CN103941378B - 基于可模压衍射非球面透镜的远红外镜头 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于可模压衍射非球面透镜的远红外镜头，可用作车载夜视镜、夜视监控镜头等。从物方到像方依次包括新月形正透镜一(凸面朝向物面)、新月形负透镜二(凸面朝向像面)和新月形正透镜三(凸面朝向物面)，所述镜头的透镜材料均为红外硫系玻璃，可进行热模压成型，其新月形正透镜一为折衍混合透镜，朝像面一侧为非球面衍射面，该基于可模压衍射非球面透镜的远红外镜头的总长＜50mm，f数为0.8，视场角＞20°。光学镜头系统仅有三片透镜构成，结构简单，成本低廉。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种远红处镜头，特别涉及一种大视场的基于可模压衍射非球面透镜的远红外镜头。
【背景技术】
目前所设计的红外镜头以近红外为主，需要主动发射红外光线来达到夜视监测的效果，对被动式的基于可模压衍射非球面透镜的远红外镜头设计涉及较少，如专利CN201010609811.3发明了激光夜视仪用近红外镜头，针对近红外波段夜视成像；专利CN201110173404.7和专利CN00208521.6发明的也都是近红外镜头，采用镜头主动近红外光照射物体进行夜视成像。少数设计的基于可模压衍射非球面透镜的远红外镜头视场角较小，扩大视场角的同时会降低镜头的分辨率，对比度变差，图像质量满足不了要求，如专利US6507432设计的三片式基于可模压衍射非球面透镜的远红外镜头(波长8μm-12μm)最大视场角为20.8°；再有，现有基于可模压衍射非球面透镜的远红外镜头的镜片材料绝大部分采用锗或硫化锌等晶体材料，如专利US6507432采用单晶锗作为镜片材料，专利US7835071和专利US7911688设计的基于可模压衍射非球面透镜的远红外镜头主要采用硫化锌作为镜片材料，单晶锗是一种比较昂贵的晶体，而且只能通过车削加工获得非球面和衍射面，镜头成本很高，镜片加工的效率非常低，批量制造的难度较大；而硫化锌除了能直接车削加工外，可以采用硫化锌粉末直接高温加热压铸成型，但其成型的温度超过1000°，工艺控制难度大，加工成本同样也很高。
【发明内容】
为克服上述技术缺点，本发明提供一种可用于车载夜视镜、夜视监控镜头等领域的基于可模压衍射非球面透镜的远红外镜头。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：提供一种基于可模压衍射非球面透镜的远红外镜头，其特征在于：从物方到像方依次包括光阑、第一新月形正透镜、第二新月形负透镜和新月形正透镜和像面，该基于可模压衍射非球面透镜的远红外镜头的总长＜50mm，f数为0.8，视场角＞20°。
优选地，该第一新月形正透镜的凸面朝向物面，该新月形负透镜的凸面朝向像面，且该第二新月形正透镜凸面朝向物面。
选选地，该基于可模压衍射非球面透镜的远红外镜头透过光线的波长范围在8-12μm。
优选地，该基于可模压衍射非球面透镜的远红外镜头的该第一新月形正透镜包括第一透镜表面S2与第二透镜表面S3，该新月形负透镜3包括第三透镜表面S4与第四透镜表面S5，该第二新月形正透镜4包括第五透镜表面S6与第六透镜表面S7，其中透镜表面s2、s4、s5、s6和s7为球面，透镜表面s3为非球面。
优选地，该基于可模压衍射非球面透镜的远红外镜头的成像分辨率为320×240像素。
优选地，其中第一透镜表面S2的曲率半径为35.4518mm，其厚度为18mm，其有效孔径为15.4733mm；该第二透镜表面S3的曲率半径为40.1788mm，其厚度为11.3091mm，其有效孔径为11.6223mm；其中第五透镜表面S6的曲率半径为20.0041mm，其厚度为8.4889mm，其有效孔径为12.2826mm；该第六透镜表面S7的曲率半径为26.1415mm，其厚度为6.4826mm，其有效孔径为9.1237m。
优选地，其中第三透镜表面S4的曲率半径为-20.7084mm，其厚度为7.6836mm，其有效孔径为11.3862mm；该第四透镜表面S5的曲率半径为-23.5888mm，其厚度为1mm，其有效孔径为13.9357mm。
优选地，第一新月形正透镜、第二新月形负透镜和新月形正透镜为硫系玻璃材料制造。
本发明基于可模压衍射非球面透镜的远红外镜头采用三片式折衍混合光学系统，简化镜头结构；系统具有较大的视场角，可夜视监测的范围更大，采用较小的f数设计，增大镜头的通光孔径，使得夜视场景更加清晰明亮，极大地提高了镜头的夜晚观测能力；同时，镜片材料采用可大批量快速模压成型的硫系玻璃，其模压温度仅三百度左右(略高于硫系玻璃转化温度Tg)，大大降低了镜头的制造成本。
【附图说明】
图1为本发明基于可模压衍射非球面透镜的远红外镜头的光学结构图。
图2为本发明基于可模压衍射非球面透镜的远红外镜头的光线像差曲线。
图3为本发明基于可模压衍射非球面透镜的远红外镜头的纵向球差、像散和畸变曲线。
图4为本发明基于可模压衍射非球面透镜的远红外镜头的MTF曲线。
【具体实施方式】
如图1所示，本发明基于可模压衍射非球面透镜的远红外镜头包括如下组件，其由物体发出的红外光线依次经过光阑1、新月形正透镜2，其凸面朝向物面、新月形负透镜3，其凸面朝向像面，和新月形正透镜4，其凸面朝向物面，最后在像面5成像。该新月形正透镜2包括第一透镜表面S2与第二透镜表面S3，该新月形负透镜3包括第三透镜表面S4与第四透镜表面S5，该新月形正透镜4包括第五透镜表面S6与第六透镜表面S7，透镜表面s2、s4、s5、s6和s7为球面，透镜表面s3为非球面，圆锥系数为-1.325，并在非球面设置具有一级衍射级次的相位多项式型Kinoform二元光学面；透镜的材料采用肖特公司的硫系玻璃‘IG3’，可在不超过300°的条件下进行热模压成型，大大降低镜头成本。考虑热影响，透镜2设计为正光焦度，透镜3设计为负光焦度。
所述镜头中透镜2，3，4可镀增透膜，镜头总长不超过50mm，为提高通光量，f数设计为小于1，此镜头实例中f数为0.8，总长与焦距之比小于2，视场角为23°，镜头的分辨率可达320×240像素，采用的CCD红外传感器像元大小为25μm，对角线长10mm。
表1和表2列出的是镜头2，3，4的镜片相关参数，该相关参数均可在表1与表2的基础上±5mm，包括镜片面的表面类型、曲率半径，镜片厚度、材料、有效孔径和圆锥系数以及衍射系数。
图2至图4为所述基于可模压衍射非球面透镜的远红外镜头相应的光学性能曲线图。图2至图4分别表征了本发明的基于可模压衍射非球面透镜的远红外镜头的光线像差曲线、像散、畸变、纵向球差和调制传递函数MTF值，可以看出，本发明的基于可模压衍射非球面透镜的远红外镜头畸变非常小，小于2％，光线像差小于25μm，所有视场角的MTF均大于0.5，在最大视场角处相对光照度为97.3％，成像品质很好。
表一
表二
本发明基于可模压衍射非球面透镜的远红外镜头采用三片式折衍混合光学系统，简化镜头结构；系统具有较大的视场角，可夜视监测的范围更大，采用较小的f数设计，增大镜头的通光孔径，使得夜视场景更加清晰明亮，极大地提高了镜头的夜晚观测能力；同时，镜片材料采用可大批量快速模压成型的硫系玻璃，其模压温度仅三百度左右(略高于硫系玻璃转化温度Tg)，大大降低了镜头的制造成本。
Claims (8)
1.一种基于可模压衍射非球面透镜的远红外镜头，其特征在于：从物方到像方依次包括光阑、第一新月形正透镜、第二新月形负透镜和新月形正透镜和像面，该基于可模压衍射非球面透镜的远红外镜头的总长＜50mm，f数为0.8，视场角＞20°。
2.根据权利要求1所述的基于可模压衍射非球面透镜的远红外镜头，其特征在于：该第一新月形正透镜的凸面朝向物面，该新月形负透镜的凸面朝向像面，且该第二新月形正透镜凸面朝向物面。
3.根据权利要求1所述的基于可模压衍射非球面透镜的远红外镜头，其特征在于：该基于可模压衍射非球面透镜的远红外镜头透过光线的波长范围在8-12μm。
4.根据权利要求1所述的基于可模压衍射非球面透镜的远红外镜头，其特征在于：该基于可模压衍射非球面透镜的远红外镜头的该第一新月形正透镜包括第一透镜表面S2与第二透镜表面S3，该新月形负透镜3包括第三透镜表面S4与第四透镜表面S5，该第二新月形正透镜4包括第五透镜表面S6与第六透镜表面S7，其中透镜表面s2、s4、s5、s6和s7为球面，透镜表面s3为非球面。
5.根据权利要求1所述的基于可模压衍射非球面透镜的远红外镜头，其特征在于：该基于可模压衍射非球面透镜的远红外镜头的成像分辨率为320×240像素。
6.根据权利要求4所述的基于可模压衍射非球面透镜的远红外镜头，其特征在于：其中第一透镜表面S2的曲率半径为35.4518mm，其厚度为18mm，其有效孔径为15.4733mm；该第二透镜表面S3的曲率半径为40.1788mm，其厚度为11.3091mm，其有效孔径为11.6223mm；其中第五透镜表面S6的曲率半径为20.0041mm，其厚度为8.4889mm，其有效孔径为12.2826mm；该第六透镜表面S7的曲率半径为26.1415mm，其厚度为6.4826mm，其有效孔径为9.1237m。
7.根据权利要求4所述的基于可模压衍射非球面透镜的远红外镜头，其特征在于：其中第三透镜表面S4的曲率半径为-20.7084mm，其厚度为7.6836mm，其有效孔径为11.3862mm；该第四透镜表面S5的曲率半径为-23.5888mm，其厚度为1mm，其有效孔径为13.9357mm。
8.根据权利要求1所述的基于可模压衍射非球面透镜的远红外镜头，其特征在于：第一新月形正透镜、第二新月形负透镜和新月形正透镜为硫系玻璃材料制造。
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