一种长后工作距光学无热化长波红外镜头的制作方法

[0001]
本实用新型涉及红外光谱成像技术领域，尤其涉及一种长后工作距光学无热化长波红外镜头。


背景技术：

[0002]
红外光谱成像检测技术是近年来迅速发展的新型检测技术，具有显著的远距离探测能力，可检测的光谱范围大，可检测的气体种类多，系统不需要背景反射，无需辐射源，结构相对简单，多光谱成像技术就是把入射的全波段或宽波段的光信号分成若干个窄波段的光束，获得不同光谱波段的图像。目前用于成像光谱仪的分光技术主要有色散型、干涉型、二元器件和滤波型。
[0003]
滤波型成像光谱仪常见的实现方式有很多，例如：多镜头型的多光谱照相机，它具有多个镜头，每个镜头各有一个滤光片，分别让一种较窄的光谱通过，多个镜头同时拍摄同一景物，用一张胶片同时记录不同光谱的图像信息；多相机型的多光谱照相机，它是由几台照相机组合而成，各台相机的镜头上分别带上不同的滤光片，分别接收景物的不同光谱带上的信息，同时拍摄同一景物以获取一套特定光谱带的图像信息；光束分离型的多光谱相机，它采用一个镜头拍摄景物，用多个三棱镜分光器将来自景物的光线分离为若干波段的光束，用多套图像系统分别将各波段的光信息记录下来等。
[0004]
在对滤波型多光谱成像技术进行研究的过程中，需要确保前端光学镜头与后端的探测器严格同轴，因此需要在光学镜头与探测器之间布置辅助固定的机械器件，同时为了方便研究不同滤光片对成像结果的影响，会在镜头与探测器之间设置滤光片切换装置，传统的光学镜头由于成像面到最后一片透镜之间的后工作距离较短，如公开号为cn109521542a的实用新型专利申请公开的红外光学镜头的后工作距离仅有4mm，而且本领域的现有技术大都倾向于降低光学镜头的后工作距离以实现摄像设备的小型化，导致现有的光学镜头没有空间布设更多的机械器件，限制了滤波型多光谱成像技术的研究和发展。
[0005]
另外，由于光学镜头的折射率对温度变化非常敏感，而且镜筒材料也存在热胀冷缩，因此温度变化对成像质量的影响非常大，目前一般通过被动式无热化设计来消除温度效应的影响。无热化设计是利用光学材料热特性间的差异，通过不同特性材料之间的合理组合消除温度的影响。相比于其他消除温度效应的方式具有机构相对简单、尺寸小、重量轻、不需供电、系统可靠性好的优点。由于红外光线能量弱，红外镜头的相对孔径大，更长的后工作距离使得无热化设计难度增加，这也是现有技术普遍选择短后工作距离的重要原因之一，目前市场上绝大部分的红外镜头后工作距离都小于20mm。


技术实现要素：

[0006]
本实用新型所要解决的技术问题在于针对现有光学镜头后工作距离较短的情况，提供一种具有长后工作距离的无热化长波红外镜头，以克服现有镜头对滤波型多光谱成像技术的限制。
[0007]
本实用新型是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种长后工作距光学无热化长波红外镜头，包括沿光线入射方向依次设置的第一正光焦镜片、负光焦镜片、第二正光焦镜片、滤光片和用于接收画面的探测器，所述第一正光焦镜片和第二正光焦镜片均以硫系玻璃成型，负光焦镜片以硒化锌玻璃成型；所述负光焦镜片与第二正光焦镜片之间设置有光阑隔圈，所述第一正光焦镜片与负光焦镜片之间的空气间隔是10mm，所述负光焦镜片和光阑隔圈中的光阑的空气间隔是2mm，所述光阑与第二正光焦镜片之间的空气间隔为2mm，所述探测器的像元尺寸为17μm，探测器前1mm处设有1mm厚的保护窗，第二正光焦镜片与探测器之间的空气间隔为40.53mm，所述滤光片处于第二正光焦镜片与探测器之间的任意位置；
[0008]
以光线入射方向分别对各镜片表面顺序编号为s1～s6，其中s2面为偶次非球面，s5面为二元衍射面；其余面均为标准面。
[0009]
本实用新型通过负光焦镜片与第二正光焦镜片的配合将成像面后移，从而增大后工作距离，通过加入非球面，能够很好的消除像差，又可以减少透镜数量，使结构更加轻简，降低成本，减少红外光线经过透镜的能量损失；通过加入衍射面，能够降低大光焦度对热折射率的影响，结合合适的镜头材料，即可实现长后工作距的无热化设计，通过在负光焦镜片和第二正光焦镜片之间加入光阑隔圈，能够通过光阑作用改变入瞳位置，减小入瞳尺寸，实现镜片的小型化设计。
[0010]
优选的，所述光阑隔圈为环形隔圈，所述光阑隔圈的内部的环形面设置有一圈起到光阑作用的凸起部。
[0011]
优选的，所述探测器为非制冷探测器，分辨率为640*512。
[0012]
优选的，所述保护窗的材质为锗玻璃。
[0013]
优选的，还包括镜筒，沿光线入射方向，所述镜筒内依次固定有前压圈、第一正光焦镜片、负光焦镜片、光阑隔圈、第二正光焦镜片和后压圈；前压圈与第一正光焦镜片之间设置有第一密封圈。
[0014]
优选的，所述镜筒内部沿入射方向依次包括第一配合面、第二配合面、限位台阶、第三配合面和第四配合面，所述第一配合面的直径大于第二配合面，第二配合面的直径小于第三配合面，第四配合面的直径大于第三配合面；所述限位台阶相对于第二配合面和第三配合面向内侧突出；所述第一正光焦镜片与第二配合面配合，前压圈与第一配合面配合并紧压第一正光焦镜片的s1面，所述第一密封圈被限制在前压圈、s1面和第一配合面围合的区间内；所述第一正光焦镜片的s2面与限位台阶朝向第二配合面一侧的台阶面抵接；负光焦镜片的 s3面与限位台阶朝向第三配合面的台阶面抵接，所述负光焦镜片、光阑隔圈、第二正光焦镜片设置于第三配合面上，所述后压圈与第四配合面固定配合并与第二正光焦镜片的s6面抵接配合。
[0015]
优选的，所述镜筒朝向滤光片的一端为镜筒后端，后端外表面能够与多光谱相机连接，后端的外表面上还设置有第二密封圈。
[0016]
本实用新型提供的长后工作距光学无热化长波红外镜头的优点在于：通过负光焦镜片与第二正光焦镜片的配合将成像面后移，从而增大后工作距离，通过加入非球面，能够很好的消除像差，又可以减少透镜数量，使结构更加轻简，降低成本，减少红外光线经过透镜的能量损失；通过加入衍射面，能够降低大光焦度对热折射率的影响，结合合适的镜头材
料，即可实现长后工作距的无热化设计，通过在负光焦镜片和第二正光焦镜片之间加入光阑隔圈，能够通过光阑作用改变入瞳位置，减小入瞳尺寸，实现镜片的小型化设计。
附图说明
[0017]
图1为本实用新型的实施例提供的红外镜头的示意图；
[0018]
图2本实用新型的实施例提供的红外镜头的在20℃下的mtf曲线；
[0019]
图3本实用新型的实施例提供的红外镜头的在-60℃下的mtf曲线；
[0020]
图4本实用新型的实施例提供的红外镜头的在80℃下的mtf曲线；
具体实施方式
[0021]
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型作进一步的详细说明。
[0022]
如图1所示，本实施例提供了一种长后工作距光学无热化长波红外镜头，光学镜头的热效应包括玻璃与镜筒等机械件的热胀冷缩和玻璃的热折射率效应两个部分，机械件的尺寸变化非常固定，随温度的升高而膨胀，随温度降低而缩小。但玻璃的折射率变化却和玻璃本身的热折射率系数(热光系数)dn/dt以及光焦度数值φ有关，而热折射率系数与光焦度数值均有正负值。因此光学系统的无热化就是利用玻璃热折射率效应补偿玻璃与机械件的热胀冷缩。
[0023]
光学镜头销热差的公式为
[0024][0025]
其中，h1为第一近轴光线在透镜组i的高度，φ
i
为透镜组i的光焦度，φ为光学系统的总光焦度，χ
i
为玻璃的光热膨胀系数，a
h
为机械件的线膨胀系数，l为机械件的长度。
[0026]
根据消热差公式可得出以下结论：(1)光焦度越大，透镜的热效应变化越大，因此要尽量选择光焦度小的镜片；(2)机械件设计要尽量短，选择线膨胀系数较小的材料制作。
[0027]
根据几何光学中的对焦距的定义，焦距是焦点到像方主点的距离，而后工作距离的定义是光学系统中最后一面的顶点到焦距的距离。随着后工作距离的不断增大，像方主面的位置不断向最后一片透镜的位置靠近，当后工作距离大于焦距时，更出现像方主面比光学系统后表面更靠近焦面的情况，这就行成了常见的反远距型光组。随着像方主面的后移，根据几何光学的图解法得知，最后一片透镜的光线入射高度会随之增大，透镜尺寸随之增大，光焦度也会随着增大，带来的影响是产生大的球差难以校正，且根据前面分析得知，光焦度越大，热效应变化越大。
[0028]
除此之外，增大后工作距会使光学系统中的外部机械件长度增加，即等式右半部分数值变化增大，等式左半部分需要补偿的数值也随之增大，为光学材料的选择以及光焦度的分配工作带来难度。
[0029]
基于以上结论，增大后工作距会对无热化设计带来很大的难度。
[0030]
基于以上分析，本实施例提供的长后工作距光学无热化长波红外镜头如图1所示，包括沿光线入射方向依次设置的第一正光焦镜片2、负光焦镜片3、第二正光焦镜片5、滤光
片7 和用于接收画面的探测器9，所述第一正光焦镜片2、第二正光焦镜片5均以硫系玻璃成型，负光焦镜片3以硒化锌玻璃成型；所述负光焦镜片3与第二正光焦镜片5之间设置有光阑隔圈4，所述第一正光焦镜片2与负光焦镜片3之间的空气间隔是10mm，所述负光焦镜片3和光阑隔圈4中的光阑的空气间隔是2mm，所述光阑与第二正光焦镜5片之间的空气间隔为 2mm，第二正光焦镜片5与探测器9之间加入用于分光的滤光片7，由于滤光片7无光焦度不参与校正像差，所以滤光片7的位置与厚度可以根据具体需求随意选择。探测器9前1mm 处设有1mm厚的保护窗8；以光线入射方向分别对各镜片表面顺序编号为s1～s6，其中s2面为偶次非球面，s5面为二元衍射面；其余面均为标准面，具体如下：
[0031][0032]
本实施例通过负光焦镜片3与第二正光焦镜片5的配合将成像面后移，从而增大后工作距离，通过加入非球面，能够很好的消除像差，又可以减少透镜数量，使结构更加轻简，降低成本，减少红外光线经过透镜的能量损失；通过加入二元衍射面，能够降低大光焦度对热折射率的影响，结合合适的镜头材料，即可实现长后工作距的无热化设计，通过在负光焦镜片3和第二正光焦镜片5之间加入光阑隔圈4，能够通过光阑作用改变入瞳位置，减小入瞳尺寸，实现镜片的小型化设计。硫系玻璃是指以周期表via族s、se、te为主并引入一定量的其他类金属元素所形成的玻璃。在1-14μm波段具有良好的透过性能，在长波段的折射率色散特性与硒化锌相当，且具有良好的温度特性，远小于锗，是一种消色差和热差的良好红外材料。
[0033]
具体设计过程如下：
[0034]
在使用过程中为了保护第一正光焦透镜2的前端以及第二正光焦镜片5的后端，也为了方便镀膜，第一正光焦透镜2的前端以及第二正光焦镜片5的后端应设置成凸面形状；
[0035]
根据几何光学中的对焦距的定义，焦距是焦点到像方主点的距离，而后工作距离的定义是光学系统中最后一面的顶点到焦距的距离。随着后工作距离的不断增大，像方主面的位置不断向最后一片透镜的位置靠近，当后工作距离大于焦距时，更出现像方主面比光学系统后表面更靠近焦面的情况，这就行成了常见的反远距型光组。随着像方主面的后移，根据几何光学的图解法得知，最后一片透镜的光线入射高度会随之增大，透镜尺寸随之增大。而尺寸过大，会导致仪器变重，成本变高，像差变大，热效应也会变大。
[0036]
基于以上分析，本实施例通过改变光阑的位置来减小最后一片透镜的尺寸，将光
阑放置于负光焦镜片3和第二正光焦镜片5之间，改变入瞳位置。同时应当减小入瞳的尺寸，理论上入瞳越小，尺寸上可以实现更小，但考虑红外光线能量弱，需要严格保证相对孔径d(入瞳尺寸)/f(系统焦距)数值小于2。并在光焦度最大的第二光焦镜片5的前表面设置衍射面，降低大光焦度带来的热效应。
[0037]
具体的，本实施例中的光阑隔圈4为环形隔圈，环形面的内部向内侧突出设置有一圈凸起部11，所述凸起部起到光阑的作用。
[0038]
一个光学系统由多个透镜组成，这些透镜被称为光组。每个光组都可以看做一个理想的光学系统，具有焦距、焦点和主点。而各光组之间距离以及尺寸参数也存在一些关系限制，一条计算光线在相邻两光组之间的关系为：
[0039]
h
i
＝h
i-1-d
i-1
tanu
′
i-1
[0040]
式中i是光组的序号，u
′
i
是出射光线与光轴的夹角，称为孔径角，h
i
是入射光线在第i 个主面上的入射高度，d
i
是两个光组的相互位置。
[0041]
对于本例的三个光组的组合系统，任取h1,令tanu1＝0,即平行光入射，u
i
是入射光线与光轴的夹角。则有：
[0042][0043]
h2＝h
1-d1tanu
′1[0044][0045]
h3＝h
2-d2tanu
′2[0046][0047]
f
′
i
是各个光组的焦距，同时也体现着光焦度大小，因为在空气中光焦度光焦度的变化是光学系统参数变化的主要影响因素。
[0048]
本实例的后工作距离为40.53mm，但并非仅限于40.53mm，通过三片透镜的组合以及非球面和衍射面的运用，对于大焦距的光学系统可以轻易的优化出大于40mm的后工作距离，当后工作距与焦距之比时，由于系统球差过大仅靠三片透镜无法同时校正像差与热差，从而影响成像。
[0049]
衍射面消热差的原理如下：
[0050]
光学元件的温度特性用光热膨胀系数χ来表征，它定义为单位温度变化引起的光焦度的相对变化；
[0051][0052]
衍射元件：
[0053]
折射元件：
[0054]
tg是光学元件的线膨胀系数，n0是环境介质折射率，n为光学元件的折射率。
[0055]
从公式可以看出衍射元件的温度特性只由材料的膨胀系数决定与材料的折射率特性无关，折射元件的温度特性不仅取决于材料的膨胀系数，还要由材料的折射率温度系数来决定的。而折射率变化对热效应的影响效果是最大的，所以衍射元件相对于折射元件而言，具有更好的热稳定性，可以用于消除大光焦度透镜带来的热效应变化。所以本实施例中在s5面加入衍射面来降低大光焦度对热折射率的影响。
[0056]
无热化设计的公式为：
[0057]
光焦度分配：
[0058]
消热差方程：
[0059]
消色差方程：
[0060]
其中，为色散系数。nλ1，nλ2，nλ0分别指透镜材料对应工作波段两边缘波长以及中心波长的折射率。
[0061]
非球面方程：z是非球面的矢高，其中r2＝x2+y2，x 和y是非球面上点的位置坐标，c为顶点曲率，r为顶点曲率半径，k为二次曲线系数，k＝-e2，e为欧拉数；
[0062]
二元光学面相位延迟函数：其中m为衍射面的衍射级次，n为衍射面的最大项数。a
i
是衍射面系数，p
2i
衍射系数级次。
[0063]
根据上述的非球面方程，以及二元衍射面方程，在zemax软件中设定相应的参数为变量，通过程序的优化仿真，根据程序自带的阻尼最小二次拟合算法，优化出相应的具体参数。
[0064]
基于以上分析，本实施例提供的光学镜头的参数如下：
[0065]
工作波段：8μm-14μm；
[0066]
焦距：f
′
＝50mm；
[0067]
探测器：长波红外非制冷型640
×
512，像元尺寸17μm；
[0068]
截止频率：29lp/mm
[0069]
视场角：12.4
°×
9.9
°
；
[0070]
相对孔径d/f
′
：1/1.4；
[0071]
后工作距：40.53mm
[0072]
rms半径：0.707视场<8.5mm，1视场<10mm。
[0073]
本实施例提供的具体光学镜头的尺寸为：所述第一正光焦镜片与负光焦镜片之间的空气间隔是10mm，所述负光焦镜片和光阑隔圈中的光阑的空气间隔是2mm，所述光阑与第二正光焦镜片之间的空气间隔为2mm，第二正光焦镜片与滤光片之间的空气间隔为18mm，滤光片厚度为3mm，所述探测器的像元尺寸为17μm，探测器前1mm处设有1mm厚的保护窗，所述保护窗与滤光片之间的空气间隔为17.53mm。
[0074]
所述探测器9为非制冷探测器，分辨率为640*512；所述保护窗8的材质为锗玻璃。
[0075]
再参考图1，还包括用于固定镜片的镜筒13，沿光线入射方向，所述镜筒13内依次固定有前压圈1、第一正光焦镜片2、负光焦镜片3、光阑隔圈4、第二正光焦镜片5和后压圈6；前压圈1与第一正光焦镜片2之间设置有第一密封圈10。所述镜筒13内部沿入射方向依次包括第一配合面131、第二配合面132、限位台阶133、第三配合面134和第四配合面135，所述第一配合面131的直径大于第二配合面132，第二配合面132的直径小于第三配合面134，第四配合面135的直径大于第三配合面134；所述限位台阶133相对于第二配合面132和第三配合面133向内侧突出；所述第一正光焦镜片2与第二配合面132配合，前压圈1与第一配合面131配合并紧压第一正光焦镜片2的s1面，所述第一密封圈10被限制在前压圈1、 s1面和第一配合面131围合的区间内；所述第一正光焦镜片2的s2面与限位台阶133朝向第二配合面132一侧的台阶面抵接；负光焦镜片3的s3面与限位台阶朝向第三配合面134的台阶面抵接，所述负光焦镜片3、光阑隔圈4、第二正光焦镜片5设置于第三配合面134上，所述后压圈6与第四配合面135固定配合并与第二正光焦镜片5的s6面抵接配合。
[0076]
所述镜筒13朝向滤光片的一端为镜筒后端，后端外表面能够与多光谱相机连接，所述后端的外侧设置有沿轴向开口的容置槽(图未示)，所述容置槽内设置有第二密封圈12；从而在于多光谱相机连接时保持密封。
[0077]
图2-图4分别展示了本实施例提供的镜头在20℃、-60℃、80℃下的mtf(modulationtransfer function，调制传递函数)曲线，从中可以发现，在-60℃～80℃这一大范围内，不同视场下的mtf曲线均接近衍射极限，很好的校正了像差与热差，实现光多谱相机在各种温度下工作的需求。并且长工作距离为中间添加各种机械装置预留了空间。