一種1.3～5um寬波段紅外成像鏡頭的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種1.3～5um寬波段紅外成像鏡頭，包括第一反射鏡和第二反射鏡，第一反射鏡入射光的光軸上依次設置有主物鏡、第一前透鏡、第二前透鏡和調(diào)焦鏡，兩反射鏡之間的光軸上依次設置有第一后透鏡和第二后透鏡，第二反射鏡出射光的光軸上設置有第三后透鏡；所述的主物鏡為凸面朝向物方的正光焦度平凸透鏡，所述的第一前透鏡為負光焦度的雙凹透鏡，所述的第二前透鏡和第三后透鏡為正光焦度的雙凸透鏡，所述的調(diào)焦鏡和第一后透鏡為凸面朝向第一反射鏡的正光焦度彎月形透鏡，所述的第二后透鏡為凸面朝向第二反射鏡的負光焦度彎月形透鏡；本實用新型成像質(zhì)量較高，大大減小了系統(tǒng)像差，并且使系統(tǒng)在寬光譜范圍內(nèi)的色差得以校正。
【專利說明】
一種1 .3~5um寬波段紅外成像鏡頭
技術領域
[0001] 本實用新型屬于紅外成像技術領域，具體涉及一種1.3~5um寬波段紅外成像鏡 頭，適用在對海上溢油監(jiān)測、有害氣體監(jiān)測、各種目標紅外輻射特性研究等領域。
【背景技術】
[0002] 近年來，紅外光譜儀成為了科學研究和分析檢測的研究重點方向?，F(xiàn)場級多波段 紅外成像光譜儀是新一代的檢測和分析設備，具有"圖譜合一"的特性，結合了傳統(tǒng)光譜儀 和光電成像技術的特點，可同時提供圖像二維空間信息和高分辨率的光譜信息，實現(xiàn)對目 標場景的探測和深度分析。
[0003] 它擁有全面的成像分析能力、較高的光譜分辨率和良好的平臺通用型，在海洋環(huán) 境監(jiān)測、空氣污染檢測、國防研究、公共安全等領域均有著廣泛的應用價值。
[0004] 前置紅外光學系統(tǒng)是現(xiàn)場級多波段紅外成像光譜儀的重要組成部分，其主要作用 為通過寬波段高分辨率紅外鏡頭把外界的景物目標投射到干涉儀上。
[0005] 寬波段光學系統(tǒng)具有系統(tǒng)像差和色差難以校正等設計難點。目前，僅有加拿大ABB Bomem公司和加拿大Telops公司有報道出光譜范圍在1.3~5um的成像鏡頭，國內(nèi)尚未報道 過此種1.3~5um寬波段(短波、中波)的寬波段紅外成像鏡頭。 【實用新型內(nèi)容】
[0006] 本實用新型的目的在于根據(jù)現(xiàn)有技術的不足，設計一種1.3~5nm寬波段紅外成像 鏡頭，能夠和320 X 256寬波段制冷型面陣紅外探測器匹配使用，系統(tǒng)畸變小，能夠滿足高成 像質(zhì)量的需求。
[0007] 本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案是:一種1.3~5um寬波段紅外成像 鏡頭，包括呈90°相向設置的第一反射鏡和第二反射鏡;所述第一反射鏡入射光的光軸上依 次設置有主物鏡、第一前透鏡、第二前透鏡和調(diào)焦鏡，第一反射鏡和第二反射鏡之間反射光 的光軸上依次設置有第一后透鏡和第二后透鏡，所述第二反射鏡出射光的光軸上設置有第 三后透鏡;所述的主物鏡為凸面朝向物方的正光焦度平凸透鏡，所述的第一前透鏡為負光 焦度的雙凹透鏡，所述的第二前透鏡和第三后透鏡為正光焦度的雙凸透鏡，所述的調(diào)焦鏡 和第一后透鏡為凸面朝向第一反射鏡的正光焦度彎月形透鏡，所述的第二后透鏡為凸面朝 向第二反射鏡的負光焦度彎月形透鏡。
[0008] 所述的一種1.3~5um寬波段紅外成像鏡頭，其第二前透鏡的前表面為基于非球面 基底的衍射面。
[0009] 所述的一種1.3~5um寬波段紅外成像鏡頭，其調(diào)焦鏡的前表面為非球面。
[0010]所述的一種1.3~5um寬波段紅外成像鏡頭，其第一后透鏡的后表面為非球面。
[0011] 所述的一種1.3~5um寬波段紅外成像鏡頭，其透鏡材料為單晶硅或硒化鋅。
[0012] 所述的一種1.3~5um寬波段紅外成像鏡頭，其主物鏡、第一前透鏡、調(diào)焦鏡、第二 后透鏡和第三后透鏡為單晶娃透鏡。
[0013] 所述的一種1.3~5um寬波段紅外成像鏡頭，其第二前透鏡和第一后透鏡為硒化鋅 透鏡。
[0014] 本實用新型的有益效果是:采用衍射元件的物理特性，僅使用了常見的紅外材料 (單晶硅和硒化鋅），通過優(yōu)化各表面的面型參數(shù)和適當?shù)牟捎梅乔蛎婧脱苌涿?，便實現(xiàn)了 系統(tǒng)在1.3~5um寬波段(短波、中波)范圍內(nèi)的高質(zhì)量成像，大大減小了系統(tǒng)像差，并且使系 統(tǒng)在寬光譜范圍內(nèi)的色差得以校正;加工滿足普通金剛石車床車削的技術要求，降低了生 產(chǎn)成本。
【附圖說明】

[0015]圖1是本實用新型的結構不意圖；
[0016] 圖2是本實用新型的光學示意圖；
[0017] 圖3是本實用新型的場曲與畸變曲線圖；
[0018] 圖4是本實用新型在16mm/lp時傳遞函數(shù)曲線圖，橫坐標為每毫米的線對數(shù)，縱坐 標為對比度數(shù)值；
[0019] 圖5是本實用新型的系統(tǒng)彌散斑圖。
[0020] 各附圖標記為：1 一主物鏡，2-第一前透鏡，3-第二前透鏡，4 一調(diào)焦鏡，5-第一 反射鏡，6-第一后透鏡，7-第二后透鏡，8-第二反射鏡，9 一第三后透鏡。
【具體實施方式】
[0021 ]下面結合附圖對本實用新型作進一步詳細說明。
[0022] 為了給現(xiàn)場級多波段紅外成像光譜儀提供一個前置寬波段成像光學系統(tǒng)，參照圖 1、圖2所示，本實用新型公開了一種1.3~5um寬波段紅外成像鏡頭，作為基本的實施例，系 統(tǒng)焦距為85mm，F(xiàn)數(shù)(系統(tǒng)焦距與通光孔徑的比值)為2,其包括呈90°相向設置的第一反射鏡 5和第二反射鏡8,入射光到達第一反射鏡5后被反射到第二反射鏡8后再次反射形成與入射 光平行且方向相反的出射光;所述第一反射鏡5入射光的光軸上依次設置有主物鏡1、第一 前透鏡2、第二前透鏡3和調(diào)焦鏡4,第一反射鏡5和第二反射鏡8之間反射光的光軸上依次設 置有第一后透鏡6和第二后透鏡7,所述第二反射鏡8出射光的光軸上設置有第三后透鏡9; 所述的主物鏡1為凸面朝向物方的正光焦度平凸透鏡，所述的第一前透鏡2為負光焦度的雙 凹透鏡，所述的第二前透鏡3和第三后透鏡9為正光焦度的雙凸透鏡，所述的調(diào)焦鏡4和第一 后透鏡6為凸面朝向第一反射鏡5的正光焦度彎月形透鏡，所述的第二后透鏡7為凸面朝向 第二反射鏡8的負光焦度彎月形透鏡。
[0023] 作為進一步的實施例，所述的第二前透鏡3的前表面為基于非球面基底的衍射面； 所述的調(diào)焦鏡4的前表面為非球面;所述的第一后透鏡6的后表面為非球面。
[0024] 作為更進一步的實施例，所述的主物鏡1、第一前透鏡2、調(diào)焦鏡4、第二后透鏡7和 第三后透鏡9為單晶娃透鏡;所述的第二前透鏡3和第一后透鏡6為硒化鋅透鏡。
[0025]下列出了本實用新型中1.3~5um寬波段紅外成像鏡頭的具體實施例。
[0026]
[0027]在上表中，曲率半徑是指每個表面的曲率半徑，間距是指相鄰兩表面之間的距離， 舉例來說，表面S1的間距，即表面S1至表面S2間的距離。玻璃材料是該透鏡的制作加工所用 的材料。其中第二前透鏡3的前表面S5為基于非球面基底的硒化鋅衍射面，調(diào)焦鏡4的前表 面S7為單晶硅基底上的高次非球面，第后透鏡6的后表面S11為硒化鋅基底上的高次非球 面。
[0028]具體而言，所述的主物鏡1的前表面的曲率半徑為76.56mm，主物鏡1的前、后表面 之間的間距為9mm;所述的第一前透鏡2的前表面的曲率半徑分別為-962.4mm，第一前透鏡2 的前表面與主物鏡1的后表面的間距為2mm，第一前透鏡2的后表面的曲率半徑為82.4_，第 一前透鏡2的前、后表面之間的間距為5mm;所述的第二前透鏡3的前表面的曲率半徑為 324.4_，第二前透鏡3的前表面與第一前透鏡2的后表面的間距為7.5_，第二前透鏡3的后 表面的曲率半徑為-108.5mm，第二前透鏡3的前、后表面之間的間距為7mm;所述的調(diào)焦鏡4 的前表面的曲率半徑為-38.99mm，調(diào)焦鏡4的前表面與第二前透鏡3的后表面的間距為 135mm，調(diào)焦鏡4的后表面的曲率半徑為-40 ? 5mm，調(diào)焦鏡4的前、后表面之間的間距為6mm;戶斤 述的第一反射鏡5的前表面與調(diào)焦鏡4的后表面的間距為20mm，第一反射鏡5的前、后表面之 間的間距為7mm;所述的第一后透鏡6的前表面的曲率半徑為75.16mm，第一后透鏡6的后表 面的曲率半徑為46.95mm，第一后透鏡6的前表面與第一反射鏡5的前表面的間距為50mm，第 一后透鏡6的前、后表面之間的間距為5mm;所述的第二后透鏡7的前表面的曲率半徑為-33.98 mm，第二后透鏡7的后表面的曲率半徑為-27.54mm，第二后透鏡7的前表面與第一后 透鏡6的后表面的間距為8mm，第二后透鏡7的前、后表面之間的間距為5mm;所述的第二反射 鏡8的前表面與第二后透鏡7的后表面的間距為22mm，第二反射鏡8的前、后表面之間的間距 為7mm;所述的第三后透鏡9的前表面的曲率半徑為81.2mm，第三后透鏡9的后表面的曲率半 徑為-473.55mm，第三后透鏡9的前表面與第二反射鏡8的前表面的間距為22mm，第三后透鏡 9的前、后表面之間的間距為4mm，所述的第三后透鏡9的后表面與系統(tǒng)像面之間的間距為 9mm 〇
[0029] 下表列出了第二前透鏡3的前表面S5、調(diào)焦鏡4的前表面S7、第一后透鏡6的后表面 S11的非球面系數(shù)。
[0030]
[0031] 非球面以面頂點為基準的光軸方向的位變定義如下：
[0032]
$中，各參數(shù)含義為： Z-光軸方向的位變，H-光軸的高，c一透鏡曲率，K一二次曲面系數(shù)，A、B、C一非球面系數(shù)。
[0033] 下表列出了第二前透鏡3前表面S5的衍射面系數(shù)。
[0034]
[0035] 所采用的衍射面的相位方程如下：
[0036] 其中，各參數(shù)含義-衍射面相位函數(shù)，浞一構造中心波長'一垂直光軸 方向的徑向坐標，e,、q； -衍射系數(shù)。
[0037]本實用新型紅外鏡頭的工作波段為1.3~5um，F(xiàn)數(shù)為2;系統(tǒng)光闌位于制冷探測器 的冷光闌上，滿足系統(tǒng)100%冷光闌效率。
[0038] 本實用新型采用二次成像型設計，減小了各組透鏡口徑，其中一次成像面位于第 一反射鏡5和第一后透鏡6之間，二次成像面位于系統(tǒng)像面。
[0039] 本實用新型通過非球面和衍射面消除球差和高次像差，提高系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，保 持系統(tǒng)在161p/mm具有較好的成像質(zhì)量，各透鏡組的光焦度分配合理，殘余像差較小，成像 質(zhì)量好，系統(tǒng)畸變小，可以配合320X256中波制冷紅外探測器使用，以用于寬波段光譜分析 成像。透鏡材料均選用常見紅外玻璃設計，利用非球面和衍射面校正了系統(tǒng)像差和色差，而 高次非球面和衍射面設置在利于加工的玻璃材料上，可以通過數(shù)控機床進行銑磨、拋光，獲 得較好的零件表面，采用了一個硅非球面、一個硒化鋅非球面、一個基于非球面基底的硒化 鋅衍射面，有利于提高系統(tǒng)像質(zhì)，結合目前成熟的智能拋光數(shù)控機床有較好的加工工藝性， 適合批量生產(chǎn)。
[0040] 圖3至圖5為本實用新型的光學仿真數(shù)據(jù)圖。從圖3至圖5可以看出本實用新型的光 學傳遞函數(shù)、場曲、畸變以及點彌散斑均方根直徑都在標準范圍內(nèi)。由此可見，本實用新型 具有較好的成像質(zhì)量。
[0041] 上述實施例僅例示性說明本實用新型的原理及其功效，以及部分運用的實施例， 對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型創(chuàng)造構思的前提下，還可以做出若 干變形和改進，這些都屬于本實用新型的保護范圍。
【主權項】
1 ?一種1 ? 3~5um寬波段紅外成像鏡頭，其特征在于:包括第一反射鏡(5)和第二反射鏡 (8)，所述第一反射鏡(5)入射光的光軸上依次設置有主物鏡（1)、第一前透鏡(2)、第二前透 鏡(3)和調(diào)焦鏡(4)，第一反射鏡(5)和第二反射鏡(S)之間反射光的光軸上依次設置有第一 后透鏡(6)和第二后透鏡(7)，所述第二反射鏡(8)出射光的光軸上設置有第三后透鏡(9); 所述的主物鏡(1)為凸面朝向物方的正光焦度平凸透鏡，所述的第一前透鏡(2)為負光焦度 的雙凹透鏡，所述的第二前透鏡(3)和第三后透鏡(9)為正光焦度的雙凸透鏡，所述的調(diào)焦 鏡(4)和第一后透鏡(6)為凸面朝向第一反射鏡(5)的正光焦度彎月形透鏡，所述的第二后 透鏡(7 )為凸面朝向第二反射鏡(8 )的負光焦度彎月形透鏡。2. 根據(jù)權利要求1所述的一種1 ? 3~5um寬波段紅外成像鏡頭，其特征在于，所述的第一 反射鏡(5)和第二反射鏡(8)呈90°相向設置。3. 根據(jù)權利要求1所述的一種1.3~5um寬波段紅外成像鏡頭，其特征在于，所述的第二 前透鏡(3)的前表面為基于非球面基底的衍射面。4. 根據(jù)權利要求1所述的一種1.3~5um寬波段紅外成像鏡頭，其特征在于，所述的調(diào)焦 鏡(4)的前表面為非球面。5. 根據(jù)權利要求1所述的一種1.3~5um寬波段紅外成像鏡頭，其特征在于，所述的第一 后透鏡(6)的后表面為非球面。6. 根據(jù)權利要求1至5任意一項所述的一種1 ? 3~5um寬波段紅外成像鏡頭，其特征在 于，所述的透鏡材料為單晶硅或硒化鋅。 ^ 7 ?根據(jù)權利要求6所述的一種1 ? 3~5um寬波段紅外成像鏡頭，其特征在于，所述的主物 鏡(1)、第一前透鏡(2)、調(diào)焦鏡(4)、第二后透鏡(7)和第三后透鏡(9)為單晶硅透鏡。、一 8.根據(jù)權利要求6所述的一種1.3~5um寬波段紅外成像鏡頭，其特征在于，所述的第一 前透鏡(3)和第一后透鏡(6)為砸化鋅透鏡。
【文檔編號】G02B13/00GK205720847SQ201620646442
【公開日】2016年11月23日
【申請日】2016年6月27日
【發(fā)明人】郭良賢, 馬力, 左騰, 陳馳, 耿安兵, 熊濤, 李勇
【申請人】湖北久之洋紅外系統(tǒng)股份有限公司