[发明专利]紧凑型消色差且被动的仅光学消热差摄远透镜

说明书

技术领域

本公开涉及用于通过窄视场进行红外线成像的大孔径消色差且消热差的透镜布置。设计良好的窄场透镜保证甚至遥远的场景的清晰且高对比度的图像。这种类型的透镜的最关键的参数是体积和重量、波长漂移以及热漂移。

背景技术

具有17μm或甚至12μm的像素间距的新检测器开发需要空间分辨率稳定地渐增的透镜组件。可通过基于孔径的光圈数低于f/1.5的相对大孔径透镜布置来规避衍射的分辨率极限。根据平方律，较大孔径具有使相机的热分辨率增大的额外优点。然而，也可在不会过于不利的情况下设想下至f/2.0的较小孔径。

呈两个会聚群组的传统布置(“佩兹伐”透镜)导致长于有效焦距(EFL)的总长度(OL)并且导致短后焦距(BFL)。第一事实限制了便携性或移动性。第二事实限定了对相机的机械配合。后者对于冷却检测器来说变得非常关键，通常需要在检测器平面附近用于杜瓦瓶和冷光阑的空间。

Masataka Naitoh等人的“硫属化物玻璃的辐射耐受性”(Proc.SPIE(2010),Vol.7660,7660028)中给出实例，其中描述了消热差红外线透镜组件。色像差和热散焦两者据称均得到补偿。所述设计使用由2个透镜组成的会聚前群组，一个透镜由硫属化物玻璃制成，另一个透镜由锗制成。此外，这后一透镜是衍射的。后群组是略微会聚的并且由3个锗透镜组成。对于102mm的总长度来说，报告的焦距为78mm。因此，这种布置并非特别紧凑型的，并且由于大量透镜而造价昂贵。并且没有详述其光学设计，也未指明透镜轮廓。

在给定光圈数和EFL下使体积减小的唯一方式是使OL最小化。为此，可将会聚前群组与发散后群组组合。这些布置(也被称为摄远镜头)经常具有光圈数高于f/1.7的三个或更多个透镜。

此外，先进的优化技术结合专家洞察力可仅使用两个透镜来提供解决方案：这种概念的关键是具有小热光常数(TOC或γ_T)的会聚前透镜和具有高TOC的发散图像侧透镜。用于前透镜的优选材料为硫属化物玻璃；用于图像侧透镜的合适材料为锗。

呈摄远镜头布置并且具有较低光圈数的此类现代双透镜设计通常通过光学和机械补偿机制的组合来实现被动消热差。现有技术是使用固持器内具有广泛不同热膨胀系数的材料(诸如放置在金属固持器内的塑料管或塑料环)而实现的被动机械消热差。差异膨胀通过使透镜的相对位置依据温度而移位来诱发几何形状的略微重新调整。然而，透镜固持器是机械复杂的并且因此是颇为易碎的。

未公布的国际申请案PCT/EP2012/076332教示了将机械和光学热校正组合的此类现代双透镜布置。所述详细设计提供高光学性能，与当前细间距检测器的使用兼容。在例示设计中的每一者中使用塑料热膨胀环。

发明内容

本公开的目的是仅通过光学手段来实现被动消热差，因此无需使透镜在透镜固持器中进行任何相对校正移动。因此，致使简单的、坚硬的整体透镜固持器成为可能。在这种情况下，后透镜的形状更像具有负光焦度的校正板并且因此被进一步称为发散校正透镜。

为此，已经开发出新颖光学设计，尤其是红外线消色差且消热差的摄远透镜布置，所述布置由TOC低于35×10^-6K^-1的单一会聚前透镜和TOC高于75×10^-6K^-1的单一发散校正透镜组成，其基于孔径的光圈数低于f/1.5，其特征在于：

0.91≤OL/EFL≤1.01；

0.32≤BFL/EFL≤0.50；

0.20≤VD/EFL≤0.48；

温度补偿是仅通过被动光学补偿而获得；以及，

所述校正透镜的光焦度从轴上第一值到最大图像高度第二值而变化，所述第二值对所述第一值的比率为1.05到1.40。

发散校正透镜的光焦度因此从轴上值到最大图像高度值增加了5％到40％。

应注意，EFL为透镜组件的有效焦距，OL为其总长度，BFL为其后焦距，并且VD为这两个透镜之间的顶点距离。在-40℃到+80℃的温度范围内实现消热差。在整个温度范围内实现对应于29cy/mm下的平均MTF的比0.300更好的轴上分辨率。

TOC意指透镜材料的热光常数，也被称为γ_T。低于f/1.5的基于孔径的光圈数意指较大孔径尺寸，诸如f/1.2。

优选实施例包含以上透镜布置，其特征在于前透镜材料为硫属化物玻璃。