CN111505800B - 用于1.5um-5.0um高帧频制冷型中波红外机芯无衍射面的200mm定焦镜头 - Google Patents
用于1.5um-5.0um高帧频制冷型中波红外机芯无衍射面的200mm定焦镜头 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于1.5um‑5.0um高帧频制冷型中波红外机芯无衍射面的200mm定焦镜头，包括从物侧到像面依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜以及第六透镜；其中，第一透镜为凸面朝向物侧的负光焦度透镜；第二透镜为双凸面的正光焦度透镜；第三透镜为凹面朝向物侧的负光焦度透镜；第四透镜为凹面朝向物侧的正光焦度透镜；第五透镜为双凸面的正光焦度透镜；第六透镜为凹面朝向物侧的负光焦度透镜。上述定焦镜头，无衍射面，镜头能量利用率高，采集的信息更为丰富，消除了色差的不利影响，成像效果好。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于1.5um-5.0um高帧频制冷型中波红外机芯无衍射面的200mm定焦镜头，属于高帧频制冷型中波红外定焦镜头领域。
背景技术
1.5um-5.0um高帧频制冷型中波红外机芯应用于线热成像、***研究、目标特性检测、高速目标检测跟踪、伪装和反伪装以及机械设备状态监测等科研和工业领域，具有灵敏度高、测温范围宽、测温精度高，测量速度快等特点。
目前可以查阅到的制冷型中波镜头一般标称适用于3.0um-5.0um，实际上大部分是按照3.7um-4.8um波段消除色差，该类镜头用在1.5um-5.0um的机芯上会造成能量损失以及1.5um-3.0um波段信息丢失。马力等人于2017年12月，在《光学与光电技术》杂志第15卷第6期上发表的《1.3-5um宽波段红外成像光学***设计》一文中给出了焦距85mm镜头的解决方案，该方案使用了两片非球面另外加一片衍射面。衍射面的使用会降低镜头能量透过率，降低***温差灵敏度，并且增加镜头加工难度和成本。
发明内容
1.5um-5.0um波段范围较宽，特别是焦距150mm以上的镜头，色差校正困难，通常用来校正色差的衍射光学元件在该波段存在衍射效率低、杂散光严重的缺陷，针对前述问题，本申请提供一种适用于1.5um-5.0um高帧频制冷型中波红外机芯无衍射面的200mm定焦镜头，结合红外玻璃材料合理的搭配，消除色差的不利影响，达到较好的成像效果。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种用于1.5um-5.0um高帧频制冷型中波红外机芯无衍射面的200mm定焦镜头，包括从物侧到像面依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜以及第六透镜；其中，第一透镜为凸面朝向物侧的负光焦度透镜；第二透镜为双凸面的正光焦度透镜；第三透镜为凹面朝向物侧的负光焦度透镜；第四透镜为凹面朝向物侧的正光焦度透镜；第五透镜为双凸面的正光焦度透镜；第六透镜为凹面朝向物侧的负光焦度透镜。
上述定焦镜头，无衍射面，镜头能量利用率高，采集的信息更为丰富，消除了色差的不利影响，成像效果好。
进一步的，为满足100％冷光阑效率，采用二次成像方式，同时可以压缩前组镜片口径，满足：-1.2<f0’/f’<-0.9；0.4<f1’/f’<0.5；-0.35<f2’/f’<-0.25；0.9<f3’/f’<1.2；-0.35<f4’/f’<-0.25；-0.1<f5’/f’<-0.05；0.3<f6’/f’<0.5；其中，f’是定焦镜头焦距；f0’为第一、二、三、四透镜的组合焦距；f1’是第一透镜的焦距；f2’是第二透镜的焦距；f3’是第三透镜的焦距；f4’是第四透镜的焦距；f5’是第五透镜的焦距；f6’是第六透镜的焦距。
进一步的为消除1.5um～5.0um宽波段色差，各透镜使用在该波段透过率较高的硫系玻璃、硒化锌、硫化锌以及氟化钙搭配，进一步优选，第一透镜和第四透镜所用材料均为硫系玻璃，优选的硫系玻璃为国产的IRG206或HWS6；第二透镜所用材料为硒化锌；第三透镜和第六透镜所用材料均为氟化钙；第五透镜所用材料为硫化锌。
进一步的为校正其他像差，从物侧到像面，第四透镜的两面依次为第四物侧面和第四像侧面，第五透镜的两面依次为第五物侧面和第五像侧面，第四像侧面和第五物侧面均为非球面。
为了进一步提高成像效果，第一透镜的两面依次为第一物侧面和第一像侧面，第二透镜的两面依次为第二物侧面和第二像侧面，第三透镜的两面依次为第三物侧面和第三像侧面，第六透镜的两面依次为第六物侧面和第六像侧面，第一物侧面、第一像侧面、第二物侧面、第二像侧面、第三物侧面、第三像侧面、第四物侧面、第五像侧面、第六物侧面和第六像侧面均为球面。
为了进一步提高成像效果，第一物侧面的曲率半径为191～205mm，第一像侧面的曲率半径为80～90mm，第二物侧面的曲率半径为80～90mm，第二像侧面的曲率半径为-395.7±0.5mm，第三物侧面的曲率半径为-55.3±0.5mm，第三像侧面的曲率半径为-137.9±0.5mm，第四物侧面的曲率半径为-16.5±0.5mm，第四像侧面的曲率半径为-27.7±0.5mm，第五物侧面的曲率半径为40～50mm，第五像侧面的曲率半径为-32.5±0.5mm，第六物侧面的曲率半径为-30.7±0.5mm，第六像侧面的曲率半径为-800±0.5mm，
为了确保成像效果和使用强度，第一透镜的中心厚度为4.3±0.05mm，第二透镜的中心厚度为15±0.05mm，第三透镜的中心厚度为13±0.05mm，第四透镜的中心厚度为12±0.05mm，第五透镜的中心厚度为10±0.05mm，第六透镜的中心厚度为3±0.05mm。
为了进一步确保成像效果，第一透镜的外径为75～80mm，第二透镜的外径为78～79mm，第三透镜的外径为24～27mm，第四透镜的外径为16～27mm，第五透镜的中心外径为29～30mm，第六透镜的外径为27～30mm。
本申请用于1.5um-5.0um高帧频制冷型中波红外机芯无衍射面的200mm定焦镜头，其焦距为200mm，F/#3.0，适用于1.5um-5um高帧频制冷型中波红外机芯，机芯像元数目为640×512，像元尺寸15um。
本发明未提及的技术均参照现有技术。
本发明用于1.5um-5.0um高帧频制冷型中波红外机芯无衍射面的200mm定焦镜头的有益效果如下：
1)适用于1.5um-5.0um宽波段制冷型高帧频红外机芯，相较3.0-5.0um或3.7um-4.8um波段镜头能量利用率高，采集的信息更为丰富，消色差效果好，成像品质高；
2)焦距200mm，作用距离远；
3)为消除1.5um-5.0um宽波段色差影响，采用在该波段高透过率材料搭配，进一步规避了使用衍射面带来的衍射效率低、杂光严重的问题；
4)采用二次成像满足100％冷光阑效率，同时有效压缩了前组外径。
附图说明
图1为本发明用于1.5um-5.0um高帧频制冷型中波红外机芯无衍射面的200mm定焦镜头的***光路图；
图2为本发明用于1.5um-5.0um高帧频制冷型中波红外机芯无衍射面的200mm定焦镜头的传递函数图；
图3为本发明用于1.5um-5.0um高帧频制冷型中波红外机芯无衍射面的200mm定焦镜头的畸变、场曲图；
图4为本发明用于1.5um-5.0um高帧频制冷型中波红外机芯无衍射面的200mm定焦镜头的轴向色差图；
图5为本发明用于1.5um-5.0um高帧频制冷型中波红外机芯无衍射面的200mm定焦镜头的垂轴色差图；
图中，L1为第一透镜，L2为第二透镜，L3为第三透镜，L4为第四透镜，L5为第五透镜，L6为第六透镜。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
针对1.5um-5um高帧频制冷型中波红外机芯F/#3.0，机芯像元数目为640x512，像元尺寸15um，焦距200mm；如图1所示，200mm定焦镜头，包括从物侧到像面依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜以及第六透镜；其中，第一透镜为凸面朝向物侧的负光焦度透镜；第二透镜为双凸面的正光焦度透镜；第三透镜为凹面朝向物侧的负光焦度透镜；第四透镜为凹面朝向物侧的正光焦度透镜；第五透镜为双凸面的正光焦度透镜；第六透镜为凹面朝向物侧的负光焦度透镜；。
采用二次成像满足100％冷光阑效率，同时有效压缩了前组外径，镜片焦距满足：-1.2<f0’/f’<-0.9；0.4<f1’/f’<0.5；-0.35<f2’/f’<-0.25；0.9<f3’/f’<1.2；-0.35<f4’/f’<-0.25；-0.1<f5’/f’<-0.05；0.3<f6’/f’<0.5；其中，f0’为第一、二、三、四透镜的组合焦距；f’是镜头组合焦距；f1’是第一透镜的焦距；f2’是第二透镜的焦距；f3’是第三透镜的焦距；f4’是第四透镜的焦距；f5’是第五透镜的焦距；f6’是第六透镜的焦距；
为消除1.5um～5.0um宽波段色差，使用在该波段透过率较高的硫系玻璃、硒化锌、硫化锌以及氟化钙搭配，具体的第一透镜和第四透镜使用硫系玻璃(国产的IRG206或HWS6)；第二透镜使用硒化锌；第三透镜和第六透镜使用氟化钙；第五透镜使用硫化锌；
从物侧到像面，第一透镜的两面依次为第一物侧面S1和第一像侧面S2，第二透镜的两面依次为第二物侧面S3和第二像侧面S4，第三透镜的两面依次为第三物侧面S5和第三像侧面S6，第四透镜的两面依次为第四物侧面S7和第四像侧面S8，第五透镜的两面依次为第五物侧面S9和第五像侧面S10，第六透镜的两面依次为第六物侧面S11和第六像侧面S12；窗口片的两面依次为第七物侧面S13和第七像侧面S14，冷光阑S15，像面S16，各镜片的参数如表1所示。
表1各镜片的参数设置
表1中，R表示曲率半径，部分表面给出的曲率半径的范围值，如表面S1，191<R<205代表曲率半径在191mm～205mm范围内取值；间隔一栏，每个透镜对应的第一行表示透镜厚度，第二行表示透镜间隔；材料一栏，每个透镜对应的第一行表示透镜材料，第二行表示透镜间隔；为校正其他像差，在第四像侧面S8及第五物侧面S9使用了非球面，系数如表2所示。
表2非球面系数
表2中各表面所采用的非球面方程为：
其中各量的含义如下：
ZA：非球面沿光轴方向的透镜矢高；
R：表面与光轴OO’交点处的曲率半径；
Y：透镜垂直于光轴方向的半口径；
k：圆锥系数；
A、B、C、D、E非球面系数；
从图2传递函数可看出，MTF值在30线对基本大于0.45，子午与弧矢方向曲线比较集中，像质优良；从图3可看出，畸变<2％；从图4可看出，轴向色差校正小于120um，从图5可看出，垂轴色差基本控制在衍射极限艾里斑内，色差校正良好。
Claims (9)
1.一种用于1.5um-5.0um高帧频制冷型中波红外机芯无衍射面的200mm定焦镜头，其特征在于：包括从物侧到像面依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜以及第六透镜；其中，第一透镜为凸面朝向物侧的负光焦度透镜；第二透镜为双凸面的正光焦度透镜；第三透镜为凹面朝向物侧的负光焦度透镜；第四透镜为凹面朝向物侧的正光焦度透镜；第五透镜为双凸面的正光焦度透镜；第六透镜为凹面朝向物侧的负光焦度透镜；
-1.2<f0’/f’<-0.9；0.4<f1’/f’<0.5；-0.35<f2’/f’<-0.25；0.9<f3’/f’<1.2；-0.35<f4’/f’<-0.25；-0.1<f5’/f’<-0.05；0.3<f6’/f’<0.5；其中，f’是定焦镜头焦距；f0’为第一、二、三、四透镜的组合焦距；f1’是第一透镜的焦距；f2’是第二透镜的焦距；f3’是第三透镜的焦距；f4’是第四透镜的焦距；f5’是第五透镜的焦距；f6’是第六透镜的焦距。
2.如权利要求1所述的用于1.5um-5.0um高帧频制冷型中波红外机芯无衍射面的200mm定焦镜头，其特征在于：第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜以及第六透镜所用材料为硫系玻璃、硒化锌、硫化锌和氟化钙的组合。
3.如权利要求2所述的用于1.5um-5.0um高帧频制冷型中波红外机芯无衍射面的200mm定焦镜头，其特征在于：第一透镜和第四透镜所用材料均为硫系玻璃；第二透镜所用材料为硒化锌；第三透镜和第六透镜所用材料均为氟化钙；第五透镜所用材料为硫化锌。
4.如权利要求1-3任意一项所述的用于1.5um-5.0um高帧频制冷型中波红外机芯无衍射面的200mm定焦镜头，其特征在于：从物侧到像面，第四透镜的两面依次为第四物侧面和第四像侧面，第五透镜的两面依次为第五物侧面和第五像侧面，第四像侧面和第五物侧面均为非球面。
5.如权利要求4所述的用于1.5um-5.0um高帧频制冷型中波红外机芯无衍射面的200mm定焦镜头，其特征在于：第一透镜的两面依次为第一物侧面和第一像侧面，第二透镜的两面依次为第二物侧面和第二像侧面，第三透镜的两面依次为第三物侧面和第三像侧面，第六透镜的两面依次为第六物侧面和第六像侧面，第一物侧面、第一像侧面、第二物侧面、第二像侧面、第三物侧面、第三像侧面、第四物侧面、第五像侧面、第六物侧面和第六像侧面均为球面。
6.如权利要求5所述的用于1.5um-5.0um高帧频制冷型中波红外机芯无衍射面的200mm定焦镜头，其特征在于：第一物侧面的曲率半径为191～205mm，第一像侧面的曲率半径为80～90mm，第二物侧面的曲率半径为80～90mm，第二像侧面的曲率半径为-395.7±0.5mm，第三物侧面的曲率半径为-55.3±0.5mm，第三像侧面的曲率半径为-137.9±0.5mm，第四物侧面的曲率半径为-16.5±0.5mm，第四像侧面的曲率半径为-27.7±0.5mm，第五物侧面的曲率半径为40～50mm，第五像侧面的曲率半径为-32.5±0.5mm，第六物侧面的曲率半径为-30.7±0.5mm，第六像侧面的曲率半径为-800±0.5mm。
7.如权利要求1-3任意一项所述的用于1.5um-5.0um高帧频制冷型中波红外机芯无衍射面的200mm定焦镜头，其特征在于：第一透镜的中心厚度为4.3±0.05mm，第二透镜的中心厚度为15±0.05mm，第三透镜的中心厚度为13±0.05mm，第四透镜的中心厚度为12±0.05mm，第五透镜的中心厚度为10±0.05mm，第六透镜的中心厚度为3±0.05mm。
8.如权利要求1-3任意一项所述的用于1.5um-5.0um高帧频制冷型中波红外机芯无衍射面的200mm定焦镜头，其特征在于：第一透镜的外径为75～80mm，第二透镜的外径为78～79mm，第三透镜的外径为24～27mm，第四透镜的外径为16～27mm，第五透镜的中心外径为29～30mm，第六透镜的外径为27～30mm。
9.如权利要求1-3任意一项所述的用于1.5um-5.0um高帧频制冷型中波红外机芯无衍射面的200mm定焦镜头，其特征在于：其焦距为200mm，F数为3.0，机芯像元数目为640×512，像元尺寸15um。
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