CN219456620U - 一种短距离探测短波红外望远镜 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种短距离探测短波红外望远镜，为同轴透射式光学系统，工作波段为1000nm～2500nm，包括一块窗口玻璃以及八块球面透镜。沿光线入射方向，依次为第一平面窗口片、第二负弯月透镜、第三正弯月透镜、第四正弯月透镜、孔径光阑、第五正双凸透镜、第六负弯月透镜、第七正双凸透镜、第八负双凸透镜、第九正双凸透镜。本实用新型适用短波红外波段1000nm～2500nm；适用于短探测距离1050mm～1500mm；视角大、系统体积小；像方远心系统使得像面照度均匀，并容易与光谱仪分光系统拼接；在‑10℃～40℃范围内，成像质量接近衍射极限；加工与制造成本低；能量利用率高、集光本领强、热适应性好。

Description

一种短距离探测短波红外望远镜

技术领域

本实用新型属于光学技术领域，具体涉及一种短距离探测短波红外望远镜。

背景技术

随着科技发展，红外系统被广泛应用于民用与军工国防领域。短波红外是指波段在1000nm～2500nm的红外波段，它可以提供可见光、微光夜视、中波、长波红外所不能携带的信息，使得细节呈现更加突出。可广泛应用于工业多光谱成像分析、资源遥感、红外天文学、交通、医疗、公安等领域。

目前国内红外镜头多采用非球面，结构和系统都较为复杂，系统体积大，重量高，热稳定性较差。因此开发出一款适合短波红外光谱仪系统的望远镜头尤为重要。

发明内容

本实用新型针对现有技术存在的不足，提供一种短距离探测，成像质量高，热稳定性好，体积小，可应用于光谱仪系统，且工作于短波红外波段的消热差像方远心镜头。

为了达到目的，本实用新型提供一种短距离探测短波红外望远镜，所述望远镜为透射式光学系统；所述光学系统的结构为同轴结构；所述望远镜全部透镜均为球面面型；沿光线入射方向，依次为第一平面窗口片、第二负弯月透镜、第三正弯月透镜、第四正弯月透镜、孔径光阑、第五正双凸透镜、第六负弯月透镜、第七正双凸透镜、第八负双凸透镜、第九正双凸透镜；像方主光线平行于光轴并垂直入射到像面上；沿光线入射方向，所述第一平面窗口片、第二负弯月透镜、第三正弯月透镜、第四正弯月透镜、孔径光阑、第五正双凸透镜、第六负弯月透镜、第七正双凸透镜、第八负双凸透镜、第九正双凸透镜的焦距依次对应f₁、f₂、f₃、f₄、f₆、f₇、f₈、f₉、f₁₀，它们相对望远镜焦距f的归一化值分别对应为f’₁＝0、-2.5≤f’₂≤-1.5、7≤f’₃≤8、7≤f’₄≤8、0.5≤f’₆≤1.5、-4.0≤f’₇≤-3.0、0.4≤f’₈≤1、-0.8≤f’₉≤-0.2、0.3≤f’₁₀≤1。

进一步地，所述望远镜的透镜材质包括硫系玻璃、石英系列、氟化物中的任意三种。

进一步地，沿光线入射方向，第一平面窗口片、第二负弯月透镜、第三正弯月透镜、第四正弯月透镜、孔径光阑、第五正双凸透镜、第六负弯月透镜、第七正双凸透镜、第八负双凸透镜、第九正双凸透镜的折射率依次对应为n₁、n₂、n₃、n₄、n₆、n₇、n₈、n₉、n₁₀，对应的取值范围分别为1.5≤n₁≤2.0、2.0≤n₂≤3.0、2.0≤n₃≤3.0、2.0≤n₄≤3.0、1.2≤n₆≤1.7、1.2≤n₇≤1.7、2.0≤n₈≤3.0、2.0≤n₉≤3.0、2.0≤n₁₀≤3.0。

进一步地，所述望远镜工作波段为1000nm～2500nm、工作温度范围为-10℃～40℃，适用探测距离范围为1050mm～1500mm。

进一步地，所述望远镜的最大视场角为35.6°。

进一步地，所述望远镜的最大相对孔径为F/3.0。

进一步地，所述望远镜中透镜最大焦距为15mm。

进一步地，所述望远镜可适用于探测器分辨率640×512，像元大小30μm。

进一步地，所述望远镜体积小，系统总长62mm，系统中透镜最大口径小于14.50mm，窗口玻璃最大口径小于15.0mm。

进一步地，所述望远镜具有像方远心特性。

与现有技术相比，本实用新型优势在于：本实用新型提供的望远镜适用于1000nm～2500nm波段，适用温度-10℃～40℃，适用距离1050mm～1500mm，并具有像方远心性质，较容易与分光系统组合成光谱仪系统，系统体积较小、重量低，总长62mm；在全波段以及-10℃～40℃温度下，MTF＞0.85@16.7lp/mm，弥散斑半径均小于艾里斑半径，像质接近光学衍射极限；可应用于无损检测、工业多光谱成像分析、资源遥感、红外天文学等领域。

附图说明

图1为本实用新型实施例1提供的短距离探测短波红外望远镜的结构示意图；

图2为本实用新型实施例1提供的望远镜在1050mm探测距离，-10℃下的调制传递函数曲线图(截止频率16.7lp/mm)；

图3为本实用新型实施例1提供的望远镜在1500mm探测距离，-10℃下的调制传递函数曲线图(截止频率16.7lp/mm)；

图4为本实用新型实施例1提供的望远镜在1050mm探测距离，20℃下的调制传递函数曲线图(截止频率16.7lp/mm)；

图5为本实用新型实施例1提供的望远镜在1500mm探测距离，20℃下的调制传递函数曲线图(截止频率16.7lp/mm)；

图6为本实用新型实施例1提供的望远镜在1050mm探测距离，40℃下的调制传递函数曲线图(截止频率16.7lp/mm)；

图7为本实用新型实施例1提供的望远镜在1500mm探测距离，40℃下的调制传递函数曲线图(截止频率16.7lp/mm)；

图8为本实用新型实施例1提供的望远镜在1050mm探测距离，-10℃下的点列图；

图9为本实用新型实施例1提供的望远镜在1500mm探测距离，-10℃下的点列图；

图10为本实用新型实施例1提供的望远镜在1050mm探测距离，20℃下的点列图；

图11为本实用新型实施例1提供的望远镜在1500mm探测距离，20℃下的点列图；

图12为本实用新型实施例1提供的望远镜在1050mm探测距离，40℃下的点列图；

图13为本实用新型实施例1提供的望远镜在1500mm探测距离，40℃下的点列图；

图14为本实用新型实施例1提供的望远镜的场曲畸变图；

图15为本实用新型实施例1提供的望远镜的相对照度图。

具体实施方式

下面根据附图，通过具体的实施例对本实用新型做进一步说明。

实施例1

本实施例本提供一种短波红外波段消热差像方远心望远镜，该望远镜为透射式光学系统，其光学系统的结构为同轴结构，其工作于短波红外波段1000nm～2500nm，探测距离为1050mm～1500mm，工作温度范围为-10℃～40℃，焦距为15mm，F/#为3.0，全视场为35.6°，适用于探测器分辨率640×512，像元大小30μm。

参见附图1，它是本实施例所提供的短波红外的望远镜示意图，望远镜为透射式光学系统；光学系统的结构为同轴结构；远镜全部透镜均为球面面型；沿光线入射方向，依次为第一平面窗口片1、第二负弯月透镜2、第三正弯月透镜3、第四正弯月透镜4、孔径光阑5、第五正双凸透镜6、第六负弯月透镜7、第七正双凸透镜8、第八负双凸透镜9、第九正双凸透镜10、像面11。像方主光线平行于光轴并垂直入射到像面上；沿光线入射方向，第一平面窗口片1、第二负弯月透镜2、第三正弯月透镜3、第四正弯月透镜4、孔径光阑5、第五正双凸透镜6、第六负弯月透镜7、第七正双凸透镜8、第八负双凸透镜9、第九正双凸透镜10的焦距依次对应f₁、f₂、f₃、f₄、f₆、f₇、f₈、f₉、f₁₀，它们相对望远镜焦距f的归一化值分别对应为f’₁＝0、-2.5≤f’₂≤-1.5、7≤f’₃≤8、7≤f’₄≤8、0.5≤f’₆≤1.5、-4.0≤f’₇≤-3.0、0.4≤f’₈≤1、-0.8≤f’₉≤-0.2、0.3≤f’₁₀≤1。第一平面窗口片1、第二负弯月透镜2、第三正弯月透镜3、第四正弯月透镜4、孔径光阑5、第五正双凸透镜6、第六负弯月透镜7、第七正双凸透镜8、第八负双凸透镜9、第九正双凸透镜10的折射率依次对应为n₁、n₂、n₃、n₄、n₆、n₇、n₈、n₉、n₁₀，对应的取值范围分别为1.5≤n₁≤2.0、2.0≤n₂≤3.0、2.0≤n₃≤3.0、2.0≤n₄≤3.0、1.2≤n₆≤1.7、1.2≤n₇≤1.7、2.0≤n₈≤3.0、2.0≤n₉≤3.0、2.0≤n₁₀≤3.0。

作为优选地，透镜最大口径小于14.50mm，窗口玻璃最大口径小于19mm，透镜最大焦距为15mm。更为优选地，望远镜的透镜材质包括硫系玻璃、石英系列、氟化物中的任意三种。

利用消热差与消像差理论，选用了透过率较高的红外光学玻璃材料，使得成像质量在一定温度范围内接近光学衍射极限。

望远镜体积小，系统总长62mm；望远镜中透镜最大口径小于14.50mm，窗口玻璃最大口径小于19mm。

将光阑置于后组透镜前焦面上，使望远镜具有像方远心的特性，即像方光线垂直入射到像面上，可保证像面照度均匀。同时像方远心光路较容易与分光系统进行拼接，组成新的光谱仪系统。

望远镜第一块为窗口保护玻璃，根据实际情况选用，望远镜最后一块透镜后表面与像面留有足够的空间，用于放置探测器。透镜全部采用球面面型，系统采用同心同轴，降低了加工与制造成本、检测难度，且易于装调。

用于短距离探测短波红外望远镜第一平面窗口片1、第二负弯月透镜2、第三正弯月透镜3、第四正弯月透镜4、孔径光阑5、第五正双凸透镜6、第六负弯月透镜7、第七正双凸透镜8、第八负双凸透镜9、第九正双凸透镜10，本实施例提供一个优选的方案，具体数据及所采用的材料参见表1。

表1镜头的光学结构参数

参见附图2～7，本实施例光学系统-10℃、20℃、40℃下，调制传递函数(MTF)曲线，探测器像元大小为30μm×30μm，在奈奎斯特频率16.7lp/mm处，系统的MTF在不同温度下保持稳定，均大于0.85，成像质量接近光学衍射极限。

参见附图8～13，本实施例光学系统-10℃、20℃、40℃下，光线追迹得到像平面上的点列图，图中的圆代表系统衍射艾里斑。各视场点列图能量均集中在艾里斑范围内，具有良好的成像质量。

参见附图14，本实施例光学系统的场曲畸变图，畸变小于1.32％，图像不会失真。

参见附图15，本实施例光学系统的相对照度曲线图，可见像面相对照度均匀，边缘视场的相对照度值接近1。

由上述可知，本实用新型提供的短距离探测短波红外望远镜，在-10℃～40℃下，探测距离1050mm～1500mm范围内，具有较好的成像质量；同时体积较小，方便应用，加上像方远心特性，易于与其他系统拼接组成新系统。

最后需要注意的是：上述实施例仅用于说明本实用新型专利，并非限制本实用新型专利所描述的技术方案。因此，虽然本说明书参照上述的实施例对本实用新型已进行了详细说明，但本领域的技术人员应当理解，仍可以对本实用新型进行修改；而一切不脱离本实用新型范围的技术方案及其改进，均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种短距离探测短波红外望远镜，其特征在于：所述望远镜为透射式光学系统；所述光学系统的结构为同轴结构；所述望远镜全部透镜均为球面面型；沿光线入射方向，依次为第一平面窗口片(1)、第二负弯月透镜(2)、第三正弯月透镜(3)、第四正弯月透镜(4)、孔径光阑(5)、第五正双凸透镜(6)、第六负弯月透镜(7)、第七正双凸透镜(8)、第八负双凸透镜(9)、第九正双凸透镜(10)；像方主光线平行于光轴并垂直入射到像面上；沿光线入射方向，所述第一平面窗口片(1)、第二负弯月透镜(2)、第三正弯月透镜(3)、第四正弯月透镜(4)、孔径光阑(5)、第五正双凸透镜(6)、第六负弯月透镜(7)、第七正双凸透镜(8)、第八负双凸透镜(9)、第九正双凸透镜(10)的焦距依次对应f1、f₂、f₃、f₄、f₆、f₇、f₈、f₉、f₁₀，它们相对望远镜焦距f的归一化值分别对应为f′₁＝0、-2.5≤f′₂≤-1.5、7≤f′₃≤8、7≤f′₄≤8、0.5≤f′₆≤1.5、-4.0≤f′₇≤≤-3.0、0.4≤f′₈≤1、-0.8≤f′₉≤-0.2、0.3≤f′₁₀≤1。

2.根据权利要求1所述的一种短距离探测短波红外望远镜，其特征在于：沿光线入射方向，第一平面窗口片(1)、第二负弯月透镜(2)、第三正弯月透镜(3)、第四正弯月透镜(4)、孔径光阑(5)、第五正双凸透镜(6)、第六负弯月透镜(7)、第七正双凸透镜(8)、第八负双凸透镜(9)、第九正双凸透镜(10)的折射率依次对应为n₁、n₂、n₃、n₄、n₆、n₇、n₈、n₉、n₁₀，对应的取值范围分别为1.5≤n₁≤2.0、2.0≤n₂≤3.0、2.0≤n₃≤3.0、2.0≤n₄≤3.0、1.2≤n₆≤1.7、1.2≤n₇≤1.7、2.0≤n₈≤3.0、2.0≤n₉≤3.0、2.0≤n₁₀≤3.0。

3.根据权利要求1所述的一种短距离探测短波红外望远镜，其特征在于：所述望远镜工作波段为1000nm～2500nm、工作温度范围为-10℃～40℃，适用探测距离范围为1050mm～1500mm。

4.根据权利要求1所述的一种短距离探测短波红外望远镜，其特征在于：所述望远镜的最大视场角为35.6°。

5.根据权利要求1所述的一种短距离探测短波红外望远镜，其特征在于：所述望远镜的最大相对孔径为F/3.0。

6.根据权利要求1所述的一种短距离探测短波红外望远镜，其特征在于：所述望远镜中透镜最大焦距为15mm。

7.根据权利要求1所述的一种短距离探测短波红外望远镜，其特征在于：所述望远镜可适用于探测器分辨率640×512，像元大小30μ m。

8.根据权利要求1所述的一种短距离探测短波红外望远镜，其特征在于：所述望远镜系统总长62mm；所述望远镜中透镜最大口径小于14.50mm，窗口玻璃最大口径小于19mm。

9.根据权利要求1所述的一种短距离探测短波红外望远镜，其特征在于：所述望远镜具有像方远心特性。