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CN112255773B - 一种制冷型大视场中波红外光学系统 - Google Patents

一种制冷型大视场中波红外光学系统 Download PDF

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CN112255773B
CN112255773B CN202011106928.XA CN202011106928A CN112255773B CN 112255773 B CN112255773 B CN 112255773B CN 202011106928 A CN202011106928 A CN 202011106928A CN 112255773 B CN112255773 B CN 112255773B
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meniscus lens
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陈丽娜
钟兆铨
刘辉
康哲恺
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Fujian Forecam Optics Co Ltd
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Fujian Forecam Optics Co Ltd
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    • G—PHYSICS
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
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Abstract

本发明涉及一种制冷型大视场中波红外光学系统，由沿光路方向依次设置的前组A和后组B构成，所述前组A由沿入射光路依次设置的弯月正透镜A1、弯月正透镜A2和双凹负透镜A3构成，所述后组B由沿入射光路依次设置的弯月正透镜B1和弯月正透镜B2构成；本发明光学系统具有大视场角，可实现大范围景物成像，采用二次成像的结构形式，结合前组首片凹面弯向物面，能够保证光学系统实现大视场的同时有效压缩光学系统的整体外径尺寸，实现光学系统的小型化，可匹配320x256@30um制冷型中波红外探测器，解决目前中波制冷型系统视场角偏小的问题。

Description

一种制冷型大视场中波红外光学系统
技术领域
本实用新型涉及一种制冷型大视场中波红外光学系统。
背景技术
红外热成像系统能够被动接收红外辐射，具有隐蔽性好、不易受干扰、穿透能力强等优点，而中波制冷型探测器灵敏度高，其价格比长波制冷型探测器具有明显的优势，因此中波制冷型红外热成像系统在目标搜寻、预警探测、情报侦查等军事和相关的民用领域有着广阔的应用前景。
在军事领域方面，无论是空中目标还是陆地目标，都有可能遭遇同时来自各个方向的袭击，为此要求军事红外预警系统等具备大范围的侦查能力。目前中波制冷型红外系统大多数为小视场系统，具有大视场的中波制冷型镜头极少。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型的目的是提供一种具有大视场角，可实现大范围景物成像的制冷型大视场中波红外光学系统。
本实用新型采用以下方案实现：一种制冷型大视场中波红外光学系统，由沿光路方向依次设置的前组A和后组B构成，所述前组A由沿入射光路依次设置的弯月正透镜A1、弯月正透镜A2和双凹负透镜A3构成，所述后组B由沿入射光路依次设置的弯月正透镜B1和弯月正透镜B2构成。
进一步的，所述前组A与后组B间的空气间隔为37.08mm；前组A中弯月正透镜A1与弯月正透镜A2的空气间隔为0.8mm，弯月正透镜A2与双凹负透镜A3的空气间隔为1.24mm；后组B中弯月正透镜B1与弯月正透镜B2的空气间隔为14.61mm。
进一步的，所述弯月正透镜A1的凹面朝向物面，材料为锗单晶；弯月正透镜A2的凸面朝向物面，材料为硅单晶；双凹负透镜A3材料为锗单晶；弯月正透镜B1的凹面朝向物面的，材料为硅单晶；弯月正透镜B2的凸面朝向物面，材料为硅单晶。
与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
a)本发明具有大视场角，可实现大范围景物成像，采用二次成像的结构形式，结合前组首片凹面弯向物面，能够保证光学系统实现大视场的同时有效压缩光学系统的整体外径尺寸，实现光学系统的小型化；
b)本发明使用锗单晶与硅单晶材料配合，两种材料均为普通红外光学材料，可保证技术的成熟度和延续性；
c)本发明采用类对称设计，结合使用三面非球面，实现大视场成像的同时使得光学系统具有较好的畸变特性及像差校正特性。
为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将通过具体实施例和相关附图，对本实用新型作进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明光学系统结构图；
图2是本发明光学系统的MTF曲线图；
图3为光学系统的点列图；
图4为光学系统的场曲、畸变曲线图。
具体实施方式
如图1~4所示，一种制冷型大视场中波红外光学系统，由沿光路方向依次设置的前组A和后组B构成，所述前组A由沿入射光路依次设置的弯月正透镜A1、弯月正透镜A2和双凹负透镜A3构成，所述后组B由沿入射光路依次设置的弯月正透镜B1和弯月正透镜B2构成；采用二次成像的结构型式，该结构型式由五片镜片组成，该光学系统具有大视场角，可实现大范围景物成像，可匹配320x256@30um制冷型中波红外探测器，解决目前中波制冷型系统视场角偏小的问题，广泛应用于目标搜寻、预警探测、情报侦查等领域。
在本实施例中，所述前组A与后组B间的空气间隔为37.08mm；前组A中弯月正透镜A1与弯月正透镜A2的空气间隔为0.8mm，弯月正透镜A2与双凹负透镜A3的空气间隔为1.24mm；后组B中弯月正透镜B1与弯月正透镜B2的空气间隔为14.61mm。
在本实施例中，所述弯月正透镜A1的凹面朝向物面，材料为锗单晶；弯月正透镜A2的凸面朝向物面，材料为硅单晶；双凹负透镜A3材料为锗单晶；弯月正透镜B1的凹面朝向物面的，材料为硅单晶；弯月正透镜B2的凸面朝向物面，材料为硅单晶。
本发明光学系统中各个镜片的具体参数见下表：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
上弯月正透镜A2的非球面S3中心曲率半径为26.2646mm，弯月正透镜B1的非球面S8中心曲率半径为-16.6974mm, 弯月正透镜B2的非球面S9中心曲率半径为30.7822mm。
上述各个镜片的非球面面型方程如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，其中Z代表光轴方向的位置，r代表相对光轴的垂直方向上的高度，c代表曲率半径，k代表圆锥系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure DEST_PATH_IMAGE012
...代表非球面系数。在非球面数据中，E-n代表“
Figure DEST_PATH_IMAGE014
”，例如-9.7087E-006代表
Figure DEST_PATH_IMAGE016
。
各镜片的非球面相关数据：
Figure DEST_PATH_IMAGE018
由上述镜片组成的光学系统达到了如下的光学指标：
（1）焦距：7.5mm；
（2）F数: 2.0；
（3）视场角：68°×55°；
（4）光学畸变：≤10%；
（5）成像圆直径：不小于Ф12.3；
（6）工作光谱范围：3.7um～4.8um；
（7）光学总长：TTL≤105mm；
（8）该镜头适用于320*256,30um制冷型中波红外探测器。
本发明光学系统合理分配光焦度并结合使用偶次非球面来平衡系统像差，使得光学系统的整体体积足够小，且能到达广角设计，通过对边缘畸变的校正，控制畸变在合理的范围之内；对光线高度进行调整，控制相对照度在合理的范围之内，使成像面照度均匀；通过曲率及厚度的调整降低了各个光学件的敏感度，使得该镜头更易于加工与装调，
由图2可以看出，该镜头的MTF曲线接近衍射极限，具有较高的分辨率，满足320*256,30um制冷型中波红外探测器的传函需求。由图3可知，该镜头各视场下的RMS弥散斑半径均小于艾里斑半径，表明该系统成像质量良好，满足要求。图4中所示为光学系统的场曲、畸变曲线，最大相对畸变均不大于10%，表明该系统相对畸变满足要求。
本发明光学系统的优点：
a)本发明采用二次成像的结构形式，结合前组首片凹面弯向物面，能够保证光学系统实现大视场的同时有效压缩光学系统的整体外径尺寸，实现光学系统的小型化；
b)本发明使用锗单晶与硅单晶材料配合，两种材料均为普通红外光学材料，可保证技术的成熟度和延续性；
c)本发明采用类对称设计，结合使用三面非球面，实现大视场成像的同时使得光学系统具有较好的畸变特性及像差校正特性。
上述本实用新型所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本实用新型才公开部分数值以举例说明本实用新型的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本实用新型创造保护范围的限制。
本实用新型如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接( 例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构(例如使用铸造工艺一体成形制造出来) 所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。
另外，上述本实用新型公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。
本实用新型提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本实用新型技术方案的精神，其均应涵盖在本实用新型请求保护的技术方案范围当中。

Claims (1)

1.一种制冷型大视场中波红外光学系统，其特征在于：由沿光路方向依次设置的前组A和后组B构成，所述前组A由沿入射光路依次设置的弯月正透镜A1、弯月正透镜A2和双凹负透镜A3构成，所述后组B由沿入射光路依次设置的弯月正透镜B1和弯月正透镜B2构成；所述弯月正透镜A1的凹面朝向物面，材料为锗单晶；弯月正透镜A2的凸面朝向物面，材料为硅单晶；双凹负透镜A3材料为锗单晶；弯月正透镜B1的凹面朝向物面的，材料为硅单晶；弯月正透镜B2的凸面朝向物面，材料为硅单晶；所述前组A与后组B间的空气间隔为37.08mm；前组A中弯月正透镜A1与弯月正透镜A2的空气间隔为0.8mm，弯月正透镜A2与双凹负透镜A3的空气间隔为1.24mm；后组B中弯月正透镜B1与弯月正透镜B2的空气间隔为14.61mm。
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