一种适用0.4-5um的多色探测系统的超宽光谱高频制冷镜头的制作方法

1.本发明涉及一种适用0.4-5um的多色探测系统的超宽光谱高频制冷镜头，属于超宽光谱高频制冷镜头技术领域。


背景技术：

2.适用于多色探测器的多光谱高频制冷镜头，在多光谱成像、多光谱物质吸收检测，工业晶圆良品检测，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宽光谱，导致需要更宽的光谱镜头，有必要做更宽的光谱镜头设计。
3.cn112180578a公布了一种可见光-中波红外双波段共孔径光学系统，采用分光镜、反射镜等方式将入射光分为两路分别用不同的探测元件去接受，存在镜片数量多、体积庞大、中波波段视场小、整体加工装调不便等问题，且并不是从可见光直接无缝覆盖到中波，整体光路也不是共轭式的，会导致无法有效摄取从可见光到中波的光谱信息，对目标检测及分析无法做到多光谱解析辨认，特别是对室外环境的透雾能力存在缺陷。
4.cn111443463b公布了一种0.3um紫外到1.7um近红外镜头，需要用到6块透镜，且无法覆盖到短波和中波波段。


技术实现要素：

5.本发明提供一种适用于可见光、近红外、短波、中波多色探测器640*512红外机芯的大幅面宽光谱镜头，适用于多光谱成像、多光谱物质吸收检测，工业晶圆良品检测，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，本发明所采用的技术方案如下：
7.一种适用0.4-5um的多色探测系统的超宽光谱高频制冷镜头，包括从物方到像方依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜；其中，第一透镜为正屈光率的凸凹透镜；第二透镜为负屈光率的凹凸透镜；第三透镜为正屈光率的凸凸透镜；第四透镜为正屈光率的凹凹透镜；第五透镜为正屈光率的凸凹透镜；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；第二物侧面、第四物侧面、第四像侧面和第五物侧面均为非球面；第二像侧面为衍射面；第一物侧面、第一像侧面、第三物侧面、第三像侧面、第五像侧面均为球面透镜。
8.上述镜头为适用于可见光、近红外、短波、中波多色探测器640*512-15um机芯的高频制冷型镜头。本技术给出了一种适用于从可见光到红外多色探测器镜头的解决方案，填补了国内在覆盖可见光、近红外、短波、中波波段成像物镜的空白。
9.上述镜头采用衍射面进行色差优化。
10.为保证图像的共轭以及后道的装调难度，本技术采用一次成像，适用于多光谱成
像、多光谱物质吸收检测，工业晶圆良品检测，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。
11.上述适用0.4-5um的多色探测系统的超宽光谱高频制冷镜头，系统组合焦距f’为 50mm，系统f数等于4，对角线成像面12.3mm，对角线视场角达14
°
。
12.上述第一透镜至第五透镜均采用晶体材质制成。优选，为保证整体的透过率，降低镜片数量，所有镜片采用折射率较高的晶体材质；进一步优选，第一透镜所用材质为蓝宝石，具有较高的抗摩擦、硬度及化学稳定性，能有效保护内部光学镜组；第二透镜所用材质为多光谱硫化锌，在0.4um到5um折射率高达2.53-2.46，并可以使用非球面和衍射面，有助于校正光学系统的像差；第三透镜所用材质为氟化钡晶体，氟化物晶体在0.4-5um具有较高的透过率并耐高强辐射，且材质比其他氟化物稍软，成型易加工；第四透镜所用材质为氟化钙晶体，氟化物晶体在0.4-5um具有较高的透过率，在不镀膜的情况下透过率都能达到90％并使用了非球面，校正像质；第五透镜所用材质二维硫化锌，综合像差作用。
13.为了进一步确保成像效果，第一物侧面的曲率半径为27.583
±
0.005mm，第一像侧面的曲率半径为22.548
±
0.005mm；第二物侧面的曲率半径为22.548
±
0.005mm，第二像侧面的曲率半径为-150.229
±
0.005mm；第三物侧面的曲率半径为15.974
±
0.005mm，第三像侧面的曲率半径为-59.393
±
0.005mm；第四物侧面的曲率半径为-43.434
±
0.005mm，第四像侧面的曲率半径为-115.313
±
0.005mm；第五物侧面的曲率半径为14.976
±
0.005mm，第五像侧面的曲率半径为12.671
±
0.005mm。
14.为了进一步确保成像质量，第一透镜和第二透镜之间的中心间隔为6.832
±
0.005mm，第二透镜和第三透镜之间的中心间隔为0.500
±
0.005mm，第三透镜和第四透镜之间的中心间隔为0.523
±
0.005mm，第四透镜和第五透镜之间的中心间隔为0.500
±
0.005mm。
15.为了进一步确保成像稳定性和成像质量，第一透镜的中心厚度4.000
±
0.05mm，第二透镜的中心厚度4.950
±
0.05mm，第三透镜的中心厚度4.950
±
0.05mm，第四透镜的中心厚度2.500
±
0.05mm，第五透镜的中心厚度2.500
±
0.05mm。
16.为了兼顾成像质量和镜头体积，第一透镜的外径为26.6～30.0mm，第二透镜的外径为 15.0～26.6mm，第三透镜的外径为28.5
±
0.1mm，第四透镜的外径为26.6～30.0mm，第五透镜的外径为26.6～30mm。
17.上述镜头实现了100％冷光阑效率。
18.本发明未提及的技术均参照现有技术。
19.本发明适用0.4-5um的多色探测系统的超宽光谱高频制冷镜头，具有如下有益效果：
20.1.适用于可见光、近红外、短波、中波多色探测器，对角线视场角可达14
°
，适用于多光谱成像、多光谱物质吸收检测，工业晶圆良品检测，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；
21.2.成像幅面大，可用于640机芯，像元可达15um；
22.3.系统f数为4，整体光学镜片的口径小，能最大程度上节约成本；
23.4.第二像侧面采用衍射面，能有效校正宽波段产生的色差和像差；
24.5.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
25.图1是本发明所述多色探测系统的超宽光谱高频制冷镜头的光路示意图；
26.图2是具体实施例在0.4-5um的33lp/mm光学传递函数曲线图；
27.图3是具体实施例在0.4-5um的光斑点列图；
28.图4是具体实施例在0.4-5um的离焦mtf图；
29.图5是具体实施例在0.4-5um的场曲及畸变图；
30.图6是具体实施例在0.4-5um的相对照度图；
31.图7是具体实施例在0.4-5um的光线光扇图；
32.图8是具体实施例在0.4-5um的60lp/mm光学传递函数曲线图；
具体实施方式
33.为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
34.如图1所示的一种适用0.4-5um的多色探测系统的超宽光谱高频制冷镜头，包括沿光轴从物方到像方依次排列的：具有正光焦度的第一透镜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、具有正光焦度的第五透镜l5、以及保护窗l6、系统冷光阑s13和成像面s14。
35.从物方到像方，第一透镜l1的两面依次为第一物侧面s1和第一像侧面s2，第二透镜l2的两面依次为第二物侧面s3和第二像侧面s4，第三透镜l3的两面依次为第三物侧面s5和第三像侧面s6，第四透镜l4的两面依次为第四物侧面s7和第四像侧面s8，第五透镜l5的两面依次为第五物侧面s9和第五像侧面s10，保护窗l6两面为第六物侧面s11和第六像侧面s12；第二物侧面s3、第四物侧面s7、第四像侧面s8和第五物侧面 s9均为非球面；第二像侧面s4为衍射面；第一物侧面s1、第一像侧面s2、第三物侧面 s5、第三像侧面s6、第五像侧面s10均为球面透镜；
36.第一透镜l1采用蓝宝石材质，具有较高的抗摩擦、硬度及化学稳定性，能有效保护内部光学镜组；
37.第二透镜l2采用多光谱硫化锌，在0.4um到5um折射率高达2.53-2.46，并可以使用非球面和衍射面，有助于校正光学系统的像差；
38.第三透镜l3使用氟化钡晶体，氟化物晶体在0.4-5um具有较高的透过率并耐高强辐射，且材质比其他氟化物稍软，成型易加工；
39.第四透镜l4采用氟化钙晶体，氟化物晶体在0.4-5um具有较高的透过率，在不镀膜的情况下透过率都能达到90％并使用了非球面，校正像质；
40.第五透镜l5采用多光谱硫化锌材质，综合像差作用。
41.表1本发明实施例的光学系统技术参数
42.焦距50mm波段0.4-5um
f#4.0视场(h)10.9
°
*(v)8.8
°
*(d)8.8
°
畸变≤|0.6％|探测器规格640*512-15um冷光阑大小5.1mm
43.表2本发明实施例的具体参数
[0044][0045]
表2中采用的非球面方程：
[0046][0047]
其中各量的含义如下：
[0048]
za：非球面沿光轴方向的透镜矢高；
[0049]
r：表面与光轴交点处的曲率半径；
[0050]
y：透镜垂直于光轴方向的半口径；
[0051]
k：圆锥系数；
[0052]
a、b、c、d、e面系数；具体系数见表3。
[0053]
表3
[0054]
[0055][0056]
表2所采用的衍射面方程为：
[0057]
φ＝a1y2 a2y4 a3y6[0058]
其中：
[0059]
φ：为衍射面的位相；
[0060]
y：透镜垂直于光轴方向的半口径；
[0061]
a1、a2、a3衍射面位相系数；
[0062]
表2具体实施例中使用衍射面系数见表4。
[0063]
表4
[0064][0065]
图2至图7为实施例在温度 20
°
光学传递函数曲线图、光斑图、离焦mtf图、场曲和畸变图、相对照度图、光线光扇图，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2可知，该系统的光学传递函数接近衍射极限水平，而且边缘mtf数值在0.44以上，图像的解析能力和反差效果会非常出色；由图3可知系统的弥散斑在衍射弥散斑之内，系统对细微物体的识别能力更强；由图4可知系统的离焦范围是-0.02mm到 0.05mm，离焦范围大，能更简易的进行探测器对焦；由图5可知场曲在
±
0.08mm和畸变0.6％，能最大限度减小系统中间和边缘的像质误差；由图6可知，系统的相对照度在0.85以上，能够极大的缩减图像中心和边缘的灰度误差，减少系统锅盖效应的发生；由图7可知在由图可知该多色红外光学系统已将各种像差补正，且具有非常高的鉴别率；由图8可知，该镜头在60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。