CN103018884B - 一种长波红外光学*** - Google Patents

Abstract

本发明提供一种长波红外光学***，沿光轴从物方至像方依次设置有第一透镜、第二透镜，所述第一透镜是凹面朝向物侧的具有正屈光力的弯月形透镜，所述第二透镜是凸面朝向物侧的具有正屈光力的弯月形透镜，所述长波红外光学***满足下列公式：-2<f*(n-1)/(FNO*R1)<-0.5，其中，f为整个光学***的焦距；n为第一透镜材料的中心波长折射率；FNO为光学***的F数；R1为第一透镜的凹面近似曲率半径。本发明结构紧凑，降低加工成本，并且使得***的装配变得更为简单，实现批量生产，具有较好的应用效果。

Description

一种长波红外光学***

技术领域

本发明涉及一种长波红外光学***，尤其是适合于安防监控领域的新型低成本高分辨率的长波红外广角镜头。

背景技术

目前，长波红外非制冷探测器技术越来越为成熟，非制冷型探测器具有结构紧凑、功耗小、成本低等特点，可广泛应用于森林防火、道路监控，机场监察等安防领域。目前的非制冷探测器像元数已从160×120、320×240逐步过渡到640×480，像元尺寸规格也从25微米开始向17微米过渡，尤其在高端应用场合，30万象素的热成像仪已经开始普及。

现有公开技术中，长波红外广角镜头或者采用单片镜片方案，但存在镜头分辨率较低的问题。或者采用3片或者3片以上镜片方案，材料一般采用单晶锗，但该方案结构复杂，成本高。因此需要提供一种新的解决方案，像质上需要满足新型的640*48017μm非制冷探测器应用要求，成本上需要满足低廉的要求，便于在安防监控领域的大规模推广。

发明内容

针对传统上的长波红外广角镜头存在光学结构复杂，成像分辨率低，成本高等问题。本发明提供了一种长波红外光学***，该光学***采用2片透镜实现高分辨的成像品质和超广的水平视场角。该光学***采用全硫系玻璃材料，利用硫系玻璃具有精密模压的特点，通过精密模压实现批量生产，这样可以大幅度降低光学***的成本。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下面所描述：

一种长波红外光学***，沿光轴从物方至像方依次设置有光阑，第一透镜，第二个透镜。所述第一透镜是凹面朝向物侧的具有正屈光力的弯月形透镜，所述第二透镜是凸面朝向物侧的具有正屈光力的弯月形透镜，所述的第一透镜、第二透镜采用同一种透红外硫系玻璃材料。

所述的第一透镜、第二透镜，满足下列公式：

-2<f*(n-1)/(FNO*R1)<-0.5

其中，f为整个光学***的焦距；

n为第一透镜材料的中心波长折射率；

FNO为光学***的F数；

R1为第一透镜的凹面近似曲率半径；

进一步地所述第一透镜的焦距和光学***焦距满足下列的表达式：

1<f1/f＜2

其中，f1为第一透镜的焦距；

f为整个光学***的焦距；

进一步地所述第二透镜的焦距和光学***焦距满足下列的表达式：

3<f2/f＜6

其中，f2为第二透镜的焦距；

f为整个光学***的焦距；

进一步地所述第一透镜或者第二透镜有一面为衍射面。

进一步地所述***光阑位于物方和第一透镜之间。

进一步地所述光学***的最大视场角2ω>90°。

所述第一透镜、第二透镜采用同一种透红外硫系玻璃材料。

所述衍射面之外的镜头镜面为非球面。

所述衍射面满足下列表达式：

$\mathrm{\&phi;}=\stackrel{N}{\mathrm{\&Sigma;}}{A}_i{\mathrm{\&rho;}}^{2i}$

其中ρ=r/r₁，r₁是衍射面归化半径，A_i是衍射面相位系数。

所述非球面满足下列表达式：

$Z\left(Y\right)=\frac{Y^2/R}{1+\sqrt{1-|1+K|}{Y}^2/R^2}+{\mathrm{AY}}^4+{\mathrm{BY}}^6+{\mathrm{CY}}^8$

式中，Z为非球面沿光轴方向在高度为Y的位置时，距非球面顶点的距离矢高Sag，R表示镜面的近轴曲率半径，k为圆锥系数conic，A、B、C为高次非球面系数。

本发明与现有技术相比，具有以下优势和有益效果：

首先，本发明通过采用二个透镜实现镜头的高分辨率和超广的水平视场角，使得***的结构变得更为紧凑，降低加工成本并且使得***的装配变得更为简单；本发明采用全硫系玻璃材料，利用硫系玻璃具有精密模压的特点，通过精密模压实现批量生产，这样可以大幅度降低光学元件的加工成本，进而使得光学***的成本大幅度下降便于大范围推广。实践证明，该种技术方案具有较好的应用效果。

附图说明

通过下面结合附图对其示例性实施例进行的描述，本发明上述特征和优点将会变得更加清楚和容易理解。

图1是本发明所述的长波红外光学***的具体实施例的结构示意图；

图2是具体实施例的色差曲线图（mm）；

图3是具体实施例的像散曲线图（mm）；

图4是具体实施例的畸变曲线图（%）；

图5是具体实施例的MTF曲线图；

具体实施方式

图1是本发明所述的长波红外光学***的结构示意图。

如图所示，该长波红外光学***，其沿光轴从物侧到像侧依次设置有：***光阑St，具有正屈光力的第一透镜L1、具有正屈光力的第二透镜L2以及成像面100。入射光通过***光阑St从第一透镜L1进入，通过第一透镜L1和第二透镜L2的会聚，最后进入到成像面100之中。

其中，该红外光学***中第一透镜L1为凹面朝向物侧的正弯月透镜；第二透镜L2为凸面朝向物侧的正弯月透镜。第一透镜L1的凹面R1和R2面均为非球面，第二透镜L2的凸面R3为衍射面，R4为非球面。

第一透镜L1和第二透镜L2均采用双非球面，如此配置能够以最少的镜片数量达到令人满足的光学特性和较宽的水平视场角。第二透镜L2的凸面R3为衍射面，衍射面具有消色差的功能，采用衍射面技术将有效补偿光学***中的色差。

第一透镜L1和第二透镜L2均采用硫系玻璃，硫系玻璃在3-12μm具有良好的透过率，透明区域覆盖三个大气窗口。硫系玻璃折射率随温度变化系数dn/dT较小，全硫系玻璃镜头本身具有一定的无热化特性。在加工方式上硫系玻璃除了具有可抛光，可车削，最大特性还可以高精度模压，在批量生产时具有极大地成本优势。

本光学***在设计时，为达到640*48017微米探测器的高分率像质要求，镜头光阑放置在第一透镜L1的前端。所述第一透镜L1的凹面近似曲率半径与光学***焦需要满足下列公式：

-0.5<f*(n-1)/(FNO*R1)<-2

其中，f为整个光学***的焦距；

n为第一透镜L1材料的中心波长折射率；

FNO为光学***的F数；

R1为第一透镜L1的凹面近似曲率半径；

第一透镜L1和第二透镜L2的焦距为f1、f2，光学***的焦距为f，为了达到优良的光学特性，第一透镜L1和第二透镜L2的光焦度分配需要满足以下关系：1<f1/f＜2，3<f2/f＜6。

在本实施例中，该光学***的焦距f＝9mm，光圈数FNO=1.2，最大视场角2ω=97°。第一透镜L1的凹面近似曲率半径R1=-8.45，第一透镜L1的焦距f1＝13.97mm，第二透镜L2的焦距为f2=37.36mm。

f*(n-1)/(FNO*R1)=-1.32；

f1/f=1.55;

f2/f=4.15;

图2至图5为相应实施例的光学特性曲线图，其中图2为色差曲线图由8μm、10μm、12μm的三个波长来表示，单位为mm。图3为像散曲线图，同样由8μm、10μm、12μm的三个波长来表示，单位为mm。图4为畸变曲线图，标示不同视场角下的畸变大小值，单位为%。图5为MTF曲线图，代表光学***的综合解像水平，最新的640*48017μm探测器要求达到30线对分辨率。由图可知，该长波红外光学***已将各种像差补证足以满足实用要求。

本发明光学***参数请参见表一、表二、表三。

表一、光学元件参数表

非球面满足下列表达式：

$Z\left(Y\right)=\frac{Y^2/R}{1+\sqrt{1-|1+K|}{Y}^2/R^2}+{\mathrm{AY}}^4+{\mathrm{BY}}^6+{\mathrm{CY}}^8$

式中，Z为非球面沿光轴方向在高度为Y的位置时，距非球面顶点的距离矢高Sag，R表示镜面的近轴曲率半径，k为圆锥系数conic，A、B、C为高次非球面系数。

表二：非球面数据

非球面	K	A	B	C
					2	6.699634	-3.847070E-004	0	-2.609965E-008
3	0.378301	0	1.371238E-008	1.029853E-009
					4	5.048692	7.330424E-005	7.453724E-008	0
5	0	1.156920E-004	0	1.104631E-008

衍射面满足下列表达式：

$\mathrm{\&phi;}=\stackrel{N}{\mathrm{\&Sigma;}}{A}_i{\mathrm{\&rho;}}^{2i}$

其中ρ=r/r₁，r₁是衍射面归化半径，A_i是衍射面相位系数；

表三：衍射面数据

衍射面	规划半径	相位系数A1	相位系数A2	相位系数A3
					4	12	-105.705423	18.389735	-19.590394

需要注意的是，上述表格中的具体参数仅仅是例示性的，各透镜的参数不限于由上述各数值实施例所示出的值，可以采用其他的值，都可以达到类似的技术效果。

虽然上面描述了本发明的原理以及具体实施方式，但是，在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行各种改进和变形，而这些改进或者变形落在本发明的保护范围内。本领域技术人员应该明白，上面的具体描述只是为了解释本发明的目的，并非用于限制本发明。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种长波红外光学***，其特征在于：沿光轴从物方至像方依次设置有第一透镜、第二透镜，所述第一透镜是凹面朝向物侧的具有正屈光力的弯月形透镜，所述第二透镜是凸面朝向物侧的具有正屈光力的弯月形透镜，所述长波红外光学***满足下列公式：

-2<f*(n-1)/(FNO*R1)<-0.5  1<f1/f<2

其中，f1为第一透镜的焦距，f为整个光学***的焦距；n为第一透镜材料的中心波长折射率；FNO为光学***的F数；R1为第一透镜的凹面近似曲率半径。

2.根据权利要求1所述的长波红外光学***，其特征在于：所述第二透镜的焦距和光学***焦距满足下列的表达式：

3<f2/f<6

其中，f2为第二透镜的焦距；f为整个光学***的焦距。

3.根据权利要求1所述的长波红外光学***，其特征在于：所述第一透镜或者第二透镜有一面为衍射面。

4.根据权利要求1所述的长波红外光学***，其特征在于：所述长波红外光学***的光阑位于物方和第一透镜之间。

5.根据权利要求1所述的长波红外光学***，其特征在于：所述长波红外光学***的最大视场角2ω>90°。

6.根据权利要求1所述的长波红外光学***，其特征在于：所述第一透镜、第二透镜采用同一种透红外硫系玻璃材料。

7.根据权利要求3所述的长波红外光学***，其特征在于：所述衍射面之外的镜头镜面为非球面。

8.根据权利要求3所述的长波红外光学***，其特征在于：所述衍射面满足下列表达式：

$\mathrm{\&phi;}=\stackrel{N}{\mathrm{\&Sigma;}}{A}_i{\mathrm{\&rho;}}^{2i}$

其中ρ＝r/r₁，r₁是衍射面归化半径，A_i是衍射面相位系数。

9.根据权利要求7所述的长波红外光学***，其特征在于：所述非球面满足下列表达式：

$Z\left(Y\right)=\frac{Y^2/R}{1+\sqrt{1-|1+K|}{Y}^2/R^2}+{\mathrm{AY}}^4+{\mathrm{BY}}^6+{\mathrm{CY}}^8$

式中，Z为非球面沿光轴方向在高度为Y的位置时，距非球面顶点的距离矢高Sag，R表示镜面的近轴曲率半径，k为圆锥系数conic，A、B、C为高次非球面系数。