CN112198626B

CN112198626B - 一种带保形光窗的大相对孔径高分辨率长波无热化镜头

Info

Publication number: CN112198626B
Application number: CN202010943070.6A
Authority: CN
Inventors: 梁瑞冰; 朱寅非
Original assignee: Luoyang Institute of Electro Optical Equipment AVIC
Current assignee: Luoyang Institute of Electro Optical Equipment AVIC
Priority date: 2020-09-09
Filing date: 2020-09-09
Publication date: 2022-10-04
Anticipated expiration: 2040-09-09
Also published as: CN112198626A

Abstract

本发明涉及一种带保形光窗的大相对孔径高分辨率长波无热化镜头，沿光入射方向依次有保形光窗、第一透镜、第二透镜、第三透镜、光阑、第四透镜、第五透镜、第六透镜、探测器保护光窗和探测器像面，保形光窗为弯月负透镜，第一透镜和第四透镜为弯月负透镜，第二透镜、第三透镜、第五透镜和第六透镜为弯月正透镜；保形光窗的材料为硫化锌，第一透镜、第二透镜和第六透镜的材料为锗，第三透镜和第五透镜的材料为硫系玻璃IG4，第四透镜的材料为硫化锌；该光学系统通过光学材料组合和合理分配透镜光焦度实现‑55℃～70℃温度范围内光学被动无热化设计；该系统具有大相对口径、高分辨率、小型化和良好环境适应性等特点，光机装调方便，适合推广应用。

Description

一种带保形光窗的大相对孔径高分辨率长波无热化镜头

技术领域

本发明属于光学技术领域，涉及一种带保形光窗的大相对孔径高分辨率长波无热化镜头。

背景技术

近年来，随着非制冷红外探测器技术的快速发展和探测器性能的不断提升，使得非制冷红外被动探测和成像成为可能，并逐渐在夜视观瞄、车载夜视和安防监控等领域取得越来越广泛的应用。国内非制冷红外探测器已经量产的为1024×768、像元尺寸14μm的长波非制冷红外探测器，可满足军事装配中高灵敏度、高分辨率的需要。

红外光学镜头的使用环境复杂，当环境温度变化时，光学元件的曲率、厚度和间隔也将发生变化，光学元件的曲率、厚度和间隔也将发生变化，这一系列的因素使得红外系统产生离焦，导致成像质量的急剧下降。红外光学材料具有较高的温度折射率系数，对温度的变化比较灵敏，虽然非制冷探测性能不断提升，但是其探测灵敏度仍与制冷红外探测器相比存在一定的差距，为了进一步改善和提高非制冷红外成像系统的性能，对非制冷红外光学镜头的设计提出了更高的要求，因此为要求非制冷光学镜头需要进行无热化设计，以满足不同环境的使用要求。

在具体应用中，光学镜头要求具有一定的光学俯仰角度，通常红外光窗是采用拼接光窗，但是拼接光窗接缝处材料不能透过长波红外，光学镜头在俯仰转动过程中不可避免会收到接缝处材料的影响。

专利CN206960766U公布了一种折-衍射混合大相对孔径无热化红外物镜，光学系统F/#为1；现有技术中，F/#大多数为1，专利CN209297022U公布了一种大视场大相对孔径长波红外光学系统，F/#最大可达到0.8，增大了光学系统的相对孔径，但匹配640×512,17μm面阵的非制冷探测器，目前国内尚没有能够适配1024×768的大相对孔径无热化镜头。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种带保形光窗的大相对孔径高分辨率长波无热化镜头，提供一种带有保形光窗的大相对孔径高分率长波无热化镜头，镜头适配于1024×768非制冷探测器，实现大相对孔径成像，光学系统的F/#为0.8，并在-55℃～70℃温度范围内实现光学被动无热化设计，同时采用保形光窗满足镜头+45°至-45°俯仰转动的应用。

技术方案

一种带保形光窗的大相对孔径高分辨率长波无热化镜头，其特征在于按光路走向依次由同轴设置的保形光窗1、第一透镜2、第二透镜3、第三透镜4、光阑5、第四透镜6、第五透镜7、第六透镜8、探测器保护光窗9和探测器像面10组成；第一透镜和第四透镜为弯月负透镜，第二透镜、第三透镜、第五透镜和第六透镜为弯月正透镜；沿光入射方向，即从物方到像方，保形光窗的前表面凸向物方、后表面凹向像方，第一透镜前表面凸向物方、后表面凹向像方，第二透镜前表面凹向物方、后表面凸向像方，第三透镜前表面凸向物方、后表面凹向像方，第四透镜、第五透镜和第六透镜的前表面凸向物方、后表面凹向像方；保形光窗前后表面均为球面。

所述大相对孔径高分辨率长波无热化镜头外部设置有机械转动轴，保形光窗的曲率半径由保形光窗距离机械转动轴的间隔确定。

所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、探测器保护光窗以及探测器像面组成的后端光路绕机械转动轴转动，实现+45°至-45°光学俯仰角度。

所述保形光窗与第一透镜间隔9.6mm，第一透镜与第二透镜间隔13.84mm，第二透镜与第三透镜间隔0.1mm，第三透镜与光阑间隔0.61mm，光阑与第四透镜间隔为3.28mm，第四透镜与第五透镜间隔8.52mm，第五透镜和第六透镜间隔3.87mm；所述第六透镜与探测器保护光窗间隔为8.02mm，探测器保护光窗与探测器像面间隔为2.14mm。

所述第一透镜的凹面、第二透镜、第三透镜、第五透镜和第六透镜的凸面为非球面。

所述保形光窗的材料和第四透镜的材料为硫化锌。

所述第一透镜、第二透镜和第六透镜和探测器保护光窗的材料为锗。

所述第三透镜和第五透镜的材料为硫系玻璃IG4。

所述光阑为圆形孔径光阑。

有益效果

本发明提出的一种带保形光窗的大相对孔径高分辨率长波无热化镜头，光学系统沿光入射方向依次同轴设置有保形光窗、第一透镜、第二透镜、第三透镜、光阑、第四透镜、第五透镜、第六透镜、探测器保护光窗和探测器像面，保形光窗为弯月负透镜，第一透镜和第四透镜为弯月负透镜，第二透镜、第三透镜、第五透镜和第六透镜为弯月正透镜；保形光窗的材料为硫化锌，第一透镜、第二透镜和第六透镜的材料为锗，第三透镜和第五透镜的材料为硫系玻璃IG4，第四透镜的材料为硫化锌；该光学系统通过光学材料组合和合理分配透镜光焦度实现-55℃～70℃温度范围内光学被动无热化设计；该系统具有大相对口径、高分辨率、小型化和良好环境适应性等特点，光机装调方便，适合推广应用。

本发明的大相对孔径高分辨率长波无热化镜头焦距为19.7mm，大相对孔径高分辨率长波无热化镜头视场大小为40°×30°，大相对孔径高分辨率长波无热化镜头波长范围8μm～12μm。

本发明的带保形光窗的大相对孔径高分辨率长波无热化镜头具有以下优点：

1)镜头可实现大相对孔径成像，F/#可达0.8；

2)适用于高分辨率1024×768非制冷探测器。

3)该镜头光学系统采用被动无热化设计，可以实现在-55℃～70℃温度范围内具有良好的温度适应性。

3)本发明中采用保形光窗，镜头沿保形光窗球心俯仰转动，可以避免拼接光窗接缝材料的影响。同时，采用保形光窗可以在保持飞机整体流线型(保形)的气动布局的前提下，可以紧贴飞机蒙皮有效减少飞行阻力。

4)成本低：光学系统采用一块保形光窗和六块透镜，引入五个非球面，其余均为球面，未使用衍射面，提高了镜头的能量透过率和温差灵敏度，降低了镜头加工难度和成本。

附图说明

图1为本发明具体实施方式的光学示意图；

图2为本发明一种具体实施方式的带保形光窗的大相对孔径高分辨率长波无热化镜头常温MTF图；

图3为本发明一种具体实施方式的带保形光窗的大相对孔径高分辨率长波无热化镜头低温-55℃的MTF图；

图4为本发明一种具体实施方式的带保形光窗的大相对孔径高分辨率长波无热化镜头高温70℃的MTF图；

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明中具体实施方式中的带保形光窗的大相对孔径高分辨率长波无热化镜头，如图1所示，包括沿光路走向依次同轴设置的保形光窗1、第一透镜2、第二透镜3、第三透镜4、光阑5、第四透镜6、第五透镜7、第六透镜8、探测器保护光窗9和探测器像面10

所述的保形光窗1为弯月负透镜，第一透镜2和第四透镜6为弯月负透镜，第二透镜3、第三透镜4、第五透镜7和第六透镜8为弯月正透镜；所述第一透镜2凹面为非球面，第二透镜3、第三透镜4、第五透镜7和第六透镜8的凸面为非球面，其余透镜表面均为球面。光学系统F/#为0.8，匹配1024×768,14μm面阵的非制冷探测器，光学系统焦距为19.7mm，光学系统视场大小为40°×30°，光学系统波长范围8μm～12μm。

所述保形光窗1的材料为硫化锌，第一透镜2、第二透镜3和第六透镜8的材料为锗，第三透镜4和第五透镜7的材料为硫系玻璃IG4，第四透镜6的材料为硫化锌。探测器保护光窗9的材料为锗。

所述保形光窗1曲率半径由光窗距离镜头转动轴位置确定，第一透镜2、第二透镜3、第三透镜4、光阑5、第四透镜6、第五透镜7、第六透镜8、探测器保护光窗9和探测器像面10组成的后端光路绕转动轴转动，可实现+45°至-45°光学俯仰角度。

所述保形光窗与第一透镜间隔9.6mm，第一透镜与第二透镜间隔13.84mm，第二透镜与第三透镜间隔0.1mm，第三透镜与光阑间隔0.61mm，光阑与第四透镜间隔为3.28mm，第四透镜与第五透镜间隔8.52mm，第五透镜和第六透镜间隔我3.87mm；所述第六透镜与探测器保护光窗间隔为8.02mm，探测器保护光窗与探测器像面间隔为2.14mm。。

该光学系统具体参数如表1所示。

表1光学系统数据表

注：上表中A、B、C、D为非球面系数。

非球面的一般形式为：

其中，c＝1/R为顶点曲率，K为二次曲线常数，A、B、C、D为高次非球面系数；第一项为一般的二次曲面方程，非球面的一般形式是在以二次曲线为基础加高次项；K＝0表示第一项的二次曲面方程为球面；表格中非球面的半径是顶点处的曲率半径。

本发明可以实现在-55℃～70℃温度范围内具有良好的温度适应性。参见图2、图3、图4，其中，图2为本发明一种具体实施方式的带保形光窗的大相对孔径高分辨率长波无热化镜头常温MTF图；图3为本发明一种具体实施方式的带保形光窗的大相对孔径高分辨率长波无热化镜头低温-55℃的MTF图；图4为本发明一种具体实施方式的带保形光窗的大相对孔径高分辨率长波无热化镜头高温70℃的MTF图。

Claims

1.一种带保形光窗的大相对孔径高分辨率长波无热化镜头，其特征在于按光路走向依次由同轴设置的保形光窗[1]、第一透镜[2]、第二透镜[3]、第三透镜[4]、光阑[5]、第四透镜[6]、第五透镜[7]、第六透镜[8]、探测器保护光窗[9]和探测器像面[10]组成；第一透镜和第四透镜为弯月负透镜，第二透镜、第三透镜、第五透镜和第六透镜为弯月正透镜；沿光入射方向，即从物方到像方，保形光窗的前表面凸向物方、后表面凹向像方，第一透镜前表面凸向物方、后表面凹向像方，第二透镜前表面凹向物方、后表面凸向像方，第三透镜前表面凸向物方、后表面凹向像方，第四透镜、第五透镜和第六透镜的前表面凸向物方、后表面凹向像方；保形光窗前后表面均为球面；所述大相对孔径F/#为0.8，所述高分辨率为1024×768；

2.根据权利要求1所述带保形光窗的大相对孔径高分辨率长波无热化镜头，其特征在于：所述大相对孔径高分辨率长波无热化镜头外部设置有机械转动轴，保形光窗的曲率半径由保形光窗距离机械转动轴的间隔确定。

3.根据权利要求1所述带保形光窗的大相对孔径高分辨率长波无热化镜头，其特征在于：所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、探测器保护光窗以及探测器像面组成的后端光路绕机械转动轴转动，实现+45°至-45°光学俯仰角度。

4.根据权利要求1或2或3所述带保形光窗的大相对孔径高分辨率长波无热化镜头，其特征在于：所述第一透镜的凹面、第二透镜、第三透镜、第五透镜和第六透镜的凸面为非球面。

5.根据权利要求1或2或3所述带保形光窗的大相对孔径高分辨率长波无热化镜头，其特征在于：所述保形光窗的材料和第四透镜的材料为硫化锌。

6.根据权利要求1或2或3所述带保形光窗的大相对孔径高分辨率长波无热化镜头，其特征在于：所述第一透镜、第二透镜和第六透镜和探测器保护光窗的材料为锗。

7.根据权利要求1或2或3所述带保形光窗的大相对孔径高分辨率长波无热化镜头，其特征在于：所述第三透镜和第五透镜的材料为硫系玻璃IG4。

8.根据权利要求1或2或3所述带保形光窗的大相对孔径高分辨率长波无热化镜头，其特征在于：所述光阑为圆形孔径光阑。