短波红外宽波段复消色差像方远心望远物镜的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种短波红外宽波段复消色差像方远心望远物镜。它为同轴透射式光学系统，工作波段为1.0～?2.5μm，包括八块球面透镜，沿光线入射方向，依次为三块正弯月透镜、一块负弯月透镜、一块双凹负透镜、一块正弯月透镜和两块双凸正透镜，光阑位于第四块与第五块透镜之间，前七块透镜均弯向光阑，第八块透镜使像方主光线平行于光轴垂直入射到像面上。本发明适用波段宽，结构紧凑、球差小、二级光谱小、色球差和色畸变远小于一个像元，像面照度均匀、像方远心、成像质量接近衍射极限，加工与制造成本低；能量利用率高、集光本领强、热适应性好、装调检测容易。它可应用于空间遥感、机器视觉、农林检测等军事和民用领域。
【专利说明】
短波红外宽波段复消色差像方远心望远物镜
技术领域
[0001] 本发明涉及一种短波红外宽波段复消色差像方远心望远物镜，可应用于夜视、侦 察与监视、空间遥感、机器视觉、农林监测等领域。
【背景技术】
[0002] 短波红外是指波段在lwii~2.5wii的红外波段，它可以提供可见光、微光夜视、中 波、长波红外所不能提供的信息，使得细节呈现更加突出。所有物体都普遍存在短波红外辐 射。在应用方面，短波红外望远物镜除了用于夜视、侦察与监视、空间遥感等军事领域外， 还可用于无损检测、工业多光谱成像分析、资源遥感、红外天文学、交通、医疗、公安等领域。 例如，资源遥感是指通过成像光谱仪来探测地球矿产资源，监测土壤、植被含水量及大气成 份变化，农作物估产及防灾减灾等，而短波红外前置望远物镜是整个成像光谱仪的眼睛，用 于搭载在各类平台上获取地面目标的光谱信息和空间信息。
[0003] 随着短波红外探测器的发展，对望远物镜的需求也越来越大。传统短波红外物镜 常为反射结构，优点是没有色差，缺点为同轴结构视场一般不会很大，且存在中心遮拦，离 轴结构增加了加工与装调难度，多采用非球面，成本较高;而透射式结构一般较易设计为同 轴，利于加工装调，具有总长短、体积小、结构紧凑的优点，存在的普遍问题为随着波段的增 大，经过像差校正后剩余色差也将变大，而普通光学玻璃材料大多不能在短波红外波段完 全透射，色散特性差，因此如何对宽波段透射式物镜进行复消色差是一个亟待解决的问题。 此外，为了提高可探测的目标范围与接收到的光通量，还需增大物镜的视场角与相对孔径， 以便一次性收集更多的目标信号能量和增大成像范围。为了像面照度均匀，物镜需要具备 像方远心结构。而现有的短波红外望远物镜存在上述所说的诸多不足，且成本较高，不适用 于目前的短波红外探测器。
【发明内容】
[0004] 本发明针对现有技术存在的不足，提供一种结构紧凑，成像质量高，稳定性好，利 于加工与装调，且工作于短波红外波段的宽波段复消色差像方远心系统。
[0005] 为达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种短波红外宽波段复消色差像方远 心望远物镜，它为透射式光学系统，其光学系统的结构为同轴结构，全部透镜均为球面面 型;沿光线入射方向，依次为第一片正弯月透镜、第二片正弯月透镜、第三片正弯月透镜、负 弯月透镜、孔径光阑、双凹负透镜、第四片正弯月透镜、第一片双凸正透镜和第二片双凸正 透镜;孔径光阑位于负弯月透镜与双凹负透镜之间；从第一片正弯月透镜至第一片双凸正 透镜中的各透镜，均弯向孔径光阑，第二片双凸正透镜会聚光线;像方主光线平行于光轴并 垂直入射到像面上;沿光线入射方向，所述各透镜的焦距依次对应为 /9，它们相对望远物镜焦距艰]归一化值分别对应为2.0彡/ ;彡3.0，9.5彡/彡彡11.0，4.0彡 f 3^5.0,-0.80^/ K-0.20,-2.0^/ e^-l.0,0.5^/ K2.0,1.0^/ 8^2.0,1.5^/ 9 ^3.0〇
[0006] 沿光线入射方向，各透镜的折射率依次对应为/31、Z32、Z33、/34、Z36、/37、/38和/39，对应的取 值范围分别为1.8彡彡2.6、1.3彡/32彡1.8、1.3彡/33彡1.8、1.8彡Z34彡2.6、1.3彡伽彡1.8、 1.3^5/37^; 1.1.3^5/38^; 1.8n1.3^s/39^;1.8〇
[0007] 望远物镜的各透镜安装于一个镜头筒内，镜头筒的长度小于32mm。望远物镜的最 大视场角为45° ;最大相对孔径为F/2.6;最大口径小于15mm，其二级光谱小于lOym。
[0008] 与现有技术相比，本发明的优势在于： 1、望远物镜工作波段为短波红外波段，工作波段宽，二级光谱小于10M1，球差、色球差 远小于一个像元，色畸变远小于十分之一个像元，成像质量接近衍射极限。
[0009] 2、仅选取石英、BaF2、ZnSe三种光学玻璃材料，解决了普通材料大多不能在短波红 外波段完全透射的矛盾;并通过光焦度的合理分配，克服了宽波段透射式物镜二级光谱难 以消除的问题。
[0010] 3、光阑位于后组透镜前焦面上，使望远物镜具有像方远心的特性，保证了像面照 度均匀，相对口径最大为1 / 2.6、视场角可达45°，提高了物镜的集光能力，增大了成像范 围，一次性收集到了更多的目标信息。
[0011] 4、全部采用球面面型，未使用非球面或其它面型，大大降低了加工与制造成本、检 测难度，装调容易，且总长小于32_，体积小，结构紧凑。
【附图说明】
[0012] 图1为本发明实施例提供的短波红外宽波段复消色差像方远心望远物镜的光路 图； 图2为本发明实施例提供的短波红外宽波段复消色差像方远心望远物镜的调制传递函 数曲线图； 图3为本发明实施例提供的短波红外宽波段复消色差像方远心望远物镜的点列图； 图4为本发明实施例提供的短波红外宽波段复消色差像方远心望远物镜的轴向像差曲 线图； 图5为本发明实施例提供的短波红外宽波段复消色差像方远心望远物镜的相对照度曲 线图； 图1中：1、望远物镜的第一片正弯月透镜，2、第二片正弯月透镜，3、第三片正弯月透镜， 4、第一片负弯月透镜，5、光阑，6、第二片负弯月透镜，7、第四片正弯月透镜，8、第一片双凸 透镜，9、第二片双凸透镜，10、像面。
【具体实施方式】
[0013]下面结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步的具体阐述。
[0014] 实施例1 本实施例本提供一种短波红外宽波段复消色差像方远心望远物镜，物镜工作于短波红 外波段1.〇_-2.511111，焦距为1〇111111，？/#为2.8，全视场为40°。
[0015] 参见附图1，它是本实施例所提供的光学镜头的光路图，它为透射式光学系统，其 光学系统的结构为同轴结构，共包括八块球面透镜，沿光线入射方向，依次为第一片正弯月 透镜1、第二片正弯月透镜2、第三片正弯月透镜3、负弯月透镜4、孔径光阑5、双凹负透镜6、 第四片正弯月透镜7、第一片双凸正透镜8和第二片双凸正透镜9;孔径光阑5位于负弯月透 镜4与双凹负透镜6之间；从第一片正弯月透镜1至第一片双凸正透镜8中的各透镜，均弯向 孔径光阑5,第二片双凸正透镜9会聚光线，使像方主光线平行于光轴入射到像面，即具有像 方远心的特征。沿光线入射方向，各透镜的焦距依次对应为/i、/2、Zb、A、A、/V、A、A，它们 相对望远物镜焦距艰]归一化值分别对应为2.0彡/丨彡3.0,9.5彡/彡彡11.0,4.0彡/^彡 5.0, -0.80^/ 1^-0.20,-2.0^/ e^-l.0,0.5^/ 7^2.0,1.0^/ 8^2.0,1.5^/ 9^ 3.0。 各透镜的折射率依次对应为m m /re和/K，对应的取值范围分别为1.8彡/n ^2.6^ 1.3^/32^ 1.8^ 1.3^/33^ 1.8^1.8^/34^2.6^1.3^/36^ 1.8^1.3^/37^ 1.8^1.3^/38 ^1.8^1.3^/29^1.80
[0016]结合三级像差理论，选用了透过率较高的三种光学玻璃材料，得到的物镜二级光 谱小，成像质量高。将光阑置于后组透镜前焦面上，使望远物镜具有像方远心的特性，即像 方光线垂直入射到像面上，可保证像面照度均匀。望远物镜最后一块透镜后表面与像面留 有足够的空间，用于放置探测器。透镜全部采用球面面型，降低了加工与制造成本、检测难 度，且易于装调。
[0017] 用于短波红外宽波段复消色差像方远心望远物镜各透镜，本实施例提供一个优选 的方案，具体数据及所采用的材料参见表1。
[0018] 表1:
[0019] 将望远物镜的各透镜安装于一个镜头筒内，镜头筒的长度小于32mm;望远物镜最大口 径小于15mm〇
[0020] 参见附图2,它是本实施例光学系统的调制传递函数(MTF)曲线，探测器像元大小 为24wn X 24wn，在奈奎斯特频率21 lp/mm处，系统的MTF大于0.85，成像质量接近衍射极限。
[0021] 参见附图3,它是本实施例光学系统的光线追迹像平面上的点列图，图中的圆代表 系统衍射艾里斑。各视场点列图能量均集中在艾里斑范围内，具有良好的成像质量。
[0022] 参见附图4,它是本实施例光学系统的轴向像差曲线图，球差小于1 um，色球差小 于0.8um，远小于1个像元，二级光谱小于1 Own，小于焦深。
[0023] 参见附图5,它是本实施例光学系统的相对照度曲线图，可见像面相对照度均匀， 边缘视场的相对照度值大于〇. 96。
[0024]本实施例提供的光学系统结构紧凑，体积小，总长短，根据三级像差与复消色差理 论，采用正、负光焦度分离的形式，仅选用3种光学玻璃材料，通过优化设计，得到的望远物 镜具有像方远心特性，成像质量接近衍射极限。
【主权项】
1. 一种短波红外宽波段复消色差像方远心望远物镜，其特征在于：它为透射式光学系 统，其光学系统的结构为同轴结构，全部透镜均为球面面型;沿光线入射方向，依次为第一 片正弯月透镜（1)、第二片正弯月透镜（2)、第三片正弯月透镜(3)、负弯月透镜(4)、孔径光 阑（5)、双凹负透镜(6)、第四片正弯月透镜(7)、第一片双凸正透镜(8)和第二片双凸正透镜 (9);孔径光阑（5)位于负弯月透镜(4)与双凹负透镜(6)之间；从第一片正弯月透镜（1)至第 一片双凸正透镜(8)中的各透镜，均弯向孔径光阑（5)，第二片双凸正透镜(9)会聚光线;像 方主光线平行于光轴并垂直入射到像面上;沿光线入射方向，所述各透镜的焦距依次对应 为Λ、/2、/3、/4、Λ、/V、/8、/9，它们相对望远物镜焦距/?勺归一化值分别对应为2.0< / K 3.0. 9.5^/ 2^11.0,4.0^/ 3^5.0,-0.80^/ 1^-0.20,-2.0^/ ?^-1.0,0.5^/ 2.0. 1.0^/ 8^2.0,1.5^/ 9^3.0〇2. 根据权利要求1所述的一种短波红外宽波段复消色差像方远心望远物镜，其特征在 于:沿光线入射方向，各透镜的折射率依次对应为m m /re和/B，对应的取值范 围分别为1.8彡/n彡2.6、1.3彡/32彡 1.8、1.3彡/B彡 1.8、1.8彡/μ彡2.6、1.3彡/K彡 1.8、1.3彡 m^：1.1.3^；/38^； 1.8ν1.3^Ξ/39^Ξ1.8〇3. 根据权利要求1所述的一种短波红外宽波段复消色差像方远心望远物镜，其特征在 于:望远物镜的各透镜安装于一个镜头筒内，镜头筒的长度小于3 2mm。4. 根据权利要求1所述的短波红外宽波段复消色差像方远心望远物镜，其特征在于:所 述望远物镜的最大视场角为45°。5. 根据权利要求1所述的短波红外宽波段复消色差像方远心望远物镜，其特征在于:所 述望远物镜的最大相对孔径为F/2.6。6. 根据权利要求1所述的短波红外宽波段复消色差像方远心望远物镜，其特征在于:所 述望远物镜最大口径小于15mm。7. 根据权利要求1所述的短波红外宽波段复消色差像方远心望远物镜，其特征在于:所 述望远物镜二级光谱小于ΙΟμπι。8. 根据权利要求1所述的短波红外宽波段复消色差像方远心望远物镜，其特征在于:所 述望远物镜工作在短波红外波段1.0~2.5μπι。
【文档编号】G02B13/02GK105911672SQ201610526847
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年7月6日
【发明人】毛静超, 沈为民, 刘青函
【申请人】苏州大学