一种高通光量紧凑型长波红外定焦镜头的制作方法

本发明涉及红外光学系统，特别涉及一种高通光量紧凑型长波红外定焦镜头，可广泛应用于军民夜视瞄具领域。

背景技术：

近年来，红外热成像技术得到了飞速发展，尤其是非制冷探测技术慢慢成熟，非制冷长波红外热像仪被广泛应用在军事、车载、测温、电力巡线、边界安防等领域，尤其在军事领域有着广泛应用。

与制冷红外热像仪相比，非制冷红外热像仪对温差的响应敏感度要低一些。为了提高非制冷红外热像仪对温差的灵敏度，可以将红外光学系统的相对孔径适当取大。

现有非制冷红外镜头的相对孔径主要是1：1或1：0.9，在阴雨或雾霾天气，此类镜头的成像效果不佳。

技术实现要素：

为了解决在恶劣天气下非制冷红外镜头成像效果不佳问题，本发明提供了一种大相对孔径紧凑型长波红外定焦镜头。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高通光量紧凑型长波红外定焦镜头，沿光轴方向从物方到像方依次设置有均为正透镜的第一透镜、第二透镜、第三透镜和探测器，所述的第一透镜为凸面朝向物侧的正弯月形透镜，具有聚焦光线作用，所述的第二透镜为凸面朝向像方的正弯月形透镜，所述的第三透镜为凸面朝向物侧的正弯月形透镜，第二透镜和第三透镜的间距小于第一透镜和第二透镜的间距，所述的第一透镜和第二透镜各有一面为非球面，所述的探测器由锗保护窗口和成像面组成，还包括孔径光阑，所述的孔径光阑设置在第一透镜的凹面，其中定焦镜头满足下列公式：

fno为光学系统的f数；f1为第一透镜焦距；f23为第二透镜、第三透镜的组合焦距；n1为第一透镜的材料折射率；r1为第一透镜凸面的半径，f为镜头的总焦距。

所述的一种高通光量紧凑型长波红外定焦镜头，其第一透镜的焦距f1与镜头总焦距f存在以下关系：

。

所述的一种高通光量紧凑型长波红外定焦镜头，其第二透镜的焦距f2与镜头总焦距f存在以下关系：

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所述的一种高通光量紧凑型长波红外定焦镜头，其第三透镜的焦距f3与镜头总焦距f存在以下关系：

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所述的一种高通光量紧凑型长波红外定焦镜头，其第一透镜和第二透镜的凹面为非球面，且满足如下公式：

其中，z(y)为非球面沿光轴方向在高度为y的位置时，距非球面顶点的距离矢高；r为镜片的曲率半径；a4、a6、a8、a10分别为非球面四阶系数、六阶系数、八阶系数和十阶系数。

所述的一种高通光量紧凑型长波红外定焦镜头，其第一透镜、第二透镜和第三透镜均不含衍射面。

所述的一种高通光量紧凑型长波红外定焦镜头，其特征在于，所述第一透镜、第二透镜和第三透镜均采用锗材料。

所述的一种高通光量紧凑型长波红外定焦镜头，其f数为0.7。

所述的一种高通光量紧凑型长波红外定焦镜头，其第三透镜和探测器之间设置有挡板。

本发明的有益效果是：

三片透镜组合很好地平衡了球差、色差、像散、畸变等像差，成像在红外探测器的焦平面，系统像质良好，镜头成像清晰；本发明镜头具备结构简单、体积小、重量轻，光学透过率高，通光量大等优点，此外，系统公差不敏感，便于大批量生产。

本发明与现有技术相比，具有以下特点：

1，镜头光学系统为三分离式+++结构形式，不同于常见的+-+柯克型结构形式，结构简单、重量轻、尺寸小，便于装调；系统镜片数量少，有利于提高镜头光学透过率。

2，镜头光学系统具备大相对孔径，f数为0.7，保证镜头的大通光量，从而提高系统对温差的敏感度；此外光学系统中包含两个非球面，很好地校正了系统的各种像差，即使在阴雨或雾霾天气，镜头也能清晰成像，与常规镜头相比，本发明在满足规定视场下，具备更远的目标探测距离。

3，镜头光学系统采用整组调焦方式，通过调焦使镜头在高低温环境下清晰成像。

4，在光学系统最后一面与探测器靶面之间设置挡板机构，挡板切入光路时，起校正红外图像作用。

附图说明

图1为本发明光学系统光路结构示意图；

图2为本发明光学系统传递函数图。

各附图标记为：

1—第一透镜，2—第二透镜，3—第三透镜，4—探测器，41—锗保护窗口，42—成像面，5—孔径光阑。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参照图1、图2所示，本发明公开了一种高通光量紧凑型长波红外定焦镜头，结构形式为三分离式结构，沿光轴方向从物方到像方依次设置有三组正透镜，依次为第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3和探测器4，所述的第一透镜1为凸面朝向物侧的正弯月形透镜，具有聚焦光线作用，所述的第二透镜2为凸面朝向像方的正弯月形透镜，所述的第三透镜3为凸面朝向物侧的正弯月形透镜，第二透镜2和第三透镜3相隔很近，所述的第一透镜1和第二透镜2各有一面为非球面，平衡减小系统像差，所述的探测器4由锗保护窗口41和成像面42组成，还包括孔径光阑5，所述的孔径光阑5设置在第一透镜1的凹面，其中定焦镜头满足下列公式：，

第一透镜1的焦距f1与镜头总焦距f存在以下关系：，

第二透镜2的焦距f2与镜头总焦距f存在以下关系：，

第三透镜3的焦距f3与镜头总焦距f存在以下关系：，

fno为光学系统的f数；f1为第一透镜1焦距；f23为第二透镜2、第三透镜3的组合焦距；n1为第一透镜1的材料折射率；r1为第一透镜1凸面的半径，f为镜头的总焦距。

进一步，第一透镜1、第二透镜2和第三透镜3均不含衍射面，第一透镜1、第二透镜2和第三透镜3均采用锗材料，镜头的f数为0.7。

入射光从第一透镜1入射，通过孔径光阑5再传播经过第二透镜2和第三透镜3，最后会聚在成像面42上。

本发明实现的性能指标有：

1.焦距：f’=30mm；

2.f数：f=0.7；

3.视场角：2ω=15.5°；

4.工作波段：8～12μm；

5.分辨率:与像元大小17μm，像素384×288的非制冷探测器匹配；

6.工作温度：-40℃～+55℃；

7.光学透过率≥80%；

8.全视场最大畸变＜2%。

再进一步，所述的第三透镜3和探测器4之间设置有挡板，由于在光学系统最后一面与探测器靶面之间设置挡板机构，挡板切入光路时，可起到校正红外图像的作用。

该光学系统具体的设计参数如下表一：

表一光学系统具体的设计参数表

表一中，面2、面4为非球面。

具体非球面数据见表二。

第一透镜1和第二透镜2的凹面为非球面，且非球面满足如下公式：

，

其中，z(y)为非球面沿光轴方向在高度为y的位置时，距非球面顶点的距离矢高；r为镜片的曲率半径；a4、a6、a8、a10分别为非球面四阶系数、六阶系数、八阶系数和十阶系数；

表二非球面数据

通过实际量产加工装调验证，本镜头具备结构简单、体积小、重量轻，光学透过率高，通光量大等优点。此外，系统公差不敏感，便于大批量生产。

最后应当说明的是：本发明并不仅限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员应当理解，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下进行修改或者等同替换。