刘畅;向阳;刘波;郑惠元
【摘 要】设计了一大视场短筒长的红外反远距物镜.针对红外物镜的特点,对反远距物镜进行高斯光学分析,出进一步小型化的途径;根据探测器参数,提出了光学系统的参数,焦距10mm,F/#为1.2,视场60°.实例方案中,光学结构采用4片硅片,2个二次曲面;光学系统长度小于57 mm,外径小于24 mm,利用内调焦及充足的调焦范围,使光学系统在-40℃-60℃的工作温度范围内全视场调制传递函数曲线在截止频率处大于0.45;设计系统体积小,视场大,成本低,便于机械安装,环境使用范围广.%An infrared inverted telephoto objective is designed. Based on the characteristics of infrared objective, a miniaturization design is analyzed based on Gauss optics. The parameters of the optical system are given. Its focal length is 10mm, F/# is 1. 2 and field of view is 60°. The system consists of 4 pieces of silicon lens and 2 second order aspheric surface, and its MTF is more than 45％ at the cutoff frequency. The length of the optical system is shorter than 57 mm, and its diameter is less than 24 mm. The system is compact in size, cost effective and easy to be assembled,and it provides good performance from —40℃ to 60℃. 【期刊名称】《应用光学》
【年(卷),期】2011(032)003
【总页数】4页(P426-429)
【关键词】感应式垃圾桶反远距物镜;小型化设计;中波红外;光学设计
【作 者】刘畅;向阳;刘波;郑惠元
桥壳
【作者单位】长春理工大学,光电工程学院,吉林,长春,130022;长春理工大学,光电工程学院,吉林,长春,130022;长春理工大学,光电工程学院,吉林,长春,130022;长春理工大学,化学与环境工程学院,吉林,长春,130022
【正文语种】降压散中 文
【中图分类】TN222
引言
电动刻字笔
非制冷红外探测器由于其体积小、无需主动照明、使用方便,所以广泛用于军警和高端民用探测设备上,比如热像监控、隐蔽侦查、电力检测等。这种成像技术可以在全黑、雾、烟雾和大多数目视看不见物体的条件下提供清晰的热源图像。适合这类应用的红外光学镜头,必须有以下几个特点:1)体积小,结构简单;2)适合批量加工生产,加工及装配公差要求适中,保障较高的成品率;3)适合各种室外环境和工作温度;4)用于监控的光学系统,对于远处的目标要求有大视场,对于近处目标要求看的清。根据这种需求,在具体设计这类光学系统时可以采取反远距结构形式进行小型化,尽可能地减小筒长;采用短焦大视场,使镜头有较好的观察视野,且各视场的照度一致性好;适当增加后截距,以保障机械安装及调焦空间,利用内调焦使光学系统在不同温度环境下产生的焦移对像面进行补偿。
反远距结构已经较多应用在可见光镜头中,现有的很多文献和专利都对其进行了介绍和分析,但是反远距用于红外光谱上的例子并不多。本文在对反远距结构进行高斯光学分析后,确定光学系统参数并对前、后组分别选型。然后出将红外反远距光学系统进一步小型化的途径。在系统的优化设计中,加入二次曲面校正轴外的高级像差,使光学系成像质量得到提高,达到指标要求,最后对光学系统公差分析,保证设计的合理性,符合批量加工的工艺水平。
1 设计思想及系统参数
pvb边角料
反远距光学系统是完全非对称结构。负组可以减小轴外光线对正组的视场角,从而实现广角的目的。另外,无穷远处物体经过负组所成的像为正组的物,并且对于正组来说,这是个有限远、近处的物,正组的任务是对这一物成像在指定的工作像面处,从而实现长工作距,因此正组的本质是投影物镜。设计中我们可以对正、负组分别选型。
小型化不仅是指光学系统的纵向尺寸减小,也包括横向尺寸缩小,即光学系统的口径,以及镜片的数量和质量。为此我们将孔径光栏放在后组上,若放在前组,孔径光栏和入瞳很近,失去了对轴外光线偏折的作用,并且造成后组的横向尺寸变大,所以一般把孔径光栏放在后组上。 结合图1,推导相关光学系统的性能参数,先选取一条平行光轴的中心视场边缘光线以及轴外通过后组中心的主光线,可以看出反远距的像方主平面 H′已经被后组移出,焦距要比后截距小。令总光焦度φ=1/f′=1,设 -φ1、φ2为前后组的光焦度为前后组的焦距 ,d为前组与孔径光栏的间隔,令 h1=1,u2=1,up1=-1,由此我们可以推出几个重要的性能参数[4-5]:
系统的后截距为
tt27.tv后组投影物镜的放大倍率为
后组光焦度为
前组主光线角放大率为
光学系统的视场角为
式中ω2为后组投影物镜视场角。
系统焦距为
这里需要指出,焦距的确定不同于一般物镜的 f′=tanω′/y′,其中 y′为近轴像高。因为反远距物镜的大视场和非对称结构使系统存在较大的负畸变,所以为使像面能占据整个探测面,我们选取以上焦距推导过程[1,3]。
由此可看出,为增大后截距及视场角,关键是这个量,增大 d值,势必造成小型化与大视场、长后截距之间的矛盾。为解决这一矛盾,可采取减小 d值的同时也减小-f1,或者减小前组与后组第一片透镜的距离,将孔径光栏的位置向后移,这样筒长变短,但是孔径光栏和前组的间隔 d相对不变,所以不改变系统的性能参数。
2 设计实例
在设计实例中,给出一非制冷中波红外光学系统。虽然目前非制冷中波红外探测器不常见,但是随着技术的发展,中波探测器必将在第三代红外焦平面探测器中占领重要一席[6],另外,对红外热像仪整机系统来说,在光学衍射限制和同一分辨角的情况下,中波红外的光学口径要比长波红外的小一半。这对降低红外热成像系统的体积与质量具有优势,符合当前及今后热像仪小尺寸、轻量的发展趋势。
2.1 技术指标及结构选型
根据探测器的规格和高斯光学理论计算得到光学系统的参数,探测器的参数:
工作波段 3μm～5μm
靶面尺寸 7.5 mm×6.0 mm(320×256像素)
像元尺寸 23.5μm
由(1)～(3)式,后组选取焦距 f′1=12 mm的三片式投影物镜,视场角 2ω2=44°,放大倍率为β2=-
1/4,后截距 l′=13.6 mm。要求光学系统的视场角2ω=60°,由(4)式确定前组角放大倍率为γ1=0.73,根据探测器的像面尺寸,试取 d值得出-f1=-40 mm。由(5)式和(6)式可知系统焦距 f′=10 mm。
结构上正组采用三片式,负组可以选取弯月形负组单透镜,轴外主光线的入射角 ip在弯月形负组上较小,不会导致很大的高级像差,另外弯月形单透镜两面的半径同时趋于光栏弯曲,也同样有减小高级像差的作用,而剩余的大量初级像差可以与正组一起校正。
2.2 设计结果及像质评价
设计结构如图2所示。为了满足小型化的指标,可通过减小前后组之间的距离,将孔径光栏放在硅片3上,并适当增加2、3间的间隔,用正光焦度较小的硅片2来减小负光焦度硅片1对光束口径的发散,但是不改变对主光线的偏折作用,这样非常有效地减少了3、4的横向尺寸,达到小型化的目的,同时1与孔径光栏的距离加大,让孔径光栏处在第一片硅片的曲率中心位置,对校正像差有利。在优化校正像差的过程中,我们分别在1、2上各引入一个远离孔径光栏的二次曲面,用以校正轴外的高级像差,如垂轴差、慧差、像散[2]。
如图3,此光学系统调制MTF在探测器截止频率处(22 lp/mm)中心视场65%以上,0.7视场60%,边缘视场45%以上。一个像素(半径23.5 μm)内集中了85%以上的能量。全视场的相对照度达到92%,在-40℃到60℃的环境温度下通过内调焦可以主动消热差,如图4所示光学系统在不同温度下的MTF曲线。
2.3 公差
经调制MTF灵敏度分析,面型公差均给4个圈,厚度公差为±0.05 mm,偏心为0.05 mm,透镜同轴度0.05 mm,透镜倾斜0.02°,二次系数0.01,折射率0.002。红外镜头的加工标准属于中精度加工,有良好的成品率,Monte Carlo分析的结果表明此系统90%样品的传递函数在0.44以上,50%样品在0.53以上,20%样品在0.56以上。证明此光学系统没有非常严的公差要求,设计合理,适合批量加工和装配。
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议