一种适用于短中波双色制冷探测系统的广角镜头的制作方法

1.本实用新型涉及一种适用于短中波双色制冷探测系统的广角镜头，属于短中波双色探测系统的广角镜头技术领域。


背景技术：

2.所谓的广角镜头就是焦距较短、视角较大的镜头，具有更广阔的视野，被广泛应用于需要大范围取像的场合。
3.现有技术中，针对短中波双色探测系统的广角镜头的报道较少，尚无适用于双色探测器的短中波视场角能达到120度以上的特殊制冷镜头，如cn104297898b公布了一种大视场双波谐衍射光学系统，但是所述焦距为22.6mm，f2.0,视场角为37.5
°
的非制冷镜头，并未涉及到双色广角技术；cn110161663b公布了一种五片式中长波广角镜头，但是并未涉及到短波段。
4.开发适用于双色探测器的短中波视场角能达到120度以上的特殊制冷镜头，在大范围气体能源泄漏检测、地质探测、安全监控、公安执法、森林防火等相关领域有重要的应用作用，在这些特殊场合中需要监测的范围大，导致需要更大的视场角镜头，有必要进行短中波双色探测系统的大广角镜头的开发。


技术实现要素：

5.本实用新型提供一种适用于短中波双色探测器640*512红外机芯的大幅面红外光学广角镜头，给出了一种大靶面短中波双色探测器广角镜头的解决方案，系统组合焦距f’为6.5mm，系统f数等于3.5，对角线视场角达到120
°
，适用于大范围气体能源泄漏检测、地质探测、安全监控、公安执法、森林防火等相关领域。
6.为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案如下：
7.一种适用于短中波双色制冷探测系统的广角镜头，包括从物侧到像面依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜以及第五透镜；
8.其中，第一透镜为负屈光率的凸凹透镜；
9.第二透镜为负屈光率的凸凹透镜；
10.第三透镜为正屈光率的凹凸透镜；
11.第四透镜为正屈光率的凸凹透镜；
12.第五透镜为正屈光率的凸凹透镜。
13.该光学系统具有屈光率的透镜只有上述的第一至第五透镜，所需镜片少；对角线视场角达到120
°
，适用于大范围气体能源泄漏检测、地质探测、安全监控、公安执法、森林防火等相关领域。
14.为保证双波段的色差和像差能达到较优，同时为保证整体成本的降低，第五透镜的物侧凸面(第五物侧面)为二元面，其余为球面透镜；二元面包含非球面和衍射面，二元面非球面方程为：
[0015][0016]
其中，za：非球面沿光轴方向的透镜矢高；r：表面与光轴交点处的曲率半径；y：透镜垂直于光轴方向的半口径；k：圆锥系数；a、b、c、d、e面系数；二元面衍射面方程为：f＝a1y2 a2y4 a3y6，其中：φ：为衍射面的位相；y：透镜垂直于光轴方向的半口径；a1、a2、a3衍射面位相系数。
[0017]
为保证整体的透过率，降低镜片数量，第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜以及第五透镜均采用晶体材质制成。
[0018]
进一步优选，第一透镜采用硫化锌材质，工艺上方便镀不同要求的膜层；第二透镜采用硅材质，折射率高达3.42，有助于校正光学系统的像差；第三透镜使用硫系玻璃，硫系玻璃折射率随温度变化系数dn/dt较小，在光学系统中采用硫系玻璃加上合理的光焦度分配，在材料成本上具有明显的优势，大批量生产时可以进行精密模压，可降低加工成本，市场前景广阔；第四透镜采用氟化镁材质，氟化镁材质自身不镀膜的情况下在中短波有很高的透过率，另外氟化镁的色散低，折射率相对其它晶体较低，在后工作距离较长的制冷型机芯上有很好的过渡作用；第五透镜l5采用硫化锌材质，综合像差作用。
[0019]
上述广角镜头焦距f’较短，为保证后工作距离bfl,本实用新型采用反摄远结构，镜头满足：bfl/f’》5.7；-6《f1’/f’《0；5《f2’/f’《6；其中，f1’是第一透镜、第二透镜和第三透镜的组合焦距；f2’为第四透镜和第五透镜的组合焦距；f’是镜头组合焦距。适用于大范围气体能源泄漏检测、地质探测、安全监控、公安执法、森林防火等相关领域。
[0020]
从物方到像方，第一透镜的两面依次为第一物侧面和第一像侧面；第二透镜的两面依次为第二物侧面和第二像侧面；第三透镜的两面依次为第三物侧面和第三像侧面；第四透镜的两面依次为第四物侧面和第四像侧面；第五透镜的两面依次为第五物侧面和第五像侧面；
[0021]
为了提高像质，第一物侧面的曲率半径为96.127
±
0.02mm，第一像侧面的曲率半径为21.346
±
0.02mm；第二物侧面的曲率半径为241.145
±
0.02mm，第二像侧面的曲率半径为101.593
±
0.02mm；第三物侧面的曲率半径为-211.479
±
0.02mm，第三像侧面的曲率半径为-95.427
±
0.02mm；第四物侧面的曲率半径为21.318
±
0.02mm，第四像侧面的曲率半径为22.315
±
0.02mm；第五物侧面的曲率半径为32.434
±
0.02mm，第五像侧面的曲率半径为134.069
±
0.02mm。
[0022]
为了进一步提高像质，第一透镜的中心的厚度为2
±
0.01mm；第二透镜的中心的厚度为4.45
±
0.01mm；第三透镜的中心的厚度为2.24
±
0.01mm；第四透镜的中心的厚度为8.05
±
0.01mm；第五透镜的中心的厚度为2
±
0.01mm；第一透镜与第二透镜之间的中心间隔为8.6
±
0.01mm；第二透镜与第三透镜之间的中心间隔为30.76
±
0.01mm；第三透镜与第四透镜之间的中心间隔为79.2
±
0.01mm；第四透镜与第五透镜之间的中心间隔为5.4
±
0.01mm。
[0023]
上述系统组合焦距f’为6.5mm,系统f数等于3.5，适用于波段1.5-5um。
[0024]
本实用新型未提及的技术均参照现有技术。
[0025]
本实用新型适用于短中波双色制冷探测系统的广角镜头，具有如下有益效果：
[0026]
1.适用于短中波双色探测器，对角线视场角可达120
°
，适用于大范围气体能源泄漏检测、地质探测、安全监控、公安执法、森林防火等相关领域，可靠性高。
[0027]
2.成像幅面大，可用于640机芯，像元可达15um。
[0028]
3.系统f数为3.5，整体光学镜片的口径小，能最大程度上节约成本。
[0029]
4.第三透镜采用硫系材质，在材料上具有明显优势，大量生产时能精密模压，能有效降低成本和提高光学元件的一致性。
[0030]
5.第五透镜采用二元面，能有效校正宽波段产生的色差和像差。
[0031]
6.第三透镜和第四透镜空气间隔余量充足，可加装反射镜来减小整体长度。
[0032]
7.采用直筒型一次成像系统构型，光学系统由五片面镜组成，所有元件布置在同一光轴上，具有工作波段宽、结构紧凑、适装性好、成像质量好、传递函数达到或接近衍射极限等特点。
附图说明
[0033]
图1是本实用新型适用于短中波双色制冷探测系统的广角镜头的管路图；
[0034]
图2是本实用新型适用于短中波双色制冷探测系统的广角镜头的光学传递函数曲线图(33线)；
[0035]
图3是本实用新型适用于短中波双色制冷探测系统的广角镜头的光斑点列图；
[0036]
图4是本实用新型适用于短中波双色制冷探测系统的广角镜头的离焦mtf图；
[0037]
图5是本实用新型适用于短中波双色探测系统的相对照度图；
[0038]
图6是本实用新型适用于短中波双色探测系统的场曲和畸变图；
[0039]
图7是本实用新型适用于短中波双色制冷探测系统的广角镜头的光学传递函数曲线图(50线)。
具体实施方式
[0040]
为了更好地理解本实用新型，下面结合实施例进一步阐明本实用新型的内容，但本实用新型的内容不仅仅局限于下面的实施例。
[0041]
如图1所示的一种适用于短中波双色制冷探测系统的广角镜头，沿光轴从物到像方依次排列：具有负光焦度的第一透镜l1、具有负光焦度的第二透镜l2、具有正光焦度的第三透镜l3、具有正光焦度的第四透镜l4、具有正光焦度的第四透镜l5，以及滤光片l6，保护窗l7，系统冷光阑s15成像面s16。
[0042]
从物方到像方，第一透镜l1的两面为第一物侧面s1、第一像侧面s2；第二透镜l2的两面为第二物侧面s3、第二像侧面s4；第三透镜l3的两面为第三物侧面s5、第三像侧面s6；第四透镜l4两面为第四物侧面s7、第四像侧面s8；第五透镜l5两面为第五物侧面s9、第五像侧面s10；滤光片l6两面为物侧面s11、像侧面s12；保护窗l7两面为物侧面s13、像侧面s14；
[0043]
第一透镜l1采用硫化锌材质；第二透镜l2采用硅材质，折射率高达3.42，有助于校正光学系统的像差；第三透镜l3使用硫系玻璃；第四透镜l4采用氟化镁材质，氟化镁材质自身不镀膜的情况下在中短波有很高的透过率，另外氟化镁的色散低，折射率相对其它晶体较低，在后工作距离较长的制冷型机芯上有很好的过渡作用；第五透镜l5采用硫化锌材质，综合像差作用；
[0044]
上述广角镜头的系统焦距f’较短，采用反摄远结构来保证后工作距离bfl，满足：
[0045]
bfl/f’》5.7；
[0046]-6《f1’/f’《0；
[0047]
5《f2’/f’《6；
[0048]
其中，f1’是第一、第二和第三透镜的组合焦距；f2’为第四、第五透镜的组合焦距；f’是镜头组合焦距；
[0049]
表1为上述广角镜头的具体参数
[0050][0051]
表1中二元面包含非球面和衍射面。
[0052]
表1中采用的二元面非球面方程为：
[0053][0054]
其中各量的含义如下：
[0055]
za：非球面沿光轴方向的透镜矢高；
[0056]
r：表面与光轴交点处的曲率半径；
[0057]
y：透镜垂直于光轴方向的半口径；
[0058]
k：圆锥系数；
[0059]
a、b、c、d、e面系数；具体系数见表2。
[0060]
表2
[0061][0062]
表1中的二元面衍射面系数见表3。
[0063]
表3
[0064][0065]
表1所采用的衍射面方程为：
[0066]
f＝a1y2 a2y4 a3y6[0067]
其中：
[0068]
φ：为衍射面的位相；
[0069]
y：透镜垂直于光轴方向的半口径；
[0070]
a1、a2、a3衍射面位相系数。
[0071]
图2至图4为上述广角镜头在温度 20℃光学传递函数曲线图，光斑图、离焦mtf图。代表光学系统综合解像水平及对图像的分辨率，配合640x512 15μm探测器要求达到33线对分辨率；由图可知该长波红外光学系统已将各种像差补正，足以满足光学被动消热差要求。图5和图6为该实施例的相对照度图、场曲畸变图。由图7可知，该镜头在50线对也是整体传涵也是接近衍射极限，代表该镜头在面对更高像数的成像机芯时，也有非常好的解析能力。