一种红外成像光学系统、镜头

技术领域

本发明涉及红外成像技术领域，特别是涉及一种红外成像光学系统、镜头。

背景技术

红外热成像系统通过获取物体特定波段红外热辐射分布信息，并将其转换为人眼分辨的图像。该成像技术具有抗干扰能力强，可全天时工作等优势，广泛应用于工业、军事、医疗、环保等重要领域。

随着红外成像光学系统的发展，红外成像设备有向高分辨率，微型化，小型化的发展趋势，而传统的红外成像光学系统通常体积大，重量大，价格昂贵。在相关的红外成像技术中，长波红外广角镜头中的透镜均采用的是传统透镜，使得光学系统总长相对较长、光学系统整体体积较大，不利于小型化，且光学系统的重量较大、光学系统的成本较高。

由此可见，提供一种新的红外成像光学系统，以实现光学系统小型化、重量轻以及成本低是本领域人员亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种红外成像光学系统、镜头，以解决在光学系统中使用的透镜均为传统的透镜所导致的光学系统总长过长、体积过大、重量较大、成本较高的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种红外成像光学系统，包括：从物面至像面沿光轴方向依次放置的具有正光焦度的第一透镜、光阑、双面超透镜、具有正光焦度的第二透镜。

示例性地，所述光学系统满足以下表达式：

1.5

其中，f1为所述第一透镜的焦距；f为所述光学系统的焦距。

示例性地，所述光学系统满足以下表达式：

1

其中，f2为所述第二透镜的焦距；f为所述光学系统的焦距。

示例性地，所述第一透镜的第一表面和第二表面均为非球面，所述第二透镜的第一表面和第二表面均为非球面。

示例性地，所述第一透镜、所述第二透镜均为弯月形透镜，且所述第一透镜的材料、所述第二透镜的材料均为锗。

示例性地，所述双面超透镜包括第一超表面、衬底层和第二超表面；所述衬底层位于所述第一超表面和所述第二超表面之间；所述第一超表面的表面微结构单元、所述第二超表面的表面微结构单元按照六方晶格周期阵列排布。

示例性地，所述第一超表面的材料、所述衬底层的材料和所述第二超表面的材料均为硅。

示例性地，所述第一超表面的表面微结构单元、所述第二超表面的表面微结构单元为圆柱结构，且所述圆柱结构的直径为亚波长量级。

示例性地，所述第一超表面的表面微结构单元的高度、所述第二超表面的表面微结构单元的高度均为12μm。

为了解决上述技术问题，本发明还提供一种红外成像镜头，包括上述的红外成像光学系统。

本发明所提供的红外成像光学系统，包括：从物面至像面沿光轴方向依次放置的具有正光焦度的第一透镜、光阑、双面超透镜、具有正光焦度的第二透镜。当本发明提供的将超透镜与传统的折射透镜相结合组成折超混合光学系统中透镜的片数与单独由传统透镜组成的光学系统中透镜的片数相同时，即本发明中使用双面超透镜替代了部分传统的透镜，由于超透镜相比于传统透镜具有重量轻、成本低、体积小平面化的优势，因此，本发明提供的光学系统将超透镜与传统的折射透镜相结合组成折超混合光学系统，提升了整个光学系统的紧凑型，实现光学系统的小型化、降低了光学系统的重量以及成本；第一透镜和第二透镜均为正光焦度的透镜，使光学系统的主面位置更加靠前，降低了系统的光学总长，结构更加紧凑，进一步实现了光学系统的小型化；在光学系统中引入双面超透镜，使得可利用双面超透镜灵活的相位调控能力校正球差和轴外像差，使光学系统做到了1/0.96的大相对孔径、焦距为3.2mm、超过68°的大视场角，提高了8μm-12μm长波红外的分辨率，能够匹配256×192@12μm的非制冷长波红外探测器，即实现了大相对孔径、小焦距、广视场角、小的光学总长以及高像质的成像。综上，本发明提供的红外成像光学系统在保证像质的同时实现了光学系统的小型化以及有效降低了光学系统的重量和成本。

此外，本发明还提供一种红外成像镜头，与上述提到的红外成像光学系统具有相同或相对应的技术特征，效果同上。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种红外成像光学系统的结构图；

图2为本发明实施例提供的一种双面超透镜的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种双面超透镜的结构单元示意图；

图4为图1所示的光学系统的MTF曲线图；

图5为图1所示的光学系统的点列图；

图6为图1所示的光学系统的像散曲线图；

图7为图1所示的光学系统的畸变曲线图；

图8为本发明实施例提供的双面超透镜第一表面的相位分布图；

图9为本发明实施例提供的双面超透镜第二表面的相位分布图。

附图标记如下：A为第一透镜，B为光阑，C为双面超透镜，D为第二透镜，E为窗口片，F为像面，C1为双面超透镜C的第一超表面，C2为衬底层，C3为双面超透镜C的第二超表面。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。

本发明的核心是提供一种红外成像光学系统、镜头，以解决在光学系统中使用的透镜均为传统的透镜所导致的光学系统总长过长、体积过大、重量较大、成本较高的技术问题。

超透镜是一种新型的光学元件，其由界面处的亚波长间隔的散射体结构组成，通过适当地调整它们的形状、大小、位置和方向，可以控制光的基本属性，从而随意设计其波前。当应用在成像光学系统中时，其凭借自由的相位调控能力，可以实现超越传统折射透镜的成像调控功能，同时，超透镜本身具有重量轻、成本低、体积小平面化的优势。

相关的红外成像技术中，长波红外广角镜头一般采用3片或3片以上的传统透镜，导致光学系统总长相对较长、光学系统整体体积较大，不利于小型化，且光学系统的重量较大、光学系统的成本较高。因此，本发明中将与传统的折射透镜相结合组成折超混合光学系统，以此来提升整个光学系统的紧凑型，为光学系统微型化、小型化、重量轻、成本低、高分辨率的设计提供了新的解决方案。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。图1为本发明实施例提供的一种红外成像光学系统的结构图，如图1所示，该光学系统包括：从物面至像面F沿光轴方向依次放置的具有正光焦度的第一透镜A、光阑B、双面超透镜C、具有正光焦度的第二透镜D。

对于第一透镜A、光阑B、双面超透镜C、第二透镜D在光学结构中具体的位置不作限定，只要满足第一透镜A、光阑B、双面超透镜C、第二透镜D从物面至像面F沿光轴依次放置即可。另外，对于第一透镜A的片数、第二透镜D的片数、双面超透镜C的片数不作限定，根据实际情况确定。在实施中，为了减小光学系统的结构，优选的实施方式是，第一透镜A的片数、双面超透镜C的片数、第二透镜D的片数均为一片，即通过三片式的透镜组成红外成像光学系统。对于第一透镜A的形状、第二透镜D的形状不作限定。为矫正像差，设置第一透镜A、第二透镜D均为弯月形透镜。同时，对于第一透镜A的材质、第二透镜D的材质也不作限定，由于锗材料在红外材料中的折射率最高，能够在弯曲度最小、玻璃厚度小的情况下实现像差控制，弯曲度小降低了加工难度，厚度小降低了物料成本，因此，在一些实施例中，第一透镜A的材料、第二透镜D的材料均为锗。

为了减小光学系统的总长以及减小像差，光学系统满足以下表达式：

1.5

其中，f1为第一透镜A的焦距；f为光学系统的焦距。

第一透镜A光焦度为正，其承担的光焦度大于表达式1.5

第二透镜D承担大部分光焦度，实现光线的聚焦，通过将其放在远离光阑B的位置来减小第二透镜D引入的球差和彗差。在一些实施例中，光学系统满足以下表达式：

1

其中，f2为第二透镜D的焦距；f为光学系统的焦距。

当第二透镜D的光焦度小于表达式1

广角镜头轴外像差较大，当使用球面透镜时会导致像质降低，因此，本实施例中第一透镜A的第一表面和第二表面均为非球面，第二透镜D的第一表面和第二表面均为非球面。通过非球面面型的透镜以更好地校正像差。

超表面能够有效地对入射光相位进行灵活地调控，高精度地控制像差，同时承担极小的光焦度避免其存在的色差问题。本发明实施例中采用的超透镜为双面超透镜C，图2为本发明实施例提供的一种双面超透镜的结构示意图，如图2所示，双面超透镜C包括第一超表面C1、衬底层C2和第二超表面C3；衬底层C2位于第一超表面C1和第二超表面C3之间，第一超表面C1的表面微结构单元、第二超表面C3的表面微结构单元按照六方晶格周期阵列排布。

对于第一超表面C1的材料、衬底层C2的材料、第二超表面C3的材料不作限定。由于硅材料兼容标准半导体工艺加工，物料和制造成本低，因此，在一些实施例中，第一超表面C1的材料、衬底层C2的材料和第二超表面C3的材料均为硅。

第一超表面C1的相位分布

其中，ρ为超表面径向坐标，R为归一化半径，A

由于圆柱结构是加工难度最小，是最常用的微结构之一，直径亚波长量级保证了高的衍射效率。因此，在一些实施例中，第一超表面C1的表面微结构单元、第二超表面C3的表面微结构单元为圆柱结构，且圆柱结构的直径为亚波长量级。图3为本发明实施例提供的一种双面超透镜的结构单元示意图，结合图2和图3，双面超透镜C的第一超表面C1的表面微结构单元、第二超表面C3的表面微结构单元均为圆柱结构。

为了保证了超表面结构在整个红外波段上能满足光学系统中双面超表面要求的相位调控要求，在一些实施例中，设置的第一超表面C1的表面微结构单元的高度、第二超表面C3的表面微结构单元的高度均为12μm，即图3中所示的高度的值为12μm。

本发明实施例所提供的红外成像光学系统，包括：从物面至像面沿光轴方向依次放置的具有正光焦度的第一透镜、光阑、双面超透镜、具有正光焦度的第二透镜。当本发明提供的将超透镜与传统的折射透镜相结合组成折超混合光学系统中透镜的片数与单独由传统透镜组成的光学系统中透镜的片数相同时，即本发明中使用双面超透镜替代了部分传统的透镜，由于超透镜相比于传统透镜具有重量轻、成本低、体积小平面化的优势，因此，本发明实施例提供的光学系统将超透镜与传统的折射透镜相结合组成折超混合光学系统，提升了整个光学系统的紧凑型，实现光学系统的小型化、降低了光学系统的重量以及成本；第一透镜和第二透镜均为正光焦度的透镜，使光学系统的主面位置更加靠前，降低了系统的光学总长，结构更加紧凑，进一步实现了光学系统的小型化；在光学系统中引入双面超透镜，使得可利用双面超透镜灵活的相位调控能力校正球差和轴外像差，使光学系统做到了1/0.96的大相对孔径、焦距为3.2mm、超过68°的大视场角，提高了8μm-12μm长波红外的分辨率，能够匹配256×192@12μm的非制冷长波红外探测器，即实现了大相对孔径，小焦距，广视场角，小的光学总长以及高像质的成像。综上，本发明实施例提供的红外成像光学系统在保证像质的同时实现了光学系统的小型化以及有效降低了光学系统的重量和成本。

上文中描述了一种红外成像光学系统，本实施例还提供一种红外成像镜头，包括上述的红外成像光学系统。

结合上文中描述的图1，沿光轴从物方至像方依次设置有具有正光焦度的弯月形第一透镜A、光阑B、双面超透镜C、具有正光焦度的弯月形第二透镜D，窗口片E，像面F。入射光通过第一透镜A，再由光阑B进入双面超透镜C、第二透镜D、最后进入到带有窗口片E的像面F中。

将上述光学系统应用在镜头中，设置的镜头的具体性能参数为：

(1)工作波段：8-12μm；

(2)焦距f＝3.12mm；

(3)工作F数WFNO＝0.96；

(4)入瞳直径D＝3.2mm；

(5)第一透镜A的焦距为6.50mm；

(6)第一透镜A的焦距为3.41mm；

(7)视场角：2ω≥68°；

(8)光学总长≤5.3mm，后截距≥1.3mm。

通过上述镜头的性能参数，可以看出本发明实施例中提供的红外成像光学系统是一种长波红外折超混合短焦广角光学系统。

像面F使用非制冷长波红外探测器对镜头进行成像，其像元尺寸为12μm，像元数量或分辨率为256×192。

表1为图1所示的光学系统的光学结构参数表。表2为非球面数据。表3为第一超表面与第二超表面的多项式系数，具体地，包含A

表1光学系统的光学结构参数表

非球面满足下列表达式：

其中，Z为非球面的轮廓；r为非球面上的任意点到光学系统光轴的距离；C为非球面的近轴曲率，在数值上等于非球面近轴曲率的倒数；k为非球面的圆锥系数，X、Y、M分别为非球面轮廓的四次项、六次项、八次项系数。

表2非球面数据

表3第一超表面与第二超表面的多项式系数

图4为图1所示的光学系统的MTF曲线图，在截止频率42lp/mm下，所有视场下的MTF值均高于0.2，满足256×192@12μm非制冷长波红外探测器的传函要求。

图5为图1所示的光学系统的点列图，该镜头的星点均方根半径均接近艾里斑半径，能量集中，成像质量良好。

图6为图1所示的光学系统的像散曲线图，图7为图1所示的光学系统的畸变曲线图，其均由8μm，10μm，12μm等三个波长来表示，其中像散值大小小于0.2mm，畸变值小于10％，满足成像要求；图8为本发明实施例提供的双面超透镜第一表面的相位分布图；图9为本发明实施例提供的双面超透镜第二表面的相位分布图。单位为rad/2π，其相位分布能够通过超透镜微结构单元的排布来实现。需要说明的是，本实施例中将双面超透镜第一表面称为双面超透镜的前表面(靠近物面)，将双面超透镜第二表面称为双面超透镜的后表面(靠近像面)。

本发明实施例提供的红外成像光学系统以及红外成像镜头中，光路方案选择两片弯月形透镜中间加一片双面超透镜的构型，结构简单，镜片数量少，在保证像质同时有效降低了镜头成本和重量；两片弯月形透镜均承担正光焦度，使光学系统的主面位置更加靠前，降低了系统的光学总长，镜头结构更加紧凑，降低了镜头体积，有利于镜头在小型化场景中的应用；引入双面超透镜，利用其灵活的相位调控能力校正球差和轴外像差，使镜头做到了1/0.96的大相对孔径和超过68°的大视场角，提高了8μm-12μm长波红外的分辨率，能够匹配256×192@12μm的非制冷长波红外探测器。

以上对本发明所提供的一种红外成像光学系统、镜头进行了详细介绍。说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。