CN106547076B - 一种红外摄远光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明红外摄远物镜领域，具体地来讲为一种红外摄远光学系统。包括：第一透镜，为弯月球面负透镜，物方表面为凸面，另一方表面为凹面；第二透镜，为正透镜，一侧紧邻所述第一透镜的凹面，另一侧表面为凹面；第三透镜，为球面负透镜，入光一侧表面为凸面，另一侧表面为凹面；第四透镜，为负透镜，入光一侧表面为凸面，另一侧表面为凹面。本发明校正了摄远物镜的高级像差和色差，有效地缩短系统长度，提高了成像质量。像面稳定，像质良好。
Description
技术领域
本发明红外摄远物镜领域，具体地来讲为一种红外摄远光学系统。
背景技术
近年来红外成像技术已成为目标探测技术发展的方向之一，低成本的非制冷热成像技术也随着红外热成像技术发展起来。非制冷探测器具有稳定性好、低功耗、小体积等优点，但其噪声等效温差(NETD)较高。研究大相对孔径红外光学系统可以克服长波红外非制冷探测器灵敏度较低的不足。红外成像光学系统受温度变化的影响非常明显，光学系统在不同温度下成像质量的好坏对目标探测具有较大的影响。工作环境温度的变化会引起光学元件物理特性的变化(即半径、厚度、空气间隔等)，透镜的折射率也随之变化，这些影响会导致系统失焦或元件偏差。红外材料的折射率温度系数较大，远大于可见光材料，可导致像面漂移。在工作温度发生变化时，热离焦量将远大于焦深。为了降低或消除对光学系统成像质量的影响，必须考虑消除热差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种红外摄远光学系统，在宽温度范围内成像质量稳定。本发明是这样实现的，
一种红外摄远光学系统，该系统包括：
第一透镜，为弯月球面负透镜，物方表面为凸面，另一方表面为凹面；
第二透镜，为正透镜，物方表面为凸面，紧邻第一透镜的凹面，另一侧表面为凹面；
第三透镜，为球面负透镜，入光一侧表面为凸面，另一侧表面为凹面；
第四透镜，为负透镜，入光一侧表面为凸面，另一侧表面为凹面。
进一步地，在所述第二透镜的凹面设置衍射面。
进一步地，所述光学系统满足F数为2~3，视场角为5°~7°，焦距为100mm~250mm，工作总长为160mm~200mm。
进一步地，所述第一透镜为硫化锌材料透镜；所述第二透镜为硒化锌材料透镜；所述第三透镜为锗材料透镜、所述第四透镜为锗材料透镜。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：
本发明在宽温度范围内成像质量稳定。引入衍射元件，现了无热化，满足成像质量的要求。校正了摄远物镜的高级像差和色差，有效地缩短系统长度，提高了成像质量。像面稳定，像质良好。本发明所设计的红外摄远光学系统也可用于其他红外观瞄系统。
附图说明
图1为本发明实施例提供的光学系统的结构示意图；
图2为本发明实施提供的衍射面的特征参量曲线；
图3a为-40摄氏度的色差曲线，图3b为10摄氏度的色差曲线；图3c为20摄氏度的色差曲线，图3d为60摄氏度的色差曲线；
图4为本发明实施提供的衍射能量分布曲线；
图5为本发明实施提供的17lp/mm处调制传递函数随温度变化曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参见图1，红外摄远光学系统，该系统包括：第一透镜1，为弯月球面负透镜，物方表面为凸面，另一方表面为凹面；第二透镜2，为正透镜，一侧紧邻所述第一透镜的凹面，另一侧表面为凹面；第三透镜3，为球面负透镜，入光一侧表面为凸面，另一侧表面为凹面；第四透镜4，为负透镜，入光一侧表面为凸面，另一侧表面为凹面。
光学系统满足F数为2~3，视场角为5°~7°，焦距为100mm~250mm，工作总长为160mm~200mm。
进一步地，所述第一透镜为硫化锌材料透镜；所述第二透镜为硒化锌材料透镜；所述第三透镜为锗材料透镜、所述第四透镜为锗材料透镜。
在所述第二透镜的凹面设置衍射面，与折射式光学系统相比，系统采用折衍混合的方案能够充分利用衍射元件的特性不仅可以对系统波前进行校正同时还可以对系统的温度以及色差等进行补偿。
本发明实施例中，为了校正系统的色差和消热差，物镜选用三种不同的材料。使用正负透镜组合的方法，校正系统的色差。因此，物镜组采用4片透镜“负、正、负、负”的结构形式。
本实施例中光学系统的参数见表1：
表1
同时，本发明实施例光学系统中，可以通过不同材料组合校正色差。负光焦度的Ge透镜结合前组ZnS透镜和ZnSe透镜进行消色差，但1片Ge透镜还不足以补偿系统的色差，因此使用2片Ge透镜平衡校正色差。4片透镜材料依次选用ZnS（硫化锌）、ZnSe（硒化锌）、Ge（锗）、Ge（锗）。本发明利用不同光学材料之间热特性的差异，通过不同特性材料互相搭配组合补偿热离焦来消除温度对光学系统的不利影响。光学系统在一定温度(-40℃~60℃)范围内变化时像面及像质保持稳定良好，达到同时消热差和消色差的目的。
本实施例中，在大相对孔径折射式系统中引入体积小且薄而轻、高衍射效率、多设计自由度、良好热稳定性和独特色散特的衍射光学元件，有利于实现系统的消热差和色差校正，降低了设计难度。
本实施例中，根据高级像差系数正比于初级像差系数以及在初级像差较大的表面上优先选用特殊面型的原则。在摄远物镜的第3面（第二透镜的前表面）上设置衍射面5，透镜基底材料选用硒化锌，并采用1阶衍射。归一化半径为100mm。衍射系数：A1=-484.113，A2=976.245。
本实施例中系统的F数为2.2，视场角为7°，焦距为200mm，工作总长为160mm，占空比小，结构紧凑。本系统由4片透镜组成，将孔径光阑密接于第一透镜前表面，有利于减小系统的孔径。衍射面置于第第二透镜的前表面，校正了第第三透镜的球面负透镜和第一透镜片弯月球面负透镜产生的较大的球差；前2片透镜和第3片的球面负透镜像差相互平衡，校正了球差、彗差和轴向色差。
如图2所示，衍射面的特征参量曲线。曲线A表示衍射面上的线性频率随实际径向坐标的变化，曲线B表示衍射面上的相位随径向坐标r的变化，以周期数(periods)表示。衍射面的线频率最大为0.23643mm，对应最小周期线宽为4.33571mm。如果每周期刻蚀16个台阶，对应的最小特征尺寸为0.27mm，该衍射面满足金刚石加工的工艺要求。
如图3a、3b、3c、3d的色差曲线所示，在各温度情况下本发明光学系统色差得到较好校正，仅留下少量的二级光谱色差，从图中可以得出，在-40℃时二级光谱色差最大，在0.707带大小约为0.07mm，但其数值较小可以满足系统消色差的要求。图4为20℃时衍射能量分布曲线(-40℃和60℃的曲线与20℃时的曲线类似，不再列出)，在弥散斑RMS直径25μm范围内能量集中度大于80%，探测器单个像元尺寸30μm，由此可见，系统在宽温度范围内成像质量稳定。
调制传递函数(Modulation Transfer Function，MTF)是实际像与理想像之间调制度之比相对空间频率的函数，用于评价光学系统性能的主要手段。如图5所示，在截止频率17lp/mm处，各温度全视场的调制传递函数均大于0.45，均接近衍射极限。系统的焦深为Δ=±2λF2=±96.8μm，系统的最大离焦量为-40℃时38.914μm，离焦量在焦深范围以内，在-40℃~+60℃工作温度范围内系统最佳像面移动量不大。结果表明本实施例光学系统实现了无热化，满足成像质量的要求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种红外摄远光学系统，其特征在于，该系统由第一透镜、第二透镜、
第三透镜以及第四透镜组成，其中：
第一透镜，为弯月球面负透镜，物方表面为凸面，另一方表面为凹面，孔径光阑密接于第一透镜前表面；
第二透镜，为正透镜，物方表面为凸面，紧邻第一透镜的凹面，另一侧表面为凹面；
第三透镜，为球面负透镜，入光一侧表面为凸面，另一侧表面为凹面；
第四透镜，为负透镜，入光一侧表面为凸面，另一侧表面为凹面；在所述第二透镜的凸面设置衍射面；
所述光学系统满足F数为2~3，视场角为5°~7°，焦距为100mm~250mm，工作总长为160mm~200mm；
所述第一透镜为硫化锌材料透镜；所述第二透镜为硒化锌材料透镜；所述第三透镜为锗材料透镜、所述第四透镜为锗材料透镜。
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