CN103543515A - 一种新型长波红外广角镜头 - Google Patents

Abstract

本发明提供的新型长波红外广角镜头，沿光轴从物方至像方依次为正光焦度的前透镜群组、光阑和正光焦度的后透镜群组，所述前透镜群组包括均为正光焦度的第一透镜、第二透镜和第三透镜，所述第一透镜的凹面朝向物侧；所述后透镜群组包括均为正光焦度的第四透镜和第五透镜，所述镜头满足下列公式：0<f*(n-1)/(FNO*R1)<2，f为整个光学系统的焦距；n为第一透镜材料中心波长折射率；FNO为光学系统F数；R1为第一透镜凹面近似曲率半径。本发明可实现大相对孔径、超广视场角、极小畸变和较小镜片口径，有效校正光学系统各项像差，达到最新17微米高分辨率成像要求，可应用于超广视场范围内的温度场分布检测和安防监控领域。

Description

一种新型长波红外广角镜头

技术领域

本发明涉及一种新型长波红外广角镜头，尤其是适合于超广视场范围内的温度分布检测和安防监控等应用领域的新型长波红外广角镜头。

背景技术

长波红外非制冷型探测器具有结构紧凑、功耗小、成本低等特点，广泛应用于建筑检测、安防监控等领域。随着半导体技术的不断进步，非制冷探测器通过缩小像元尺寸和提高灵敏度，其成本将不断下降，在各个领域的应用也将不断扩大。在建筑检测和安防监控等一些在线温度监控的领域需要在超广视场范围内对物体温度变化进行监控，因此需要大视场小畸变的超广角镜头。现有公开技术中，长波红外广角镜头一般采用3片以及3片以上镜片方案，如中国专利201120301724.1的一种超广角镜头，采用4片镜片的设计方案，最大视场角为110度，畸变为13.5%，镜头失真比较严重，对于镜头失真要求较高的领域无法满足要求。

发明内容

本发明提供了一种新型长波红外广角镜头采用五片镜片运用新的技术克服现有技术中广角镜头失真严重的问题，提供一种具有大相对孔径、超广视场角、极小畸变和较小镜片口径，有效校正光学系统各项像差，达到最新17微米高分辨率成像要求的新的解决方案

本发明解决上述技术问题的技术方案如下面所描述：

一种新型长波红外广角镜头，沿光轴从物方至像方依次设置有具有正光焦度的前透镜群组、光阑和具有正光焦度的后透镜群组，所述前透镜群组包括均为正光焦度的第一透镜、第二透镜和第三透镜，所述第一透镜的凹面朝向物侧；所述后透镜群组包括均为正光焦度的第四透镜和第五透镜，所述新型长波红外广角镜头满足下列公式：

0<f*(n-1)/(FNO*R1)<2

其中，f为整个光学系统的焦距；n为第一透镜材料的中心波长折射率；FNO为光学系统的F数；R1为第一透镜的凹面近似曲率半径。

所述前透镜群组和光学系统的焦距满足下列的表达式：

-4<f前/f<-2

其中，f前为前透镜群组的组合焦距；

f为整个光学系统的焦距。

所述后透镜群组和光学系统焦距满足下列的表达式：

-8<f后/f<-2

其中，f后为后透镜群组的组合焦距；

f为整个光学系统的焦距。

所述第一透镜和第五透镜至少有一面为非球面。

所述新型长波红外广角镜头的第四透镜的物侧前设置有光阑。

所述新型长波红外广角镜头的最大视场角2ω>90°。

所述新型长波红外广角镜头的最大视场畸变Dist<5%。

所述透镜材料为单晶锗或者硫系玻璃。

所述新型长波红外广角镜头在像侧的探测器面成正像。

所述非球面满足下列表达式：

$Z\left(Y\right)=\frac{Y^2/R}{1+\sqrt{1-(1+K)Y^2/R^2}}+{\mathrm{AY}}^4+{\mathrm{BY}}^6+{\mathrm{CY}}^8+{\mathrm{DY}}^{10}$

式中，Z为非球面沿光轴方向在高度为Y的位置时，距非球面顶点的距离矢高Sag，R表示镜面的近轴曲率半径，k为圆锥系数conic，A、B、C、D为高次非球面系数。

本发明与现有技术相比，具有以下优势和有益效果：

本发明通过采用五个透镜，既减轻重量又降低成本，可有效校正光学系统中的畸变和其它像差，实现镜头的高分辨率和超广视场角，应用二次成像技术实现在超广视场角下的极小畸变，适用于对镜头畸变要求较高的超广视场范围内的温度分布检测和安防监控等应用领域。实践证明，该技术方案具有较好的应用效果。

附图说明

通过下面结合附图对其示例性实施例进行的描述，本发明上述特征和优点将会变得更加清楚和容易理解。

图1是本发明所述的新型长波红外广角镜头的具体实施例的结构示意图；

图2是具体实施例的色差曲线图（mm）；

图3是具体实施例的像散曲线图（mm）；

图4是具体实施例的畸变曲线图（%）；

图5是具体实施例的MTF曲线图。

具体实施方式

图1是本发明所述的新型长波红外广角镜头的具体实施例的结构示意图。

如图所示，所述新型长波红外广角镜头沿光轴从物侧到像侧依次设置有：具有正屈光力的第一透镜L1，具有正屈光力的第二透镜L2，具有正屈光力的第三透镜L3,系统光阑St，具有正屈光力的第四透镜L4，具有正屈光力的第五透镜L5及成像面100。入射光通过由第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3组成的前透镜群组，再经系统光阑St进入由第四透镜L4、第五透镜L5组成的后透镜群组，最后进入到成像面100之中。

其中，所述新型长波红外广角镜头中，第一透镜L1为凹面朝向物侧的正弯月透镜；第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5均为凸面朝向物侧的正弯月透镜。第一透镜L1的凸面R2为非球面，第二透镜L2的凸面R3为非球面，第三透镜的凸面R5为非球面，第四透镜的凹面R8为非球面，第五透镜的凸面R9为非球面，其余面型可以为球面或非球面。

第一透镜L1可以采用单晶锗或者硫系玻璃，第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4均采用单晶锗，第五透镜L5可以采用单晶锗或者硫系玻璃。硫系玻璃在3-14μm具有良好的透过率，透明区域覆盖三个大气窗口，在加工方式上硫系玻璃除了具有可抛光，可车削，最大特性还可以高精密模压，在批量生产时具有极大的成本优势。

本光学系统在设计时，为达到最新17微米探测器的高分辨率像质要求，镜头光阑放置在第四透镜L4的第一面上。

所述前透镜群组和光学系统焦距满足下列的表达式：

-4<f前/f<-2

其中，f为整个光学系统的焦距；

f前为L1、L2、L3组成的前透镜群组的组合焦距。

所述后透镜群组和光学系统焦距满足下列的表达式：

-8<f后/f<-2

其中，f为整个光学系统的焦距；

f后为L4、L5组成的后透镜群组的组合焦距。

在本实施例中，该光学系统的焦距f=-4mm，光圈数FNO=1.0，最大视场角2ω=105°。前透镜群组的组合焦距f前=12.68mm；后透镜群组的组合焦距f后=19.41mm；

f前/f=-3.17；

f后/f=-4.85；

图2至图5为相应实施例的光学特性曲线图，其中图2为色差曲线图，由8μm、10μm、12μm的三个波长来表示，单位为mm。图3为像散曲线图，同样由8μm、10μm、12μm的三个波长来表示，单位为mm。图4为畸变曲线图，标示不同视场角下的畸变大小值，单位为%。图5为MTF曲线图，代表光学系统的综合解像水平，满足最新17μm探测器要求达到30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实用要求。

图中，其中D1是第一透镜的中心厚度；D2是第一透镜和第二透镜之间的距离；D3是第二透镜的中心厚度；D4是第二透镜和第三透镜之间的距离；D5是第三透镜的中心厚度；D6是第三透镜和第四透镜之间的距离；D7是第四透镜的中心厚度；D8是第四透镜和第五透镜之间的距离；D9是第五透镜的中心厚度；D10是第五透镜和探测器窗口之间的距离；D11是探测器窗口的中心厚度；D12是探测器窗口和像面100之间的距离。

本发明光学系统参数请参见表一、表二、表三。

表一、光学元件参数表

非球面满足下列表达式：

$Z\left(Y\right)=\frac{Y^2/R}{1+\sqrt{1-(1+K)Y^2/R^2}}+{\mathrm{AY}}^4+{\mathrm{BY}}^6+{\mathrm{CY}}^8+{\mathrm{DY}}^{10}$

式中，Z为非球面沿光轴方向在高度为Y的位置时，距非球面顶点的距离矢高Sag，R表示镜面的近轴曲率半径，k为圆锥系数conic，A、B、C、D为高次非球面系数。

表二：非球面数据

需要注意的是，上述表格中的具体参数仅仅是示例性的，各透镜的参数不限于由上述各数值实施例所示出的值，可以采用其他的值，都可以达到类似的技术效果。

虽然上面描述了本发明的原理以及具体实施方式，但是，在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行各种改进和变形，而这些改进或者变形落在本发明的保护范围内。本领域技术人员应该明白，上面的具体描述只是为了解释本发明的目的，并非用于限制本发明。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种新型长波红外广角镜头，其特征在于：沿光轴从物方至像方依次设置有具有正光焦度的前透镜群组、光阑和具有正光焦度的后透镜群组，所述前透镜群组包括均为正光焦度的第一透镜、第二透镜和第三透镜，所述第一透镜的凹面朝向物侧；所述后透镜群组包括均为正光焦度的第四透镜和第五透镜，所述新型长波红外广角镜头满足下列公式：

0<f*(n-1)/(FNO*R1)<2

其中，f为整个光学系统的焦距；n为第一透镜材料的中心波长折射率；FNO为光学系统的F数；R1为第一透镜的凹面近似曲率半径。

2.根据权利要求1所述的新型长波红外广角镜头，其特征在于：所述前透镜群组和光学系统的焦距满足下列的表达式：

-4<f前/f<-2

其中，f前为前透镜群组的组合焦距；

f为整个光学系统的焦距。

3.根据权利要求1所述的新型长波红外广角镜头，其特征在于：所述后透镜群组和光学系统焦距满足下列的表达式：

-8<f后/f<-2

其中，f后为后透镜群组的组合焦距；

f为整个光学系统的焦距。

4.根据权利要求1所述的新型长波红外广角镜头，其特征在于：所述第一透镜和第五透镜至少有一面为非球面。

5.根据权利要求1所述的新型长波红外广角镜头，其特征在于：所述新型长波红外广角镜头的第四透镜的物侧前设置有光阑。

6.根据权利要求1所述的新型长波红外广角镜头，其特征在于：所述新型长波红外广角镜头的最大视场角2ω>90°。

7.根据权利要求1所述的新型长波红外广角镜头，其特征在于：所述新型长波红外广角镜头的最大视场畸变Dist<5%。

8.根据权利要求1所述的新型长波红外广角镜头，其特征在于：所述透镜材料为单晶锗或者硫系玻璃。

9.根据权利要求1所述的新型长波红外广角镜头，其特征在于：所述新型长波红外广角镜头在像侧的探测器面成正像。

10.根据权利要求4所述的新型长波红外广角镜头，其特征在于：所述非球面满足下列表达式：

$Z\left(Y\right)=\frac{Y^2/R}{1+\sqrt{1-(1+K)Y^2/R^2}}+{\mathrm{AY}}^4+{\mathrm{BY}}^6+{\mathrm{CY}}^8+{\mathrm{DY}}^{10}$

式中，Z为非球面沿光轴方向在高度为Y的位置时，距非球面顶点的距离矢高Sag，R表示镜面的近轴曲率半径，k为圆锥系数conic，A、B、C、D为高次非球面系数。

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