CN209167662U - 一种枪瞄型长波红外无热化镜头 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种枪瞄型长波红外无热化镜头，从物方至像方依次有三组透镜，包括：具有正光焦度的第一透镜，为一片凸面朝向物方的弯月形锗正透镜；具有正光焦度的第二透镜，为一片双凸形的硫系玻璃正透镜；具有负光焦度的第三透镜，为一片弯月形的硫系玻璃负透镜。本实用新型为定焦镜头，利用特殊的红外材料搭配，可在‑40℃～60℃范围内保持成像清晰，同时F数为1.2，适用于640x512，像元大小17μm的长波非制冷探测器；在全温度段内焦距变化很小，不需要多余的机械器件及电子器件，有良好的成像效果；相比同类型镜头体积小，重量轻，更实用稳定。
Description
技术领域
本实用新型属于光学技术领域，涉及一种用于长波红外非制冷探测器的枪瞄型长波红外无热化镜头。
背景技术
随着时代的发展，红外技术在军事、工业及相关行业的应用越来越广泛。在军事应用上，红外主要是在侦测，成像等方面有较好的优势。具备抗干扰能力强、探测精度高及适应性强等诸多特点。但红外技术的由于其本身的特性，受温度影响会远远高于可见光镜头。因为发展出结构紧凑、体积小、重量轻及成像质量好的红外镜头成为了一种趋势。在无热化设计中，机械无热化及机电无热化由于会使***体积增大、质量增加、并且会破坏原有像质平衡、可靠性下降等特点，逐渐被综合效率最高的光学无热化所替代。光学无热化利用了光学材料热特性之间的差异，通过不同特性材料之间的合理组合以消除温度影响。相对同类型镜头本新型减少了镜片数量，成本更加低廉。
实用新型内容
本实用新型提供了一种枪瞄型长波红外无热化镜头，要解决的技术问题是提供一种光学总长短，体积小，温度影响小，装调方便，成像质量高的镜头。其工作波段为8～12微米，焦距为34mm，F数＝1.2，适配分辨率为640x512，像元大小17微米的非制冷探测器，光学***总长52.8mm，最大口径34mm。
为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：
一种枪瞄型长波红外无热化镜头，由物方到像方依次包括第一透镜、第二透镜、第三透镜以及探测器部分；
所述第一透镜具有正光焦度，为一片凸面朝向物方的弯月形锗单晶正透镜，其凹面为衍射面；
所述第二透镜具有正光焦度，为一片双凸形硫系玻璃正透镜，其两面均为非球面，用于补偿温度引起的焦距变化；
所述第三透镜具有负光焦度，为一片凹凸形硫系玻璃单晶负透镜，其两面均为非球面，用于补偿温度引起的焦距变化；
在所述调焦组后为长波非制冷探测器部分，包括保护窗口和像面；孔径光阑位于第二透镜前方，变温过程中保持恒定。
所述镜头满足如下参数：
所述镜头的有效焦距EFL＝34mm，F数＝1.2，光学***总长＝52.8mm，适配探测器分辨率640x512，像元大小17μm。
所述镜头的水平视场角范围为：2w＝18.2°。
所述镜头的镜片中的非球面满足下列表达式：
其中z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距非球面顶点的距离矢高，c表示表面的顶点曲率，k为圆锥系数，α2、α3、α4、α5、α6为高次非球面系数。
所述镜头的镜片中的衍射面满足下列表达式：
Φ＝A1ρ2+A2ρ4
其中Φ为衍射面的位相，ρ＝r/rn,rn是衍射面的规划半径，A1、A2为衍射面的位相系数。
第一透镜靠近物侧的表面镀类金刚石碳膜。
本实用新型的有益效果为：光学***总长为52.8mm，最大口径34mm。结构紧凑，焦距受温度影响极小。温度补偿只有两片透镜，这样可以更好的保证温变过程中的光轴稳定性。同时使用折射式光学结构，装调简便，易于量产。整个温度范围内成像质量优良，全视场的平均MTF>0.64@20lp/mm。
附图说明
图1是本实用新型提供的枪瞄型长波红外无热化镜头的温度为-40℃时的光学***图；
图2是本实用新型提供的枪瞄型长波红外无热化镜头的温度为-40℃时的点列图；
图3是本实用新型提供的枪瞄型长波红外无热化镜头的温度为-40℃时的光学传递函数图(截止分辨率为20lp/mm)；
图4是本实用新型提供的枪瞄型长波红外无热化镜头的温度为-40℃时的场曲畸变图；
图5是本实用新型提供的枪瞄型长波红外无热化镜头的温度为60℃时的光学***图；
图6是本实用新型提供的枪瞄型长波红外无热化镜头的温度为60℃时的点列图；
图7是本实用新型提供的枪瞄型长波红外无热化镜头的温度为60℃时的光学传递函数图(截止分辨率为20lp/mm)；
图8是本实用新型提供的枪瞄型长波红外无热化镜头的温度为60℃时的场曲畸变图；
图9是本实用新型提供的枪瞄型长波红外无热化镜头的温度为20℃时的光学***图；
图10是本实用新型提供的枪瞄型长波红外无热化镜头的温度为20℃时的点列图；
图11是本实用新型提供的枪瞄型长波红外无热化镜头的温度为20℃时的光学传递函数图(截止分辨率为20lp/mm)；
图12是本实用新型提供的枪瞄型长波红外无热化镜头的温度为20℃时的场曲畸变图；
其中，100-物空间，L1-第一透镜，L2-第二透镜，L3-第三透镜，S3-光阑，101-探测器保护窗口，102-像面，S1～S2、S4～S7为透镜各个表面。
具体实施方式
以下结合附图，通过实施例对本实用新型做进一步详细说明。
该实施例是本实用新型应用于长波非制冷型分辨率640×512像元尺寸17μm凝视型焦平面探测器的例子。
图1、图5、图9分别为本实用新型在温度为-40℃，60℃,20℃时的光学***图，所述镜头的结构相同，以其中一个图为例作为说明。
如图1所示，本实施由正光焦度的前固定组L1、光阑S3、正光焦度的中固定组L2、负光焦度的后固定组L3以及最后的探测器101、102组成。
第一透镜L1，为凸面朝向物方的正透镜，材料为锗单晶，其凹面为衍射面；S3面为光阑面。第二透镜L2，为双凸形为正透镜，材料为硫系玻璃，S4、S5表面均为非球面。第三透镜L3，为凹凸形的负透镜，材料为硫系玻璃，S6、S7表面均为非球面。其中L2、L3透镜为无热化设计特殊光学材料，目的是消除温度引起的焦距变化。长波非制冷探测器包括：保护窗口101，成像面102，分辨率为640x512，像元大小17μmx17μm。
以上三片透镜中，第一透镜S1表面镀类金刚石碳膜，因为该表面外露，需要镀类金刚石碳膜碳膜起保护性作用，其余S2、S4～S7表面均镀增透膜。
表1为本实用新型在温度20℃时的光学结构参数：
表1
| 表面 | 曲率半径 | 20℃时的厚度(间隔) | 材料 | 口径 |
| S1 | 29.461 | 3.0 | GE_LONG | 34 |
| S2 | 30.219 | 14.210 | 29.6 | |
| S3 | Infinity | 0.50 | 24.668 | |
| S4 | 84.720 | 5.50 | IRG206 | 27 |
| S5 | -45.747 | 1.50 | 27 | |
| S6 | -16.192 | 5.50 | IRG201 | 24.6 |
| S7 | +28.537 | 20.210 | 27 |
以上三片透镜中提及的非球面，均为偶次非球面，其表达式如下
其中z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距非球面顶点的距离矢高，c表示表面的顶点曲率，k为圆锥系数，α2、α3、α4、α5、α6为高次非球面系数。
表2为表面S2，S4，S5，S6，S7的非球面系数：
表2
| 表面 | 4th | 6th | 8th | 10th | 12th |
| S2 | 2.252E-6 | 7.317E-9 | -2.817E-11 | 1.338E-13 | 0 |
| S4 | 2.623E-5 | -2.114E-7 | 1.195E-9 | -4.306E-12 | 0 |
| S5 | 7.318E-5 | -4.414E-7 | 1.846E-9 | -4.321E-12 | 0 |
| S6 | 2.278E-4 | -9.049E-7 | 3.591E-9 | -3.120E-12 | 0 |
| S7 | 8.841E-5 | 9.046E-8 | -2.202E-9 | 1.063E-11 | 0 |
以上三片透镜中提及的衍射面，其表达式如下：
Φ＝A1ρ2+A2ρ4
其中Φ为衍射面的位相，ρ＝r/rn,rn是衍射面的规划半径，A1、A2为衍射面的位相系数。
表3为表面S2的衍射系数；
表3
| 表面 | ||
| S2 | -11.569 | -4.230 |
下面参照像差分析图对本实用新型的效果做进一步详细的描述。
图2-图4是图1所述的枪瞄型长波红外无热化镜头的具体实施例在低温状态时的像差分析图，图2是点列图、图3是MTF图、图4是场曲畸变图。
图6-图8是图5所述的枪瞄型长波红外无热化镜头的具体实施例在高温状态时的像差分析图，图6是点列图、图7是MTF图、图8是场曲畸变图。
图10-图12是图9所述的枪瞄型长波红外无热化镜头的具体实施例在常温状态时的像差分析图，图10是点列图、图11是MTF图、图12是场曲畸变图。
从图中可以发现，各个焦段的各种像差得到了很好的校正，弥散斑均校正到接近艾利斑大小，MTF效果理想，畸变<2％。
所述镜头的有效焦距EFL＝34mm，F数＝1.2，光学***总长＝52.8mm，适配探测器分辨率640x512，像元大小17μm。所述镜头的水平视场角范围为：2w＝18.2°。
由此可见，本实用新型所述的枪瞄型长波红外无热化镜头具有良好的成像质量。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型而并非限制本实用新型所描述的技术方案。因此，尽管本说明书参照上述的实施例对本实用新型已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本实用新型进行修改或等同替换；而一切不脱离本实用新型的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种枪瞄型长波红外无热化镜头，其特征在于：由物方到像方依次包括第一透镜、第二透镜、第三透镜以及探测器部分；
所述第一透镜具有正光焦度，为一片凸面朝向物方的弯月形锗单晶正透镜，其凹面为衍射面；
所述第二透镜具有正光焦度，为一片双凸形硫系玻璃正透镜，其两面均为非球面；
所述第三透镜具有负光焦度，为一片弯月形硫系玻璃负透镜，其两面均为非球面；
在所述第三透镜后为长波非制冷探测器部分，包括保护窗口和像面；孔径光阑位于第二透镜前方，变温过程中保持恒定；
镜头的水平视场角范围为：2w＝18.2°。
2.根据权利要求1所述的枪瞄型长波红外无热化镜头，其特征在于，所述镜头满足如下参数：
所述镜头的有效焦距EFL＝34mm，F数＝1.2，光学***总长＝52.8mm，适配探测器分辨率640x512，像元大小17μm。
3.根据权利要求1所述的枪瞄型长波红外无热化镜头，其特征在于，所述镜头的镜片中的非球面满足下列表达式：
其中z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距非球面顶点的距离矢高，c表示表面的顶点曲率，k为圆锥系数，α2、α3、α4、α5、α6为高次非球面系数。
4.根据权利要求1所述的枪瞄型长波红外无热化镜头，其特征在于，所述镜头的镜片中的衍射面满足下列表达式：
Φ＝A1ρ2+A2ρ4
其中Φ为衍射面的位相，ρ＝r/rn,rn是衍射面的规划半径，A1、A2为衍射面的位相系数。
5.根据权利要求1所述的枪瞄型长波红外无热化镜头，其特征在于，第一透镜靠近物侧的表面镀类金刚石碳膜。
6.根据权利要求1所述的枪瞄型长波红外无热化镜头，其特征在于，所述镜头的全视场的平均MTF>0.64@20lp/mm。
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|---|---|---|---|---|
| CN112255696A (zh) * | 2020-10-30 | 2021-01-22 | 中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所 | 红外无热化自动检测设备 |
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| CN114594581B (zh) * | 2022-03-25 | 2023-06-20 | 浙江大立科技股份有限公司 | 一种无热化热成像光学*** |
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