双波段共口径大靶面的光学无热化红外镜头及光学系统

技术领域

本发明涉及一种光学镜头，具体涉及一种双波段共口径大靶面的光学无热化红外镜头及光学系统。

背景技术

随着红外光学的发展，各领域对红外热像仪提出了更高的要求，制冷型热像仪因其较高的响应灵敏度逐渐被广泛使用。其中双波段共口径红外镜头因可同时对中波和长波波段清晰成像，得到目标的特征信息，在遥测等领域使用需求逐渐增多。目前针对双波段共口径光学无热化红外镜头大部分采用折/反系统实现双光路共口径，此类光学系统存在的问题是：结构复杂，精度要求较高，体积和重量较大，视场角较小。

发明内容

本发明的目的是解决现有双波段共口径光学无热化红外光学系统存在结构复杂，精度要求高，体积和重量大，以及视场角小的技术问题，提供一种双波段共口径大靶面的光学无热化红外镜头及光学系统。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术解决方案如下：

本发明提供一种双波段共口径大靶面的光学无热化红外镜头，其特殊之处在于：

包括沿光路依次设置的光焦度为负的整流罩A、第一负透镜B、第二正透镜C、第三正透镜D、第四负透镜E、第五正透镜F、第六正透镜G和滤光片H，以及滤光片H的旋转驱动机构、旋转驱动机构的控制系统；

所述整流罩A为球面透镜；所述第一负透镜B为凸面朝向物方的双弯月负透镜；所述第二正透镜C为凸面朝向物方的双弯月正透镜；所述第三正透镜D为凸面朝向物方的双弯月正透镜；所述第四负透镜E为凸面朝向物方的双弯月负透镜；所述第五正透镜F为凸面朝向像方的双弯月正透镜；所述第六正透镜G为凸面朝向物方的双弯月正透镜；所述滤光片H为平板玻璃。

进一步地，所述第二正透镜C的出射面S6为衍射面非球面；

所述第一负透镜B的出射面S4、第四负透镜E的出射面S10、第五正透镜F的出射面S12，以及第六正透镜G的出射面S14，均为非球面；

所述第一负透镜B的入射面S3、第二负透镜C的入射面S5、第三负透镜D的入射面S7和出射面S8、第四负透镜E的入射面S9、第五正透镜F的入射面S11，以及第六正透镜G的入射面S13，均为球面。

进一步地，所述滤光片H的入射面S15和出射面S16上均镀有窄带通膜；

所述整流罩A、第一负透镜B、第二正透镜C、第三正透镜D、第四负透镜E、第五正透镜F，以及第六正透镜G的入射面和出射面上，均镀有双波段增透膜。

进一步地，所述整流罩A、第一负透镜B、第二正透镜C、第三正透镜D、第四负透镜E、第五正透镜F、第六正透镜G的厚度分别为4mm、6.5mm、9.5mm、10.2mm、9.1mm、9.5mm、5mm。

进一步地，所述整流罩A为多光谱CVD硫化锌材质；

所述第一负透镜B为锗材质；所述第二正透镜C、第三正透镜D、第四负透镜E、第五正透镜F，以及第六正透镜G，均为硫系材质；

所述滤光片H为N型锗单晶材质。

进一步地，所述滤光片H上包含多个半径相同的扇形滤光区域，不同扇形滤光区域上设有不同波段的膜。

进一步地，还包括均为铝合金材质的镜筒和多个隔圈；

所述整流罩A、第一负透镜B、第二正透镜C、第三正透镜D、第四负透镜E、第五正透镜F、第六正透镜G和滤光片均安装于镜筒内，多个隔圈设置于镜筒内的相邻镜片之间，用于定位。

进一步地，所述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，距非球面定焦的距离矢高；c表示非球面表面的顶点曲率，即c＝1/r；k为圆锥系数，k＝0；α

进一步地，所述衍射面的表达式如下：

Φ＝A

其中，Φ为衍射面的位相；ρ＝r/r

本发明还提供一种双波段共口径大靶面的光学无热化红外光学系统，其特殊之处在于：

包括上述的双波段共口径大靶面的光学无热化红外镜头，以及凝视型中长波双色制冷型红外探测器；

所述凝视型中长波双色制冷型红外探测器的探测器保护窗口I位于滤光片H的出射光路上，其探测面位于所述双波段共口径大靶面的光学无热化红外镜头的像面K处。

进一步地，所述光学无热化红外镜头的焦距为117mm，F数为2.0，光学视场为7.5°×7.5°；

所述滤光片H为窄带通滤光片，其上共有四个扇形滤光区域，对应的波段分别为3.7μm～4.1μm，4.4μm～4.95μm，3.7μm～4.95μm，8μm～9.4μm；

所述凝视型中长波双色制冷型红外探测器的规格为640x512@24μm，工作波段为3.7um～4.95um和8um～9.4um，F数为2.0，成像圆直径大于Φ19.7；

所述整流罩A的入射面至凝视型中长波双色制冷型红外探测器探测面的总长TTL≤225mm，滤光片H的出射面至凝视型中长波双色制冷型红外探测器探测面的总长≥34mm。

本发明相比现有技术具有的有益效果如下：

1、本发明提供的双波段共口径大靶面的光学无热化红外镜头及光学系统，采用折射式光路来实现双波段共口径设计，并通过二次成像系统有效压缩光学元件外径，选择双色制冷探测器，实现了光学系统的小型化、轻量化，且成像稳定性好，品质高，解决了现有双波段共口径红外镜头体积和重量较大的问题，其大靶面可提供更大的视场角。

2、本发明提供的双波段共口径大靶面的光学无热化红外镜头及光学系统，采用了多光谱CVD硫化锌、硫系材料和锗三种材料配合，均为普通红外光学材料，其中利用多光谱CVD硫化锌硬度高，断裂强度大的特点作为整流罩A的材料，提高系统的可靠性和安全性。

3、本发明提供的双波段共口径大靶面的光学无热化红外镜头及光学系统，所有透镜材料选择合理，与镜筒材料组合匹配实现-45℃～+65℃温度段的光学无热化设计，补偿镜筒随温度变化热胀冷缩导致的离焦，使系统在该宽温度段内清晰成像，保持良好的成像质量，并且使得光学结构简单、易于加工。

4、本发明提供的双波段共口径大靶面的光学无热化红外镜头及光学系统，滤光片H上包含多个扇形滤光区域，不同扇形滤光区域上设有不同波段的膜，增加了探测器在单个滤光片H下的积分时间，提高图像增益，可进一步突出目标特征。

5、本发明提供的双波段共口径大靶面的光学无热化红外镜头及光学系统，选择的640*512@24μm制冷探测器，具有较大靶面，可增加视场角，增大搜索范围。

附图说明

图1为本发明双波段共口径大靶面的光学无热化红外光学系统的结构示意图；

图2为本发明双波段共口径大靶面的光学无热化红外光学系统的光路图；

图3为本发明双波段共口径大靶面的光学无热化红外镜头滤光片H的结构示意图；

图4为本发明双波段共口径大靶面的光学无热化红外光学系统的中波段传递函数MTF图(MTF@21lp/mm)，a为理论衍射极限线；

图5为本发明双波段共口径大靶面的光学无热化红外光学系统的长波段传递函数MTF图(MTF@21lp/mm)，b为理论衍射极限线；

附图标记说明：

整流罩A、第一负透镜B、第二正透镜C、第三正透镜D、第四负透镜E、第五正透镜F、第六正透镜G、滤光片H、探测器保护窗口I、探测器滤光片J、像面K；

整流罩A的入射面S1、整流罩A的出射面S2、第一负透镜B的入射面S3、第一负透镜B的出射面S4、第二负透镜C的入射面S5、第二负透镜C的出射面S6、第三负透镜D的入射面S7、第三负透镜D的出射面S8、第四负透镜E的入射面S9、第四负透镜E的出射面S10、第五正透镜F的入射面S11、第五正透镜F的出射面S12、第六正透镜G的入射面S13、第六正透镜G的出射面S14、滤光片H的入射面S15、滤光片H的出射面S16。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步地说明。

一种双波段共口径大靶面的光学无热化红外镜头，如图1所示，包括镜筒，以及设置在镜筒内沿光路依次设置的光焦度为负的整流罩A、第一负透镜B、第二正透镜C、第三正透镜D、第四负透镜E、第五正透镜F、第六正透镜G和滤光片H，以及滤光片H的旋转驱动机构、旋转驱动机构的控制系统；滤光片H固定在旋转驱动机构的滤光轮上，可根据成像需求进行旋转切换；各个透镜和滤光片H之间通过隔圈进行定位，镜筒和隔圈均采用铝合金材料。

所述整流罩A为球面透镜；所述第一负透镜B为弯向物方的双弯月负透镜；所述第二正透镜C为弯向物方的双弯月正透镜；所述第三正透镜D为弯向物方的双弯月正透镜；所述第四负透镜E为弯向物方的双弯月负透镜；所述第五正透镜F为弯向像方的双弯月正透镜；所述第六正透镜G为弯向物方的双弯月正透镜；所述滤光片H为平板玻璃。所述整流罩A、第一负透镜B、第二正透镜C、第三正透镜D、第四负透镜E、第五正透镜F、第六正透镜G的厚度分别为4mm、6.5mm、9.5mm、10.2mm、9.1mm、9.5mm、5mm。

所述第二正透镜C的出射面S6为衍射面非球面；所述第一负透镜B的出射面S4、第四负透镜E的出射面S10、第五正透镜F的出射面S12，以及第六正透镜G的出射面S14，均为非球面；所述第一负透镜B的入射面S3、第二负透镜C的入射面S5、第三负透镜D的入射面S7和出射面S8、第四负透镜E的入射面S9、第五正透镜F的入射面S11，以及第六正透镜G的入射面S13，均为球面。所述滤光片H的入射面S15和出射面S16上均镀有窄带通膜；所述整流罩A、第一负透镜B、第二正透镜C、第三正透镜D、第四负透镜E、第五正透镜F，以及第六正透镜G的入射面和出射面上，均镀有双波段增透膜。

所述整流罩A为多光谱CVD硫化锌材质；所述第一负透镜B为锗材质；所述第二正透镜C、第三正透镜D、第四负透镜E、第五正透镜F，以及第六正透镜G，均为硫系材质；所述滤光片H为N型锗单晶材质。

所述滤光片H上包含多个半径相同的扇形滤光区域，不同扇形滤光区域上设有不同波段的膜。如图3所示，滤光片H分为4个90°的扇形滤光区域，对应的波段分别为3.7μm～4.1μm，4.4μm～4.95μm，3.7μm～4.95μm，8μm～9.4μm，增加了探测器在单个滤光片H下的积分时间，提高图像增益，可进一步突出目标特征。

本发明还提供一种双波段共口径大靶面的光学无热化红外光学系统，包括上述的双波段共口径大靶面的光学无热化红外镜头，以及凝视型中长波双色制冷型红外探测器；所述凝视型中长波双色制冷型红外探测器的探测器保护窗口I位于滤光片H的出射光路上，其探测面位于所述双波段共口径大靶面的光学无热化红外镜头的像面K处。光线依次经过第一负透镜B、第二正透镜C、第三正透镜D、第四负透镜E、第五正透镜F、第六正透镜G和滤光片H透射，经过凝视型中长波双色制冷型红外探测器的探测器保护窗口I和探测器滤光片J，最终到达像面K。

所述光学无热化红外镜头的焦距为117mm，F数为2.0，光学视场为7.5°×7.5°；所述滤光片H为窄带通滤光片，其上共有四个扇形滤光区域，对应的波段分别为3.7μm～4.1μm，4.4μm～4.95μm，3.7μm～4.95μm，8μm～9.4μm；所述凝视型中长波双色制冷型红外探测器的规格为640x512@24μm，工作波段为3.7um～4.95um和8um～9.4um，F数为2.0，成像圆直径大于Φ19.7；所述整流罩A的入射面至凝视型中长波双色制冷型红外探测器探测面的总长TTL≤225mm，滤光片H的出射面至凝视型中长波双色制冷型红外探测器探测面的总长≥34mm。图2为本发明双波段共口径大靶面的光学无热化红外光学系统的光路图。

本发明在体积、重量、光轴一致性和视场角方面具有明显优势，为-45℃～+65℃的光学无热化设计，可确保在该温度范围内均清晰成像。表1为本发明的光学系统的结构参数。

表1、光学系统结构参数

以上透镜中所提及的非球面，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，距非球面定焦的距离矢高；c表示非球面表面的顶点曲率，即c＝1/r；k为圆锥系数，k＝0；α

表2、非球面系数表

以上透镜中提及的衍射面的表达式如下：

Φ＝A

其中，Φ为衍射面的位相；ρ＝r/r

表3、表面S6衍射系数

图4为本发明双波段共口径大靶面的光学无热化红外光学系统的中波段传递函数MTF图(MTF@21lp/mm)，图5为本发明双波段共口径大靶面的光学无热化红外光学系统的长波段传递函数MTF图(MTF@21lp/mm)，从图4和图5中，可以看出，在中波段和长波段下，光路的传递函数线分，分别接近理论衍射极限a和衍射极限b，表明实际光路与设计光路基本一致，成像质量好。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述各实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。