CN216696831U - 一种用于非制冷长波红外成像的光学被动消热差光学系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种用于非制冷长波红外成像的光学被动消热差光学系统，在壳体内由物方到像方依次设置有第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和非制冷长波红外探测器保护窗口；第一透镜具有负光焦度，其前表面和后表面均为偶次非球面；第二透镜具有负光焦度，其前表面为球面、后表面为偶次非球面；第三透镜具有正光焦度，其前表面为球面、后表面为基底为偶次非球面的二元衍射面；第四透镜具有正光焦度，其前表面为球面、后表面为偶次非球面；非制冷长波红外探测器保护窗口为一块平板玻璃，其前表面和后表面半径为无穷大。本实用新型具有大视场、小F数和小畸变等特点，能够满足车载夜视用的需求。
Description
技术领域
本实用新型属于光学设计技术领域，涉及一种用于非制冷长波红外成像的光学被动消热差光学系统，尤其是一种大视场、小F数、小畸变、用于非制冷长波红外成像的光学被动消热差光学系统。
背景技术
近年来随着非制冷型探测器技术的不断发展，非制冷型探测器的像元尺寸由25微米过渡到12微米，探测器像元大小不断下降；非制冷型探测器的分辨率由160×120升至1280×1024，分辨率得到很大提升；同时非制冷探测器的灵敏度不断提高、成本不断降低，使红外成像系统在车载夜视和安防监控等领域的应用越来越广泛。
对于车载夜视用的红外成像系统，外挂在车外使用，不仅需要视场大，还要看的远，图像没有变形，同时能适应车外恶劣的温度环境，需要一种大视场、小F数、小畸变、光学被动消热差的红外成像系统。现有红外成像系统不能同时具备大视场、小F数、小畸变、光学被动消热差的车载需求。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服上述不足，提供一种大视场、小F数、小畸变、用于非制冷长波红外成像的光学被动消热差光学系统。
为实现上述目的，本实用新型采取如下的技术方案：
一种用于非制冷长波红外成像的光学被动消热差光学系统，包括铝质材料壳体，从物方到像方，在壳体内同光轴依次设置有第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，在壳体内位于第四透镜的后方还设置有非制冷长波红外探测器保护窗口。
所述光学系统有效焦距为16.66mm，F数为0.93，圆形视场为49.5°，最大畸变为-1.1％，工作波段为8μm～9.6μm(中心波长)～12μm，光学总长为35.5mm，工作温度范围-40℃～60℃。
所述光学系统的光阑面选在第三透镜的前表面上。
所述光学系统采用第一透镜采用锗材料，第二透镜、第三透镜和第四透镜采用IRG206材料，光学系统壳体采用铝材料，依次组合进行光学被动消热差。
所述第一透镜具有负光焦度，其前表面和后表面均为偶次非球面。
所述第二透镜具有负光焦度，其前表面为球面、后表面为偶次非球面。
所述第三透镜具有正光焦度，其前表面为球面、后表面为基底为偶次非球面的二元衍射面。
所述第四透镜具有正光焦度，其前表面为球面、后表面为偶次非球面。
所述非制冷长波红外探测器保护窗口为一块平板玻璃，其前表面和后表面半径为无穷大。
所述第一透镜前表面暴露外面，需要镀制碳膜，起到保护作用，其余表面均镀制增透膜。
上述的前表面定义为光入射面、后表面定义为光出射面。
所述透镜采用的偶次非球面满足以下表达式：
其中z表示偶次非球面沿光轴方向在高度为r时的位置距离非球面顶点的矢高，c表示表面顶点的曲率，k表示圆锥系数，α4、α6、α8、α10表示高次非球面系数。
本实用新型所述二元衍射面满足以下表示式。
φ＝A1ρ2+A2ρ4
其中Φ为衍射面的位相，ρ＝r/rn,rn是衍射面规划半径，A1、A2是衍射面的位相系数。
本实用新型的有益效果：
本实用新型的用于非制冷长波红外成像的光学被动消热差光学系统具有大视场、小F数和小畸变等特点。此光学系统有效焦距为16.66mm，F数为0.93，可以提高整机系统的分辨力，可以观察更远的目标；此光学系统圆形视场为49.5°，可以观察更大的视野；此光学系统最大畸变为-1.1％，所成热图像具有很小的变形，观察更逼真舒适；此光学系统光学被动消热差的设计型式，能适应外界-40℃～60℃的温度变化。具体的，本实用新型具有以下优点：
1)此光学系统可实现在-40℃～+60℃工作温度范围内成像清晰；
2)此光学系统具有较大的观察视野；
3)此光学系统具有较高的分辨能力；
4)此光学系统显示的图像具有很小的变形。
附图说明
图1：本实用新型的光学布局型式图。
图2：光学系统20℃时MTF曲线。
图3：光学系统20℃时畸变曲线。
图4：光学系统-40℃时MTF曲线。
图5：光学系统-40℃时畸变曲线。
图6：光学系统60℃时MTF曲线。
图7：光学系统60℃时畸变曲线。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。
参见图1所示，一种大视场、小F数、小畸变、用于非制冷长波红外成像的光学被动消热差光学系统，在壳体内，由物方到像方依次设置有第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4和非制冷长波红外探测器保护窗口5，所述第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3和第四透镜4同光轴设置。
所述光学系统有效焦距为16.66mm，F数为0.93，圆形视场为49.5°，最大畸变为-1.1％，工作波段为8μm～9.6μm(中心波长)～12μm，光学总长为35.5mm，工作温度范围-40℃～60℃。
所述光学系统的光阑面选在第三透镜3的前表面S301上。
所述光学系统采用第一透镜1采用锗材料，第二透镜2、第三透镜3和第四透镜4采用IRG206，光学系统壳体采用铝材料，依次组合进行光学被动消热差。
所述第一透镜1具有负光焦度，其前表面S101和后表面S102均为偶次非球面。
所述第二透镜2具有负光焦度，其前表面S201为球面、后表面S202为偶次非球面。
所述第三透镜3具有正光焦度，其前表面S301为球面、后表面S302为基底为偶次非球面的二元衍射面。
所述第四透镜4具有正光焦度，其前表面S401为球面、后表面S402为偶次非球面；
所述非制冷长波红外探测器保护窗口5为一块平板玻璃，其前表面S501和后表面S502半径为无穷大。
所述第一透镜1前表面S101暴露外面，需要镀制碳膜，起到保护作用，其余表面S102、S201、S202、S301、S302、S401、S405均镀制增透膜。
表1为本实用新型光学系统的光学结构参数。
表1
S101、S102、S202、S302、S402表面涉及到的偶次非球面面型满足以下表达式。
其中z表示偶次非球面沿光轴方向在高度为r时的位置距离非球面顶点的矢高，c表示表面顶点的曲率，k表示圆锥系数，α4、α6、α8、α10表示高次非球面系数。
表2为表面S101、S102、S202、S302、S402的偶次非球面参数。
表2
| 表面 | k | α<sub>4</sub> | α<sub>6</sub> | α<sub>8</sub> | α<sub>10</sub> |
| S101 | 0 | -2.010398E-005 | -2.632286E-007 | -1.627958E-010 | -1.189522E-011 |
| S102 | 0 | -5.674726E-005 | -3.341800E-007 | -1.689006E-008 | 8.909678E-011 |
| S202 | 0 | 9.390135E-006 | -7.385138E-008 | 7.976231E-010 | -1.045179E-011 |
| S302 | 0 | -5.348681E-005 | 1.336975E-007 | 3.333542E-009 | -1.963715E-011 |
| S402 | 0 | 2.433259E-004 | -5.454186E-007 | 6.445088E-008 | -3.867020E-010 |
S302表面涉及到的二元衍射面满足以下表达式。
φ＝A1ρ2+A2ρ4
其中Φ为衍射面的位相，ρ＝r/rn,rn是衍射面规划半径，A1、A2是衍射面的位相系数。
表3为S302表面的衍射参数。
表3
| 表面 | r<sub>n</sub> | H<sub>1</sub> | H<sub>2</sub> | H<sub>3</sub> | H<sub>4</sub> |
| S302 | 9 | -43.028048 | 10.815663 | 6.217114 | -6.939252 |
图2～图7示出了本实用新型的光学系统对应的光学传递函数(中心频率42lp/mm)和畸变曲线。从图中可以判断出光学系统在-40℃、20℃、60℃工作温度范围内与视场、孔径有关的轴向球差、垂轴球差、轴向色差、垂轴色差、慧差、场曲、畸变七种像差及对应的高级像差得到很好的校正，成像清晰无明显变形。
综上所述，以上仅为本实用新型的较佳的实施例，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 (10)
1.一种用于非制冷长波红外成像的光学被动消热差光学系统，包括壳体，其特征在于，从物方到像方，在所述壳体内同光轴依次设置有第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；其中：所述第一透镜具有负光焦度，其前表面和后表面均为偶次非球面；所述第二透镜具有负光焦度，其前表面为球面，其后表面为偶次非球面；所述第三透镜具有正光焦度，其前表面为球面，其后表面为基底为偶次非球面的二元衍射面；所述第四透镜具有正光焦度，其前表面为球面，其后表面为偶次非球面。
2.根据权利要求1所述的用于非制冷长波红外成像的光学被动消热差光学系统，其特征在于，所述光学系统的光阑面在第三透镜的前表面上。
3.根据权利要求1所述的用于非制冷长波红外成像的光学被动消热差光学系统，其特征在于，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜的前表面和后表面均镀制有增透膜；所述第一透镜的前表面镀制有碳膜，起到保护作用。
4.根据权利要求1所述的用于非制冷长波红外成像的光学被动消热差光学系统，其特征在于，所述第一透镜采用锗材料；所述第二透镜、第三透镜和第四透镜采用IRG206材料；所述壳体为铝质材料。
5.根据权利要求1所述的用于非制冷长波红外成像的光学被动消热差光学系统，其特征在于，所述偶次非球面满足以下表达式：
其中：z表示偶次非球面沿光轴方向在高度为r时的位置距离非球面顶点的矢高，c表示表面顶点的曲率，k表示圆锥系数，α4、α6、α8、α10表示高次非球面系数。
6.根据权利要求1所述的用于非制冷长波红外成像的光学被动消热差光学系统，其特征在于，所述二元衍射面满足以下表示式：
φ＝A1ρ2+A2ρ4
其中：Φ为衍射面的位相，ρ＝r/rn,rn是衍射面规划半径，A1、A2是衍射面的位相系数。
7.根据权利要求1-6任一项所述的用于非制冷长波红外成像的光学被动消热差光学系统，其特征在于，所述光学系统的有效焦距为16.66mm、F数为0.93、圆形视场为49.5°、最大畸变为-1.1％。
8.根据权利要求1-6任一项所述的用于非制冷长波红外成像的光学被动消热差光学系统，其特征在于，所述光学系统的工作波段为8μm～12μm，其中心波长为9.6μm。
9.根据权利要求1-6任一项所述的用于非制冷长波红外成像的光学被动消热差光学系统，其特征在于，在所述壳体内位于第四透镜的后方还设置有非制冷长波红外探测器保护窗口，所述非制冷长波红外探测器保护窗口为一块平板玻璃。
10.根据权利要求9所述的用于非制冷长波红外成像的光学被动消热差光学系统，其特征在于，所述光学系统的光学总长为35.5mm。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN115327752A (zh) * | 2022-08-26 | 2022-11-11 | 安徽宿杭之光光电有限公司 | 一种入瞳外置的大视场小畸变长波红外光学成像系统 |
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2022
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