CN215297804U - 一种大相对孔径红外双波段无热化物镜 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种大相对孔径红外双波段无热化物镜，包括沿同一光轴依次设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜；其中，第一、第三透镜为负弯月透镜，第二透镜为正弯月透镜，第一透镜、第三透镜的像方侧表面为非球面，第二透镜的像方侧表面为非球面加衍射面。该物镜匹配面阵为640×512，像元尺寸为17μm，工作波段为中波（3.7μm～4.8μm）和长波（8μm～12μm）的非制冷双波段红外面阵探测器。通过设置折射加衍射的光学结构以及合理选择光学材料，使得该物镜在‑40℃～60℃的温度范围内成像优良。本实用新型光学系统的结构简单、紧凑，可靠性高。

Description

一种大相对孔径红外双波段无热化物镜

技术领域

本实用新型属于光学设计技术领域，具体涉及一种大相对孔径红外双波段无热化物镜。

背景技术

与单色红外探测器相比,双波段探测器能更好地排除虚假信号,得到更多有意义的目标信息，进而对复杂的背景进行抑制，显著提高目标识别能力。适用于双波段光学红外系统的均匀性好的光学材料很难获取，且材料种类少。不同光学材料在同一波段具有不同的色散特性，而同一光学材料在不同波段也表现出不同的色散能力，尤其是后者，某些光学材料在不同波段色散特性差异变化较大，这样的材料特性差异使得双波段光学系统设计存在较大困难。此外，对于大相对孔径光学系统，因其焦深小，实际允许成像质量良好的温度变化范围较小，对其进行设计时还必须考虑消色差和消热差的要求。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种光大相对孔径红外双波段无热化物镜，能够匹配非制冷双波段阵列探测器，该物镜不需要调焦即可在宽温度范围内成像清晰。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种大相对孔径红外双波段无热化物镜，包括：沿同一光轴依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜；所述第一、第三透镜为负弯月透镜，第二透镜为正弯月透镜；所述第一透镜、第三透镜的像方侧表面为非球面，所述第二透镜的像方侧表面为非球面加衍射面；所述第一透镜和第二透镜的空气间隔为1.7mm、第二透镜和第三透镜的空气间隔为70.2mm；所述物镜的光学指标：

焦距：75mm；

相对孔径F：1.1；

视场角：10.6°；

所述物镜匹配面阵为640×512，像元尺寸为17μm，工作波段为中波：3.7μm～4.8μm和长波：8μm～12μm的非制冷双波段红外面阵探测器。

进一步的，所述非球面加衍射面为非球面上设置多个衍射环带。

所述衍射环带有十个、具体参数为：

所述物镜的光学系统参数(单位：mm)：

所述非球面系数：

所述非球面加衍射面系数：

表面序号	M	B1	B2
				S4	1	-73.4591	8.8945

与现有技术相比较，本实用新型的有益效果为：系统采用三片式结构，利用衍射光学元件的负色散特性，可实现对光波面的任意相位调制，结合使用非球面折射元件平衡系统像差及热差，可以实现双波段成像，并且改善系统成像质量、减小系统体积和重量；系统采用锗与硫系玻璃材料结合，不仅提升高低温环境下的成像质量，还使得物镜更易于加工和装调；系统匹配像元尺寸为17μm、面阵640×512双波段红外面阵探测器，无需制冷，因此可以减小体积、降低功耗，其在-40℃～60℃的温度范围内性能稳定。

附图说明

图1所示为本实用新型实施例的光学结构示意图；

图2所示为本实用新型实施例20℃环境下中波传递函数图；

图3所示为本实用新型实施例-40℃环境下中波传递函数图；

图4所示为本实用新型实施例60℃环境下中波传递函数图；

图5所示为本实用新型实施例20℃环境下长波传递函数图；

图6所示为本实用新型实施例-40℃环境下长波传递函数图；

图7所示为本实用新型实施例60℃环境下长波传递函数图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1～图7所示，一种大相对孔径红外双波段无热化物镜，包括：沿同一光轴依次设置的第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3，为清楚展示本实施例，图1中还包括红外探测器保护玻璃4和红外探测器靶面5。其中，第一、第三透镜为负弯月透镜，第二透镜为正弯月透镜。由于系统相对孔径大，球差很难校正，所以在系统中加入了非球面进行校正，再配合设置衍射结构，可以很好的校正色差和热差，在本实施例中，第一透镜、第三透镜的像方侧表面为非球面、第二透镜的像方侧表面为非球面加衍射面。第一透镜和第二透镜的空气间隔为1.7mm、第二透镜和第三透镜的空气间隔为70.2mm；物镜的光学指标：

焦距：75mm；

相对孔径F：1.1；

视场角：10.6°；

该物镜匹配面阵为640×512，像元尺寸为17μm，工作波段为中波：3.7μm～4.8μm和长波：8μm～12μm的非制冷双波段红外面阵探测器。

非球面加衍射面为非球面上设置多个衍射环带。具体的，衍射环带有十个、围绕第二透镜圆心设置，具体参数为：

Cycles	Radius
		-1	9.702094
-2	13.795583
		-3	16.991280
-4	19.734360
		-5	22.197298
-6	24.468964
		-7	26.602729
-8	28.634038
		-9	30.588306
-10	32.484930

本实施例中物镜的光学系统参数(单位：mm)：

非球面系数：

非球面加衍射面系数：

表面序号	M	B1	B2
				S4	1	-73.4591	8.8945

锗的折射率和阿贝系数都较大，第一透镜采用锗材料可提高光学系统的透过率和减少产品的重量、体积，同时锗可以镀硬质碳膜，以满足产品在恶劣环境条件下工作的需求；第二和第三透镜均采用硫系玻璃，硫系玻璃具有优良的消热差和色散特性，特别适用于设计红外无热化镜头。硫系玻璃采用模压成型的方式，完成球面、非球面和非球面加衍射面的加工和生产。需要进一步说明的是，第二透镜的像方侧表面，即S4面采用的非球面加衍射面的形式，包括了折射和单层衍射两种结构，使其具有折射和衍射的双重作用。

本实施例匹配面阵640×512，像元尺寸为17μm非制冷双波段红外面阵探测器。如图2～图7所示，当像元尺寸为17μm时，对应的尼奎斯特频率处，即29.4lp/mm处，中波红外在-40℃～60℃温度范围内，对应0视场、0.7视场和全视场的子午和弧矢MTF值均大于0.48；长波红外在-40℃～60℃温度范围内，对应0视场、0.7视场和全视场的子午和弧矢MTF值均大于0.37。根据公式：焦深△＝±2λF²，计算得中波时系统焦深为±9.7μm、长波时系统焦深为±24.2μm，在-40℃～60℃的温度范围内，中波的最大离焦量为7.6μm，长波的最大离焦量为11.8μm，可见，无论中波还是长波，系统的最大离焦量均小于焦深，满足成像质量要求。另外，在-40℃～60℃范围内，无论中波还是长波，系统的弥散斑均小于像元尺寸17μm，说明可以获得优良的成像质量。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。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，均包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种大相对孔径红外双波段无热化物镜，其特征在于，包括：沿同一光轴依次设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜；所述第一、第三透镜为负弯月透镜，第二透镜为正弯月透镜；所述第一透镜、第三透镜的像方侧表面为非球面，所述第二透镜的像方侧表面为非球面加衍射面；所述第一透镜和第二透镜的空气间隔为1.7mm、第二透镜和第三透镜的空气间隔为70.2mm；所述物镜的光学指标：

焦距：75mm；

相对孔径F：1.1；

视场角：10.6°；

所述物镜匹配面阵为640×512，像元尺寸为17μm，工作波段为中波：3.7μm～4.8μm和长波：8μm～12μm的非制冷双波段红外面阵探测器。

2.根据权利要求1所述的大相对孔径红外双波段无热化物镜，其特征在于，所述非球面加衍射面为非球面上设置多个衍射环带。

3.根据权利要求2所述的大相对孔径红外双波段无热化物镜，其特征在于，所述衍射环带有十个、具体参数为：

。

4.根据权利要求3所述的大相对孔径红外双波段无热化物镜，其特征在于，所述物镜的光学系统参数（单位：mm）：

。

5.根据权利要求4所述的大相对孔径红外双波段无热化物镜，其特征在于，所述非球面系数：

。

6.根据权利要求4所述的大相对孔径红外双波段无热化物镜，其特征在于，所述非球面加衍射面系数：

。

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