一种适用1.5-5um的双色探测系统的宽光谱无热化制冷镜头

技术领域

本发明涉及一种适用1.5-5um的双色探测系统的宽光谱无热化制冷镜头，属于宽光谱无热化制冷镜头技术领域。

背景技术

1.5um～5.0um高帧频制冷型中波红外机芯应用于安全监控、空气污染、目标特性检测、高速目标检测跟踪以及机械设备状态监测等科研和工业领域，具有灵敏高、测温范围宽、测温精度高，测量速度快等特点。

宽波段光学系统具有系统像差和色差难以校正等设计难点。目前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。CN106019534B公布了一种1.3～5um宽波段红外成像镜头，存在镜片数量多、体积大、像面小、非无热化、整体加工装调不便等问题。

发明内容

本发明提供一种适用于短波和中波双色探测器640*512红外机芯的大幅面宽光谱镜头，适用于安全监控、空气污染、目标特性检测、高速目标检测跟踪以及机械设备状态监测等相关领域。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种适用1.5-5um的双色探测系统的宽光谱无热化制冷镜头，包括从物方到像方依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜；其中，第一透镜为负屈光率的凹凸透镜；第二透镜正屈光率的凸凸透镜；第三透镜为正屈光率的凸凹透镜；第四透镜为正屈光率的凸凹透镜；从物方到像方，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，第四透镜的两面依次为第四物侧面和第四像侧面；第一像侧面为非球面；第三物侧面为衍射面；第一物侧面、第二物侧面、第二像侧面、第三像侧面、第四物侧面和第四像侧面均为球面透镜。

上述镜头为适用于短波和中波双色探测器640*512-15um机芯的高频制冷型镜头。本申请给出了一种适用于从短波到中波双色探测器无热化镜头的解决方案，填补了国内短波到中波波段无热化成像物镜的空白。

上述镜头采用衍射面进行色差和热差优化。

上述适用1.5-5um的双色探测系统的宽光谱无热化制冷镜头，系统组合焦距f’为25mm，系统F数等于2.5，对角线成像面12.3mm，对角线视场角达27.6°。

上述第一透镜至第四透镜采用晶体材质和硫系玻璃制成。优选，为保证整体的透过率，降低镜片数量，消除温度变化对像质的不利影响，镜片采用折射率较高的晶体材质和折射率随温度变化系数dn/dT较小的硫系玻璃；进一步优选，第一透镜和第四透镜所用材质为硒化锌，使用了非球面，校正像质；第二透镜所用材质为氟化钙晶体，氟化物晶体在1.5-5um具有较高的透过率，在不镀膜的情况下透过率都能达到90％；第三透镜所用材质为硫系玻璃，优选的硫系玻璃为国产的IRG206，使用衍射面，有助于消除光学系统的色差和热差。

为了进一步确保成像效果，第一物侧面的曲率半径为-16.280±0.005mm，第一像侧面的曲率半径为-24.868±0.005mm；第二物侧面的曲率半径为63.376±0.005mm，第二像侧面的曲率半径为-65.842±0.005mm；第三物侧面的曲率半径为118.371±0.005mm，第三像侧面的曲率半径为159.804±0.005mm；第四物侧面的曲率半径为43.214±0.005mm，第四像侧面的曲率半径为110.284±0.005mm。

为了进一步确保成像质量，第一透镜和第二透镜之间的中心间隔为11.073±0.005mm，第二透镜和第三透镜之间的中心间隔为0.300±0.005mm，第三透镜和第四透镜之间的中心间隔为0.626±0.005mm。

为了进一步确保成像稳定性和成像质量，第一透镜的中心厚度7.000±0.05mm，第二透镜的中心厚度6.200±0.05mm，第三透镜的中心厚度2.700±0.05mm，第四透镜的中心厚度2.700±0.05mm。

为了兼顾成像质量和镜头体积，第一透镜的外径为21.2～28.3mm，第二透镜的外径为27.5±0.1mm，第三透镜的外径为23.5～26.1mm，第四透镜的外径为21.8～24.7mm。

上述镜头实现了100％冷光阑效率。

本发明未提及的技术均参照现有技术。

本发明适用1.5-5um的双色探测系统的宽光谱无热化制冷镜头，具有如下有益效果：

1.适用于短波和中波双色探测器，对角线视场角可达27.6°，适用于安全监控、空气污染、目标特性检测、高速目标检测跟踪以及机械设备状态监测等相关领域，可靠性高；

2.成像幅面大，可用于640机芯，像元可达15um；

3.系统F数为2.5，整体光学镜片的口径小，能最大程度上节约成本；

4.第三物侧面采用衍射面，能有效校正宽波段产生的色差和热差；

5.采用直筒型一次成像系统构型，光学系统由四片面镜组成，所有元件布置在同一光轴上，具有工作波段宽、结构紧凑、适装性好、成像质量好、传递函数达到或接近衍射极限等特点。

附图说明

图1是本发明所述双色探测系统的宽光谱无热化制冷镜头的光路示意图；

图2是具体实施例在1.5-5um常温20℃时光学传递函数曲线图；

图3是具体实施例在1.5-5um低温-40℃时光学传递函数曲线图；

图4是具体实施例在1.5-5um高温80℃时光学传递函数曲线图；

图5是具体实施例在1.5-5um的场曲及畸变图；

图6是具体实施例在1.5-5um的光斑图；

图7是具体实施例在1.5-5um的垂轴色差图。

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。

如图1所示的一种适用1.5-5um的双色探测系统的宽光谱无热化制冷镜头，包括沿光轴从物方到像方依次排列的：具有负光焦度的第一透镜L1、具有正光焦度的第二透镜L2、具有正光焦度的第三透镜L3、具有正光焦度的第四透镜L4以及保护窗L5、系统冷光阑S11和成像面S12。

从物方到像方，第一透镜L1的两面依次为第一物侧面S1和第一像侧面S2，第二透镜L2的两面依次为第二物侧面S3和第二像侧面S4，第三透镜L3的两面依次为第三物侧面S5和第三像侧面S6，第四透镜L4的两面依次为第四物侧面S7和第四像侧面S8，保护窗L6两面为第六物侧面S9和第六像侧面S10；第一像侧面S2为非球面；第三物侧面S5为衍射面；第一物侧面S1、第二物侧面S3、第二像侧面S4、第三像侧面S6、第四物侧面S7和第四像侧面S8均为球面透镜。

第一透镜L1采用硒化锌材质，使用了非球面，校正像质；

第二透镜L2采用氟化钙晶体，氟化物晶体在1.5-5um具有较高的透过率，在不镀膜的情况下透过率都能达到90％；

第三透镜L3使用硫系玻璃IRG206，使用了衍射面，有助于消除光学系统的色差和热差；

第四透镜L4采用硒化锌材质，综合像差作用。

表1本发明实施例的光学系统技术参数

表2本发明实施例的具体参数

表2中采用的非球面方程：

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面系数；具体系数见表3。

表3

表2所采用的衍射面方程为：

Φ＝A

其中：

Φ：为衍射面的位相；

Y：透镜垂直于光轴方向的半口径；

A1、A2、A3衍射面位相系数；

表2具体实施例中使用衍射面系数见表4。

表4

图2至图4为实施例在温度-40℃、+20℃和+80℃光学传递函数曲线图，配合640x51215μm探测器要求达到33线对/mm分辨率；由图2至图4可知，随着温度改变，边缘MTF数值均在0.28以上，图像的解析能力和无热化效果较好；由图6可知系统的弥散斑较小，系统对物体的识别能力较强；从图7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。