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；本實用新型成像質量較高，大大減小了系統像差，并且使系統在寬光譜范圍內的色差得以校正。
【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測、有害氣體監測、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。現場級多波段 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 境監測、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] 前置紅外光學系統是現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] 寬波段光學系統具有系統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。 【實用新型內容】
[0006] 本實用新型的目的在于根據現有技術的不足，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，系統畸變小，能夠滿足高成 像質量的需求。
[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），通過優化各表面的面型參數和適當的采用非球面和衍射面，便實現了 系統在1.3~5um寬波段(短波、中波)范圍內的高質量成像，大大減小了系統像差，并且使系 統在寬光譜范圍內的色差得以校正;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時傳遞函數曲線圖，橫坐標為每毫米的線對數，縱坐 標為對比度數值；
[0019] 圖5是本實用新型的系統彌散斑圖。
[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，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 統焦距為85mm，F數(系統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;所述的調焦鏡4 的前表面的曲率半徑為-38.99mm，調焦鏡4的前表面與第二前透鏡3的后表面的間距為 135mm，調焦鏡4的后表面的曲率半徑為-40 ? 5mm，調焦鏡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。
[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，A、B、C一非球面系數。
[0033] 下表列出了第二前透鏡3前表面S5的衍射面系數。
[0034]
[0035] 所采用的衍射面的相位方程如下：
[0036] 其中，各參數含義-衍射面相位函數，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。
[0037]本實用新型紅外鏡頭的工作波段為1.3~5um，F數為2;系統光闌位于制冷探測器 的冷光闌上，滿足系統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，提高系統的傳遞函數，保 持系統在161p/mm具有較好的成像質量，各透鏡組的光焦度分配合理，殘余像差較小，成像 質量好，系統畸變小，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，有利于提高系統像質，結合目前成熟的智能拋光數控機床有較好的加工工藝性， 適合批量生產。
[0040] 圖3至圖5為本實用新型的光學仿真數據圖。從圖3至圖5可以看出本實用新型的光 學傳遞函數、場曲、畸變以及點彌散斑均方根直徑都在標準范圍內。由此可見，本實用新型 具有較好的成像質量。
[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，所述的調焦 鏡(4)的前表面為非球面。5. 根據權利要求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股份有限公司