CN103852863A - 一种新型长波红外消热差镜头 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种新型长波红外消热差镜头，沿光轴从物方至像方依次设置有第一透镜、第二透镜、第三透镜，其中，所述第一透镜为凸面朝向物侧的具有正屈光力的弯月形透镜，第二透镜为具有负屈光力的透镜，第三透镜为凸面朝向像侧的具有正屈光力的透镜。所述镜头满足：1<f*(n-1)/(FNO*R1)<3，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为第一透镜的凸面近似曲率半径。本发明较其他光学消热差方案具有明显的成本优势，同时解决了由于采用衍射面结构致使消热差系统能量损耗较大的问题。可应用于需要在宽温度范围内实现消热差功能的红外车载辅助和安防监控领域。

Description

一种新型长波红外消热差镜头

技术领域

本发明涉及一种新型长波红外消热差镜头，尤其是一种具有宽温度范围内消热差性能可广泛适用于车载夜视和安防监控领域的长波光学消热差镜头。

背景技术

随着非制冷探测器技术的成熟，长波红外非制冷光学系统得到了越来越广泛的应用。由于红外光学材料的折射率温度系数较大，工作温度的变化必然会导致成像系统焦面漂移，进而导致成像质量下降。红外光学系统在宽温度范围内工作时同时要求不发生像面漂移，必须采用消热差技术使红外光学系统在一个较大的温度范围内均具有良好的成像质量。

光学系统的消热差技术可分为主动补偿和被动补偿两类，被动补偿又分为机械被动补偿和光学被动补偿两种。光学被动补偿这种技术一般采用两种方式，一是利用光学材料热特性之间的差异，通过合理的材料、光焦度配比，实现光学系统像面位置随温度的变化量与仪器壳体随温度的变化量一致，该方案存在材料种类多，结构复杂的问题。二是在光学系统中引入衍射光学元件，利用衍射光学元件具有负消热散的特性实现消热差。该方案具有材料种类少，结构简单的特点，但是需要采用衍射面结构，衍射面的衍射效率导致光学系统透过率下降明显。

发明内容

本发明为解决上述光学消热差系统中存在的问题，提供了一种新型长波红外光学消热差镜头，该系统采用三片式结构，利用硫系玻璃较低的折射率温度系数的特性，实现在宽温度范围内的消热差特性。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下面所描述：

一种新型长波红外消热差镜头，沿光轴从物方至像方依次设置有第一透镜、第二透镜、第三透镜，所述第一透镜为凸面朝向物侧的具有正屈光力的弯月形透镜，第二透镜为具有负屈光力的透镜，第三透镜为凸面朝向像侧的具有正屈光力的透镜；所述镜头满足下列公式：

1<f*(n-1)/(FNO*R1)<3

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为第一透镜的凸面近似曲率半径。

进一步的，所述第一透镜和第二透镜的组合焦距和光学系统焦距满足下列的表达式：

2<f12/f<7

其中，f12为第一透镜和第二透镜的组合焦距；f为整个光学系统的焦距。

进一步的，所述第一透镜的焦距和光学系统焦距满足下列的表达式：

0<f1/f<1

其中，f1为第一透镜的焦距；f为整个光学系统的焦距。

进一步的，所述第二透镜的焦距和光学系统焦距满足下列的表达式：

-1<f2/f<0

其中，f2为第二透镜的焦距；f为整个光学系统的焦距。

进一步的，所述第三透镜的焦距和光学系统焦距满足下列的表达式：

0<f3/f<1

其中，f3为第三透镜的焦距；f为整个光学系统的焦距。

进一步的，所述镜头采用了两种硫系玻璃材料，第一透镜和第三透镜采用同种材料。所述第一透镜和第三透镜采用的硫系玻璃具有较低的折射率温度变化系数dn/dT。所述镜头的三个透镜中均不含有衍射面结构。

本发明通过采用三片透镜的方案，在不使用衍射面结构的条件下实现宽温度范围内的消热差功能。较现有的光学消热差方案具有以下优势：与多种光学材料配比实现光学消热差方案相比，本发明具有材料数量少，镜头结构简单的优点；与光学系统中引入衍射光学元件实现光学消热差方案相比，本发明由于无需采用衍射面结构具有系统透过率高的优点；本发明仅采用两种硫系玻璃，在材料成本上硫系玻璃具有明显的优势，而且硫系玻璃在大批量生产时可以进行精密模压，可以大大降低加工成本，具有广阔的市场前景。实践证明，该种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例示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光学消热差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是本发明所述的长波红外光学消热差镜头的结构示意图。

如图1所示的新型长波红外光学消热差镜头，沿光轴Z1从物方到像方依次设置有：位于第一透镜物侧面的系统光阑St、具有正屈光力的第一透镜L1、具有负屈光力的第二透镜L2、具有正屈光力的第三透镜L3、滤光片W以及成像面100。

从物方到像方，所述第一透镜L1的两面为物侧面R1、像侧面R2；所述第二透镜L2的两面为物侧面R3、像侧面R4；所述第三透镜L3的两面为物侧面R5、像侧面R6；所述滤光片W的两面为物侧面R7、像侧面R8。所述第一透镜L1的光轴厚度为D1，第一透镜L1和第二透镜L2的光轴距离为D2，所述第二透镜L2的光轴厚度为D3，第二透镜L2和第三透镜L3的光轴距离为D4，所述第三透镜L3的光轴厚度为D5，第三透镜L3和滤光片W的光轴距离为D6，所述滤光片W的光轴距厚度为D7，所述滤光片W和成像面100的距离为D8。

其中，该红外光学系统中第一透镜L1为凸面朝向物侧的正弯月透镜；第二透镜L2为凸面朝向物侧的负弯月透镜；第三透镜为凸面朝向像侧的透镜。第一透镜L1的凹面R2为非球面，第二透镜L2的凹面R4为非球面，其余均为球面。

所述第一透镜L1，第二透镜L2，第三透镜L3透镜材料均为硫系玻璃，所述硫系玻璃在8～12μm具有良好的透过率，透明区域覆盖三个大气窗口。硫系玻璃折射率随温度变化系数dn/dT较小，在光学系统中采用硫系玻璃加上合理的光焦度分配可以实现良好的消热差功能。在加工方式上硫系玻璃除了具有可抛光，可车削，最大特性是还可以进行高精度模压，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384*28825微米探测器的高分率像质要求，镜头光阑St放置在第一透镜L1的物侧面上。所述第一透镜L1的凸面近似曲率半径与光学系统焦需要满足下列公式：

1<f*(n-1)/(FNO*R1)<3

其中，f为整个光学系统的焦距；

n为第一透镜L1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L1的凸面近似曲率半径；

第一透镜L1、第二透镜L2，第三透镜L3的焦距分别为f1、f2，f3，第一透镜和第二透镜的组合焦距f12，光学系统的焦距为f，为了达到优良的光学特性，第一透镜L1、第二透镜L2和第三透镜L3的光焦度分配需要满足以下关系：2<f12/f<7，0<f1/f<1，-1<f2/f<0，0<f3/f<1。

在本实施例中，该光学系统的焦距f=19mm，光圈数FNO=1.1。第一透镜L1的凸面近似曲率半径R1=14.43，第一透镜L1的焦距f1=12.43mm，第二透镜L2的焦距为f2=-10.42mm，第三透镜L3的焦距为f3=14.66mm，第一透镜和第二透镜的组合焦距f12=57.09mm。

f*(n-1)/(FNO*R1)=1.79；

f12/f=3；

f1/f=0.65；

f2/f=-0.55；

f3/f=0.77；

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，最新的384*28825μm探测器要求达到20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。

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

非球面	K	A	B	C	D
						2	0	-7.751350E-006	1.746154E-007	-4.092821E-010	-1.767616E-012
4	0	9.503337E-005	2.035423E-007	-9.463353E-009	9.787363E-011

需要注意的是，上述表格中的具体参数仅仅是例示性的，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 (8)

1.一种新型长波红外消热差镜头，其特征在于：沿光轴从物方至像方依次设置有第一透镜、第二透镜、第三透镜，所述第一透镜为凸面朝向物侧的具有正屈光力的弯月形透镜，第二透镜为具有负屈光力的透镜，第三透镜为凸面朝向像侧的具有正屈光力的透镜；所述镜头满足下列公式：

1<f*(n-1)/(FNO*R1)<3

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为第一透镜的凸面近似曲率半径。

2.根据权利要求1所述的新型长波红外消热差镜头，其特征在于：所述第一透镜和第二透镜的组合焦距和光学系统焦距满足下列的表达式：

2<f12/f<7

其中，f12为第一透镜和第二透镜的组合焦距；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消热差镜头，其特征在于：所述第一透镜的焦距和光学系统焦距满足下列的表达式：

0<f1/f<1

其中，f1为第一透镜的焦距；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消热差镜头，其特征在于：所述第二透镜的焦距和光学系统焦距满足下列的表达式：

-1<f2/f<0

其中，f2为第二透镜的焦距；f为整个光学系统的焦距。

5.根据权利要求1所述的新型长波红外消热差镜头，其特征在于：所述第三透镜的焦距和光学系统焦距满足下列的表达式：

0<f3/f<1

其中，f3为第三透镜的焦距；f为整个光学系统的焦距。

6.根据权利要求1所述的新型长波红外消热差镜头，其特征在于：所述镜头采用了两种硫系玻璃材料，第一透镜和第三透镜采用同种材料。

7.根据权利要求6所述的新型长波红外消热差镜头，其特征在于：所述第一透镜和第三透镜采用的硫系玻璃具有较低的折射率温度变化系数dn/dT。

8.根据权利要求1所述的新型长波红外消热差镜头，其特征在于：所述镜头的三个透镜中均不含有衍射面结构。

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