CN113448063B - 一种大视场大相对孔径中波红外镜头 - Google Patents

一种大视场大相对孔径中波红外镜头 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种大视场大相对孔径中波红外镜头，解决现有中波红外***难以满足对目标大范围、远距离探测的问题。该中波红外镜头，包括镜筒以及设置在镜筒内的光学***，光学***包括沿光轴依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；第一透镜的左侧为物面，第四透镜的右侧为像面；第一透镜为负光焦度弯向像方的弯月透镜；第二透镜为正光焦度弯向物方的弯月透镜；第三透镜为正光焦度弯向物方的弯月透镜；第四透镜为正光焦度的双凸透镜。

Description

一种大视场大相对孔径中波红外镜头
技术领域
本发明涉及一种中波红外镜头，具体涉及一种大视场大相对孔径中波红外镜头。
背景技术
红外光学***是一类探测目标及其周围环境热辐射能量的被动探测光学***，该光学***能够在白天、夜晚、沙尘、雾霾等天气条件对目标进行实时探测，因此在目标搜寻、救灾抢险、森林防火等领域具有广阔的应用前景。
由于中波红外***主要探测目标自身辐射的能量，可应用在一些特定的场景中，如人员搜救应用中。人体辐射的红外能量较弱，为了提高人员搜救效率，必然要求红外光学***具有更高的探测能力，这就对中波红外镜头的设计提出了更高的要求。目前，对特定目标而言，提高中波红外镜头的探测能力主要从两方面进行考虑：第一，增大光学***视场角从而增大***的探测搜索范围；第二，增大光学***的相对孔径，提高进入光学***的目标辐射能量。中国专利CN 112180572 A公开了一种中波红外无热化镜头，该中波红外镜头中，镜头仅使用四片光学镜片，实现相对孔径1/2，视场角28.74°的***设计，但该中镜头在大范围搜救行动中仍视场仍显不足，难以满足在目标搜寻、救灾抢险、森林防火等领域中对目标的大范围、远距离探测的要求。
发明内容
本发明的目的是解决现有中波红外***难以满足对目标大范围、远距离探测的问题，提供了一种大视场大相对孔径中波红外镜头，该镜头是一种相对孔径更大且视场角更大的中波红外光学***。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种大视场大相对孔径中波红外镜头，包括镜筒以及设置在镜筒内的光学***，光学***包括沿光轴依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；第一透镜的左侧为物面，第四透镜的右侧为像面；所述第一透镜为负光焦度弯向像方的弯月透镜；所述第二透镜为正光焦度弯向物方的弯月透镜；所述第三透镜为正光焦度弯向物方的弯月透镜；所述第四透镜为正光焦度的双凸透镜；所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜满足如下关系式：
-2.9≤f1/f≤-2.7；
11.5≤f2/f≤11.9；
21.0≤f3/ft≤23.0；
1.3≤f4/ft≤1.5；
其中，f1是第一透镜的焦距值；f2是第二透镜的焦距值；f3是第三透镜的焦距值；f4是第四透镜的焦距值；f是光学***的焦距值。
进一步地，所述第一透镜的中心厚度为5.8～6.3mm，其前表面为非球面，后表面为球面；所述第二透镜的中心厚度为3～4mm，其前表面为非球面，后表面为非球面；所述第三透镜的中心厚度为5.5～6.8mm，其前表面为非球面，后表面为非球面；所述第四透镜的中心厚度为6.0～6.8mm，其前表面为非球面，后表面为球面。
进一步地，所述第一透镜与第二透镜的中心间隔为14.5～15.9mm，所述第二透镜与第三透镜的中心间隔为3.0～4.2mm，所述第三透镜与第四透镜的中心间隔为26.0～28.0mm。
进一步地，所述光学***畸变≤5％。
进一步地，所述第一透镜选用硫系材料，所述第二透镜选用单晶锗材料，所述第三透镜选用硫系材料，所述第四透镜选用单晶硅材料。
进一步地，所述镜筒为钛合金镜筒。
进一步地，所述第一透镜的中心厚度为6.2mm，第二透镜的中心厚度为3.5mm，第三透镜的中心厚度为6.2mm，第四透镜的中心厚度为6.3mm。
进一步地，所述第一透镜与第二透镜的中心间隔为15.5mm，第二透镜与第三透镜的中心间隔为3.4mm，第三透镜与第四透镜的中心间隔为27.8mm。
与现有技术相比，本发明具有的有益技术效果如下：
1.本发明中波红外光学***的镜头采用4片光学镜片，通过光学材料选择、光焦度分配及使用高阶非球面的方法，使***视场角达到40°×40°，***相对孔径达到1/1.05，极大的提升了***的视场角与相对孔径，进而提高了***的探测搜救能力。
2.本发明中波红外光学***的镜头实现低畸变设计，***总畸变≤5％，不会引起人眼察觉，提升了***所拍摄图像的可读性及探测精度。
附图说明
图1为本发明大视场大相对孔径中波红外镜头光学***光路图；
图2为本发明在空间频率33lp/mm处的MTF曲线；
图3为本发明中波红外光学***的畸变曲线。
附图标记：1-第一透镜，2-第二透镜，3-第三透镜，4-第四透镜，5-制冷型中波红外探测器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用来解释本发明的技术原理，目的并不是用来限制本发明的保护范围。
本发明提供一种大视场大相对孔径中波红外光学***，该***的镜头采用4片光学镜片，通过光学材料选择、光焦度分配及使用高阶非球面的方法，降低轴外光束主光线在各透镜处的入射角，减小***与轴外视场有关的彗差、像散和畸变，使***视场角达到40°×40°，***相对孔径达到1/1.05，***总畸变≤5％。该设计极大的提升了***的视场角与相对孔径，进而提高了***的探测搜救能力。同时，该***的镜头实现低畸变设计，不会引起人眼察觉，提升了***所拍摄图像的可读性及探测精度。
如图1所示，本发明大视场大相对孔径中波红外镜头包括镜筒以及设置在镜筒内的光学***，定义光线从左到右入射，光学***包括沿光轴从左到右依次设置的第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3和第四透镜4；第一透镜1的左侧为物面，第四透镜4的右侧为像面，同时，第四透镜4的右侧为制冷型中波红外探测器。光学***畸变≤5％。
镜筒材料为钛合金；
第一透镜1为一个负光焦度弯向像方的弯月透镜，选用硫系材料；
第二透镜2为一个正光焦度弯向物方的弯月透镜，选用单晶锗材料；
第三透镜3为一个正光焦度弯向物方的弯月透镜，选用硫系材料；
第四透镜4为一个正光焦度的双凸透镜，选用单晶硅材料。
第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4满足如下关系式：
-2.9≤f1/f≤-2.7；
11.5≤f2/f≤11.9；
21.0≤f3/ft≤23.0；
1.3≤f4/ft≤1.5；
其中，f1是第一透镜1的焦距值，f2是第二透镜2的焦距值，f3是第三透镜3的焦距值，f4是第四透镜44的焦距值，f是光学***的焦距值。
本发明大视场大相对孔径中波红外镜头使用高阶非球面的方法进行设计，具体为：第一透镜1的中心厚度为5.8～6.3mm，其前表面为非球面，后表面为球面；第二透镜2的中心厚度为3～4mm，其前表面为非球面，后表面为非球面；第三透镜3的中心厚度为5.5～6.8mm，其前表面为非球面，后表面为非球面；第四透镜4的中心厚度为6.0～6.8mm，其前表面为非球面，后表面为球面。第一透镜1与第二透镜2的中心间隔为14.5～15.9mm，第二透镜2与第三透镜3的中心间隔为3.0～4.2mm，第三透镜3与第四透镜4的中心间隔为26.0～28.0mm。
在本发明实施例中，大视场大相对孔径中波红外镜头的像面尺寸为15.36mm×15.36mm，适用于像元尺寸15μm，1024×1024分辨率的制冷型中波红外探测器。镜头总长61mm，最大口径为53mm，视场角为40.1°×40.1°，F数为1.05，畸变为4.5％，冷屏距像面尺寸为29.2mm。
在本发明实施例中，第一透镜1的中心厚度为6.2mm，其前表面为非球面，后表面为球面；第二透镜2的中心厚度为3.5mm，其前表面为非球面，后表面为非球面；第三透镜3的中心厚度为6.2mm，其前表面为非球面，后表面为非球面；第四透镜4的中心厚度为6.3mm，其前表面为非球面，后表面为球面；第一透镜1与第二透镜2的中心间隔为15.5mm，第二透镜2与第三透镜3的中心间隔为3.4mm，第三透镜3与第四透镜4的中心间隔为27.8mm；
如图2所示，在空间频率33lp/mm处，本实施例中心视场传递函数大于0.5，像质良好。如图3所示，本实施例的最大畸变位于图像的4个角处，畸变最大值为4.5％，人眼不易察觉，具有较高的探测精度。

Claims (7)

1.一种大视场大相对孔径中波红外镜头，其特征在于：包括镜筒以及设置在镜筒内的光学***，所述光学***包括沿光轴依次设置的第一透镜(1)、第二透镜(2)、第三透镜(3)和第四透镜(4)；所述第一透镜(1)的左侧为物面，所述第四透镜(4)的右侧为像面；
所述第一透镜(1)为负光焦度弯向像方的弯月透镜；所述第一透镜(1)的前表面为非球面，后表面为球面；
所述第二透镜(2)为正光焦度弯向物方的弯月透镜；所述第二透镜(2)的前表面为非球面，后表面为非球面；
所述第三透镜(3)为正光焦度弯向物方的弯月透镜；所述第三透镜(3)的前表面为非球面，后表面为非球面；
所述第四透镜(4)为正光焦度的双凸透镜；所述第四透镜(4)的前表面为非球面，后表面为球面；
所述第一透镜(1)选用硫系材料，所述第二透镜(2)选用单晶锗材料，所述第三透镜(3)选用硫系材料，所述第四透镜(4)选用单晶硅材料；
所述第一透镜(1)、第二透镜(2)、第三透镜(3)、第四透镜(4)满足如下关系式：
-2.9≤f1/f≤-2.7；
11.5≤f2/f≤11.9；
21.0≤f3/ft≤23.0；
1.3≤f4/ft≤1.5；
其中，f1是第一透镜的焦距值；f2是第二透镜的焦距值；f3是第三透镜的焦距值；f4是第四透镜的焦距值；f是光学***的焦距值。
2.根据权利要求1所述的大视场大相对孔径中波红外镜头，其特征在于：所述第一透镜(1)的中心厚度为5.8～6.3mm；所述第二透镜(2)的中心厚度为3～4mm；所述第三透镜(3)的中心厚度为5.5～6.8mm；所述第四透镜(4)的中心厚度为6.0～6.8mm。
3.根据权利要求2所述的大视场大相对孔径中波红外镜头，其特征在于：所述第一透镜(1)与第二透镜(2)的中心间隔为14.5～15.9mm，所述第二透镜(2)与第三透镜(3)的中心间隔为3.0～4.2mm，所述第三透镜(3)与第四透镜(4)的中心间隔为26.0～28.0mm。
4.根据权利要求1或2或3所述的大视场大相对孔径中波红外镜头，其特征在于：所述光学***畸变≤5％。
5.根据权利要求4所述的大视场大相对孔径中波红外镜头，其特征在于：所述镜筒为钛合金镜筒。
6.根据权利要求5所述的大视场大相对孔径中波红外镜头，其特征在于：所述第一透镜(1)的中心厚度为6.2mm，所述第二透镜(2)的中心厚度为3.5mm，所述第三透镜(3)的中心厚度为6.2mm，所述第四透镜(4)的中心厚度为6.3mm。
7.根据权利要求6所述的大视场大相对孔径中波红外镜头，其特征在于：所述第一透镜(1)与第二透镜(2)的中心间隔为15.5mm，所述第二透镜(2)与第三透镜(3)的中心间隔为3.4mm，所述第三透镜(3)与第四透镜(4)的中心间隔为27.8mm。
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