CN103454752A - 用于红外相机的定焦镜头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于红外相机的定焦镜头，包括第一单负非球面镜片、第二单负球面镜片、第三单正球面镜片，所述第一单负非球面镜片采用十阶系数的非球面设计，所述第二单负球面镜片的材料为硫系红外玻璃。本发明的用于红外相机的定焦镜头不仅结构简单，制作方便，而且提高了成像效果，降低了制作成本。

Description

用于红外相机的定焦镜头

技术领域

本发明涉及一种用于红外相机的镜头，具体地说涉及一种结构简单，制作方便，提高成像效果，降低制作成本的用于红外相机的定焦镜头。 

背景技术

在医疗用、工业用时，经常使用的利用10000nm 左右的波长的远红外线用检测器、摄像机的灵敏度低。另外，使用于这些光学系统的锗的透过率低于通常的光学透镜。因而，这些测量器的光学系统要求尽可能减少对来自被摄体的红外线进行吸收、散射、反射的透镜等光学部件，高效率地将该红外线传递到检测器、摄像机。 

参考中国专利文献，专利号为201210506770.4，提出了以下红外线照相机用镜头，适用于波长域8000nm-14000nm的红外线，能够通过减少成像的慧差与球差来达到良好的光学性能，并且能够通过改变镜片之间的间隙来实现内部聚焦的目的。该红外相机用镜头具备以下条件：由凸面朝物体方向的凸凹正球面镜片L1，凹面朝物体方向的的凹凸负球面镜片L2，以及凸面朝物体方向的凸凹正球面镜片L3构成。满足以下条件： 

        0.5 ≤ f/f1 ≤ 0.7 ……(1)

        0.06 ≤ |m2/f1| ≤ 0.22 ……(2)

        0.01 ≤ |m3/f1| ≤ 0.045 ……(3)

其中，f为整体的焦距，f1为第一单正球面透镜的焦距，m2为物距从无限远至1m 为止的第二单负球面透镜的移动量，m3 为物距从无限远至1m 为止的第三单正球面透镜的移动量。这种红外线照相机用镜头，全部使用锗作为镜片材料，提高了镜头的制作成本，增加了镜片的制作难度。另外通过移动透镜L2或透镜L3的方式进行内部的聚焦需要进行复杂的结构设计，成像的质量容易受到透镜L2或透镜L3的运动位置影响。镜头内部透镜全部采用球面透镜，也不利于镜头结构的小型化和简单化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单，制作方便，能提高成像效果，降低制作成本的用于红外相机的定焦镜头。 

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案： 

    一种用于红外相机的定焦镜头，包括第一单负非球面镜片、第二单负球面镜片、第三单正球面镜片，所述第一单负非球面镜片采用十阶系数的非球面设计，所述第二单负球面镜片的材料为硫系红外玻璃。

进一步，所述第一单负非球面镜片为弯月形的负透镜，开口方向朝物面。 

进一步，所述第二单负球面镜片为弯月形的负透镜，开口方向朝像面。 

进一步，所述第三单正球面镜片为弯月形的正透镜，开口方向朝像面。 

进一步，用于红外相机的定焦镜头，满足以下条件式： 

    F/NO = 1.09     f=18.988 mm，

其中F/NO 为镜头的光圈数，f为镜头的有效焦距。

进一步，用于红外相机的定焦镜头，满足以下条件式： 

    f/f1= -0.032     f1= -600.87 mm，

    f/f2= -0.153     f2=-123.85 mm，

    f/f3=1.138       f3=16.69 mm，

其中f为镜头的有效焦距，f1为第一单负非球面透镜的焦距，f2为第二单负球面透镜的焦距，f3为第三单正球面透镜的焦距。

 进一步，所述第一单负非球面镜片、第三单正球面镜片采用的材料为锗。 

与现有技术相比，本发明的用于红外相机的定焦镜头，所述第一单负非球面镜片采用十阶系数的非球面设计，所述第二单负球面镜片的材料为硫系红外玻璃，不仅结构简单，制作方便，而且提高了成像效果，降低了制作成本。 

附图说明

图1为本发明的用于红外相机的定焦镜头物距为10m时的光学截面图； 

图2为本发明的用于红外相机的定焦镜头物距为10m， 解像力在45lp/mm时的光学传递函数（MTF）截面图；

图3为本发明的用于红外相机的定焦镜头物距为10m， 解像力在30lp/mm时的光学传递函数（MTF）截面图；

图4为本发明的用于红外相机的定焦镜头物距为10m， 解像力在15lp/mm时的光学传递函数（MTF）截面图；

图5为本发明的用于红外相机的定焦镜头物距为10m时的弥散斑RMS图；

图6为本发明的用于红外相机的定焦镜头物距为10m时的场曲图和畸变图；

图7为本发明的用于红外相机的定焦镜头物距为10m时的离焦调变转换函数图；

图8为本发明的用于红外相机的定焦镜头在物距为10m时的相对照度图。

 其中，1-第一单负非球面镜片，2-第二单负球面镜片，3-第三单正球面镜 

片，BF-后焦距，A-光圈，r1-第一镜面，r2-第二镜面，r3-第三镜面，r4-第四镜面，r5-第五镜面，r6-第六镜面。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的用于红外相机的定焦镜头作进一步说明。 

请参阅图1至图8，一种用于红外相机的定焦镜头，包括第一单负非球面镜片1、第二单负球面镜片2、第三单正球面镜片3，所述第一单负非球面镜片1、第三单正球面镜片3采用的材料为锗，所述第二单负球面镜片2的材料为硫系红外玻璃，取代传统的锗材料，降低镜头的生产成本。 

所述第一单负非球面镜片1的r1与r2面采用十阶系数的的非球面设计，此非球面采用双次项的非球面系数，有助于提升成像质量，降低镜头长度。 

所述第一单负非球面镜片1为弯月形的负透镜，开口方向朝物面，所述第二单负球面镜片2为弯月形的负透镜，开口方向朝像面，所述第三单正球面镜片3为弯月形的正透镜，开口方向朝像面，有助于消除轴外的像差，特别对于减轻球差和慧差有明显的效果。 

 本发明的用于红外相机的定焦镜头，采用大光圈而且有效焦距较短，满足以下条件式： 

    F/NO = 1.09     f=18.988 mm，

其中F/NO 为镜头的光圈数，f为镜头的有效焦距，使所拍的图像更加清晰明亮，有更大的视场角。

 本发明的用于红外相机的定焦镜头，满足以下条件式： 

     f/f1= -0.032     f1= -600.87 mm，

     f/f2= -0.153     f2=-123.85 mm，

     f/f3=1.138       f3=16.69 mm，

其中f为镜头的有效焦距，f1为第一单负非球面镜片1的焦距，f2为第二单负球面镜片2的焦距，f3为第三单正球面镜片3的焦距，决定了光学系统的光焦度，影响光学系统的基本参数。

以下表1依次列举出了本发明的用于红外相机的定焦镜头各项透镜的参数值。 

  

     其中r1和r2表示所述第一单负非球面镜片1的物端面和成像端面， r3和r4表示所述第二单负非球面镜片2的物端面和成像端面， r5和r6表示第三单正球面透镜3的物端面和成像端面，A为孔径光阑，IMG为成像的像面。

本发明的第一单镜片1为十阶负非球面透镜，其非球面系数满足以下方程： 

其中Z（Y）为透镜的sag值，即透镜面的凹陷度，Y为透镜面到光轴间的距离，k为圆锥系数。此非球面的高阶非球面系数依序列于表2中:

 

其中r1和r2表示所述第一单负非球面镜片1的物端面和成像端面，A、B、C、D、E分别为高阶非球面系数。

以下表3为本实施例的红外定焦镜头的光学特性规则： 

其中f为镜头的有效焦距，f1为第一单负非球面镜片1的焦距，f2为第二单负球面镜片2的焦距，f3为第三单正球面镜片的焦距。

在表3中f/f1、f/f2/、f/f3的值表示三个透镜对光学系统的影响力，其中第3单正球面镜片对系统的影响最大。TTL（系统总长）表示从透镜的前端顶点到成像面的距离，此镜头的TTL总长为66.06mm。F值表示有效焦距与孔径光阑大小的比值，一般F值越小拍摄成像越明亮清晰，此镜头F值为1.06所成像效果比较明亮清晰。EFFL（有效焦距）表示光学系统的实际有效的焦距大小，此镜头在保证EFFL（有效焦距）为18.988mm较小，F值也较小的情况下，可以获得大视场高成像质量的实拍效果。最大像高表示物体经过光学系统后所成最大像面圆的直径，最大像高为8.82mm可以匹配1/2英寸大小以下的芯片。 

接着请参照图2、图3、图4，分别为定焦镜头物距为10m，解像力分别在15lp/mm、30lp/mm、45lp/mm的光学传递函数（MTF）截面图，其中入射光线的波长为8微米-12微米，空间截止频率（Spatial Frequency）最大分别设为15lp/mm、30lp/mm、45lp/mm，图2、3、4中的T代表入射光的子午光线（Tangential Ray），S代表入射光的弧矢光线（Sagittal Ray），横坐标表示空间截止频率值，纵坐标表示光学传递函数（MTF）的值。图2中曲线在15lp/mm截止时，光学传递函数（MTF）对应的平均值大于0.85，图3曲线在301/mm截止时，光学传递函数（MTF）对应的平均值大于0.65，图4曲线在45lp/mm截止时，光学传递函数（MTF）对应的平均值大于0.35，因此，可以看出本发明用于红外相机的定焦镜头具有良好的光学分辨率。 

请参照图5，为定焦镜头物距为10m时的弥散斑RMS图，其中像高分别为0、1、2、3、4mm，S分别为2.06、2.017、2.106、2.542、3.981um，根据图5可知，本发明的用于红外相机的定焦镜头，其成像产生的光学像差都在可以接受的范围内。 

请参照图6，为定焦镜头在物距为10m时的场曲和畸变图，图6中的入射光线波长分别为8微米、10微米、12微米，图6中左侧的函数图为场曲图，右侧的为畸变图。场曲图中横坐标为成像点距离理想像面的距离，纵坐标为理想的像高或入射光线的角度。畸变图中横坐标为成像点到理想点的百分比差，纵坐标为理想的像高或入射光线的角度。本实施例的最大场曲在4微米左右、最大畸变为-4.5%，数值均很小，成像整体清晰无变形。 

请参照图7，为定焦镜头的离焦调变转换函数（Though Focus MTF）图，其中空间截止频率（Spatial Frequency）设定为30lp/mm，通过焦点的偏移及相对应的光学转换函数（Optical Transfer Function）结果可知本发明定焦镜头有良好的分辨率。 

请参照图8，为定焦镜头的相对照度（Relative Illumination）图。其中横坐标表示理想的像高或入射光线的角度，纵坐标表示归一化的边缘相对中心的比值。本实施例最大理想像高处的边缘亮度相对于中心亮度比值大于98%，成像的整体像面亮度基本保持一致，无暗角产生。 

本发明的用于红外相机的定焦镜头将公差敏感度均匀分配，所述第一单负非球面镜片，采用十阶系数的非球面光学参数设计，使得本发明本发明的用于红外相机的定焦镜头减少了光学系统的长度，提高了光学系统的成像质量，降低了成本；第二单透镜采用琉系材料替换锗材料，节省了锗这一珍稀资源，进一步降低了生产的成本。本发明的红外定焦镜头在采用本实施例揭露的光学参数的情况下，系统总长为66.06毫米（mm），F值仅为1.09，提高了光学系统的成像质量。 

以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。 

Claims (7)

1.用于红外相机的定焦镜头，其特征在于：包括第一单负非球面镜片、第二单负球面镜片、第三单正球面镜片，所述第一单负非球面镜片采用十阶系数的非球面设计，所述第二单负球面镜片的材料为硫系红外玻璃。

2.根据权利要求1所述的用于红外相机的定焦镜头，其特征在于：所述第一单负非球面镜片为弯月形的负透镜，开口方向朝物面。

3.根据权利要求1所述的用于红外相机的定焦镜头，其特征在于：所述第二单负球面镜片为弯月形的负透镜，开口方向朝像面。

4.根据权利要求1所述的用于红外相机的定焦镜头，其特征在于：所述第三单正球面镜片为弯月形的正透镜，开口方向朝像面。

5.根据权利要求1所述的用于红外相机的定焦镜头，其特征在于：满足以下条件式：

    F/NO = 1.09     f=18.988 mm，

其中F/NO 为镜头的光圈数，f为镜头的有效焦距。

6.根据权利要求1所述的用于红外相机的定焦镜头，其特征在于：满足以下条件式：

    f/f1= -0.032     f1= -600.87 mm，

    f/f2= -0.153     f2=-123.85 mm，

    f/f3=1.138       f3=16.69 mm，

其中f为镜头的有效焦距，f1为第一单负非球面透镜的焦距，f2为第二单负球面透镜的焦距，f3为第三单正球面透镜的焦距。

7.根据权利要求1所述的用于红外相机的定焦镜头，其特征在于：所述第一单负非球面镜片、第三单正球面镜片采用的材料为锗。

Images