学系统，包括第一透镜组、第二透镜组，第二透镜组设置于第一透镜组的后方；第二透镜组的后方设置有探测器窗口，第一透镜组、第二透镜组、探测器窗口与焦平面阵列同轴设置且依序从前到后排列；

第一透镜组包括第一透镜、第二透镜，第二透镜同轴设置于第一透镜的后方；第二透镜组包括第三透镜、第四透镜，第四透镜同轴设置于第三透镜的后方；第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜的前端表面、后端表面均为球面；第一透镜、第三透镜、第四透镜均为正透镜，第二透镜为负透镜；

光学系统的焦距为f，第一透镜组、第二透镜组的组合焦距分别为f_1-2、f_3-4；第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜的焦距分别为f₁、f₂、f₃、f₄，各焦距值的取值范围依次为：

2<|f_1-2|/f<3，0.4<|f_3-4|/f<0.6，2.5<f₁/|f₂|<3.5，1.3<f₁/f<1.8，0.4<|f₂|/f<0.5，0.5<f₃/f<1，1.1<f₄/f<1.2；

探测器窗口包括第一探测器窗口、第二探测器窗口，第二探测器窗口为光学系统的孔径光阑。

进一步地、第一透镜、第三透镜、第四透镜的材料均为硅，第一透镜、第三透镜、第四透镜的折射率n_4μm＝3.4255。

进一步地、第二透镜的材料为锗，第二透镜的折射率N_4μm＝4.0222。

本实用新型的光学系统具有四片透镜，光焦度分别为正负正正，适用于3-3.5微米探测波段，相对孔径1.2的中波制冷型红外探测器；四片透镜的面型为球面，具有结构紧凑、后截距长、易于批量生产，制造成本低等优点，适用于在线气体泄漏的探测系统。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为实施例一在不同视场的MTF解像曲线图。

图3为实施例一的场曲和光学畸变图。

图中：1、第一透镜；2、第二透镜；3、第三透镜；4、第四透镜；5、第一探测器窗口；6、第二探测器窗口；7、焦平面阵列。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

如图1所示，一种四片式大相对孔径中波红外定焦光学系统，包括第一透镜组、第二透镜组，第二透镜组设置于第一透镜组的后方；第二透镜组的后方设置有探测器窗口，第一透镜组、第二透镜组、探测器窗口与探测器的焦平面阵列7同轴设置且依序从前到后排列；第一透镜组包括第一透镜1、第二透镜2，第二透镜2同轴设置于第一透镜1的后方；第二透镜组包括第三透镜3、第四透镜4，第四透镜4同轴设置于第三透镜3的后方；第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4的前端表面、后端表面均为球面；具有结构紧凑、后截距长、易于批量生产，制造成本低等优点。

第一透镜1、第三透镜3、第四透镜4均为正透镜，第一透镜1、第三透镜3、第四透镜4的材料均为硅，第一透镜1、第三透镜3、第四透镜4的折射率n_4μm＝3.4255。第二透镜2为负透镜，第二透镜2的材料为锗，第二透镜2的折射率N_4μm＝4.0222。光学系统的焦距为f，第一透镜组、第二透镜组的组合焦距分别为f_1-2、f_3-4；第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4的焦距分别为f₁、f₂、f₃、f₄，各焦距值的取值范围依次为：

2<|f_1-2|/f<3，0.4<|f_3-4|/f<0.6，2.5<f₁/|f₂|<3.5，1.3<f₁/f<1.8，0.4<|f₂|/f<0.5，

0.5<f₃/f<1，1.1<f₄/f<1.2；

探测器窗口包括第一探测器窗口5、第二探测器窗口6，第二探测器窗口6为光学系统的孔径光阑。

下面通过一项具体实施例对本实用新型的光学系统的光学性能作进一步详细的说明。

实施例一、

本实用新型的光学系统的第一透镜1的前端、后端表面分别为第一表面、第二表面，第二透镜2的前端、后端表面分别为第三表面、第四表面，第三透镜3的前端、后端表面分别为第五表面、第六表面，第四透镜4的前端、后端表面分别为第七表面、第八表面。光学系统的具体光学参数参见表1、表2：

表1

名称	参数
		焦距	35mm
F#	1.2
		工作波段	3～3.5μm
适配探测器	320×256 30μm
		平均透过率	≥92％
视场角	15.6°×12.5°
		光学总长	≤75mm

表2

本实用新型的光学系统的成像评价如下：

不同视场的MTF(Moudlation Transfer Function，调制传递函数)曲线如图2所示，图中TS衍射极限表示系统的衍射极限，TS0.0000表示中心视场MTF，TS6.1500表示边缘视场，横轴表示每mm对应的线对数，纵轴表示归一化OTF系数,其中OTF全称为：opticaltransfer function，即光学传递函数。图中的中心视场传函在25lp/mm处≥0.85接近衍射极限，边缘视场传函在25lp/mm处≥0.65，根据计算30μm像元大小的探测器其空间截止频率为16.7lp/mm，当前设计的光学系统能够很好对探测器进行匹配。

本实用新型的光学系统的场曲图和光学畸变图如图3所示，两个曲线图的纵坐标都表示归一化的视场，场曲图的横坐标为场曲，单位为毫米；T和S分别表示子午和弧矢量，T和S之间的距离表示像散的大小；光学畸变图的横坐标表示相对于中心视场的畸变量，以百分比表示。通过光学畸变图可知，全视场畸变≤3％。

上述实施方式并非是对本实用新型的限制，本实用新型也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本实用新型的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也均属于本实用新型的保护范围。

Claims (3)

1.一种四片式大相对孔径中波红外定焦光学系统，其特征在于：包括第一透镜组、第二透镜组，第二透镜组设置于第一透镜组的后方；所述第二透镜组的后方设置有探测器窗口，第一透镜组、第二透镜组、探测器窗口与焦平面阵列(7)同轴设置且依序从前到后排列；

所述第一透镜组包括第一透镜(1)、第二透镜(2)，第二透镜(2)同轴设置于第一透镜(1)的后方；所述第二透镜组包括第三透镜(3)、第四透镜(4)，第四透镜(4)同轴设置于第三透镜(3)的后方；所述第一透镜(1)、第二透镜(2)、第三透镜(3)、第四透镜(4)的前端表面、后端表面均为球面；所述第一透镜(1)、第三透镜(3)、第四透镜(4)均为正透镜，第二透镜(2)为负透镜；

所述光学系统的焦距为f，第一透镜组、第二透镜组的组合焦距分别为f_1-2、f_3-4；所述第一透镜(1)、第二透镜(2)、第三透镜(3)、第四透镜(4)的焦距分别为f₁、f₂、f₃、f₄，各焦距值的取值范围依次为：

2<|f_1-2|/f<3，0.4<|f_3-4|/f<0.6，2.5<f₁/|f₂|<3.5，1.3<f₁/f<1.8，0.4<|f₂|/f<0.5，

0.5<f₃/f<1，1.1<f₄/f<1.2；

所述探测器窗口包括第一探测器窗口(5)、第二探测器窗口(6)，第二探测器窗口(6)为光学系统的孔径光阑。

2.根据权利要求1所述的四片式大相对孔径中波红外定焦光学系统，其特征在于：所述第一透镜(1)、第三透镜(3)、第四透镜(4)的材料均为硅，第一透镜(1)、第三透镜(3)、第四透镜(4)的折射率n_4μm＝3.4255。

3.根据权利要求2所述的四片式大相对孔径中波红外定焦光学系统，其特征在于：所述第二透镜(2)的材料为锗，第二透镜的折射率N_4μm＝4.0222。

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