CN105824103A - 一种非制冷光学无热化镜头 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非制冷光学无热化镜头，沿光线入射方向依次设置负弯月型透镜、正弯月型透镜和正透镜，通过调整F数和各个透镜的焦距以实现在‑40℃～+60℃范围内均能够清晰成像且无需调焦的效果。

Description

一种非制冷光学无热化镜头
技术领域
本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种非制冷光学无热化镜头。
背景技术
近年来，随着非制冷型探测器技术的不断发展，非制冷型探测器的灵敏度不断提高，且成本不断降低，使红外成像系统在夜视观瞄、车载夜视和安防监控等领域的应用越来越广泛。但是，红外成像系统的一个缺点就是很难适应较宽的工作温度范围。由于红外材料的折射率温度系数变化很大，随着环境温度的变化，红外光学材料的折射率、元件的曲率、厚度和间隔将发生变化，再加上壳体的热胀冷缩，使系统产生离焦和其他像差，严重影响系统成像质量。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种紧凑型非制冷光学无热化镜头，用以解决现有技术中温度影响红外成像系统成像质量的问题。
为解决上述问题，本发明主要是通过以下技术方案实现的：
本发明提供了一种紧凑型非制冷光学无热化镜头，该镜头包括：
沿光线入射方向依次设置负弯月型透镜、正弯月型透镜和正透镜；
其中，系统F数满足：0.8≤F≤1.4，系统焦距f'满足：15mm≤f'≤50mm，负弯月型透镜的焦距fA'满足-300mm≤fA'≤-100mm，正弯月型透镜的焦距fB'满足30mm≤fB'≤120mm，正透镜的焦距fC'满足15mm≤fC'≤60mm。
优选地，所述负弯月型透镜为具有负光焦度的负弯月透镜，所述正弯月型透镜为具有正光焦度的正弯月型透镜，所述正透镜为具有正光焦度的平凸、双凸或正弯月透镜。
优选地，所述负弯月型透镜和所述正弯月型透镜的球面均朝向像面。
优选地，所述负弯月型透镜的材料为锗，且所述负弯月型透镜的凸面镀硬膜。所述正弯月型透镜和所述正透镜的材料为硫系玻璃IG4或IG6，以及其他厂家生产的与之牌号对应的硫系玻璃。
优选地，所述光学系统的光学总长L和系统焦距f'之间满足条件：0.8f'≤L≤2f'。
优选地，所述负弯月型透镜的凸面为球面或非球面，凹面为非球面或球面；
所述正弯月型透镜的凸面和凹面均为非球面或球面。
所述正透镜的两侧的表面为非球面或球面，且所述正透镜至少有一个非球面上带有衍射面。
优选地，所述负弯月型透镜、所述正弯月型透镜和所述正透镜共用一个镜筒。
优选地，所述正弯月型透镜通过光阑进行固定。
本发明有益效果如下：
本发明光学无热化镜头采用非球面和衍射面技术，使得系统结构简单，透过率高，成像性能好，可实现在-40℃～+60℃范围内均能够清晰成像且无需调焦。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
图1为本发明实施例的镜头结构示意图；
图2为本发明实施例的畸变和球差曲线；
图3为本发明实施例的常温光学传递函数MTF曲线；
图4为本发明实施例的低温-40℃下光学传递函数MTF曲线；
图5为本发明实施例的高温+60℃下光学传递函数MTF曲线；
图6为本发明实施例的畸变和球差曲线；
图7为本发明实施例的常温光学传递函数MTF曲线；
图8为本发明实施例的低温-40℃下光学传递函数MTF曲线；
图9为本发明实施例的高温+60℃下光学传递函数MTF曲线；
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。为了清楚和简化目的，当其可能使本发明的主题模糊不清时，将省略本文所描述的器件中已知功能和结构的详细具体说明。
为了解决现有技术温度影响红外成像系统成像质量的问题，本发明提供了一种紧凑型非制冷光学无热化镜头，沿光线入射方向依次设置负弯月型透镜、正弯月型透镜和正透镜，通过调整F数和各个透镜的焦距以实现在-40℃～+60℃范围内均能够清晰成像且无需调焦的效果。以下结合附图以及几个实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。
本发明实施例提供了一种紧凑型非制冷光学无热化镜头，参见图1，该镜头包括：沿光线入射方向依次设置负弯月型透镜1、正弯月型透镜2和正透镜3,或者依次称为透镜A、透镜B和透镜C；
其中，系统F数满足：0.8≤F≤1.4，系统焦距f'满足：15mm≤f'≤50mm，负弯月型透镜1的焦距fA'满足-300mm≤fA'≤-100mm，正弯月型透镜2的焦距fB'满足30mm≤fB'≤120mm，正透镜3的焦距fC'满足15mm≤fC'≤60mm。
本发明的非制冷光学无热化镜头沿光线入射方向依次包括负弯月型透镜、正弯月型透镜和正透镜，通过调整F数和各个透镜的焦距以实现在-40℃～+60℃范围内均能够清晰成像且无需调焦的效果。
即，本发明实施例光学系统采用非球面和衍射面技术，系统结构简单，透过率高，成像性能好；并且本发明采用小F数设计，有利于提高系统的集光能力和成像分辨率，提高探测器的灵敏度；另外，本发明成像视场大，有利于扩大观察范围，可兼容多款非制冷探测器。
本发明实施例所述负弯月型透镜为具有负光焦度的负弯月透镜，所述正弯月型透镜为具有正光焦度的正弯月型透镜，所述正透镜为具有正光焦度的平凸、双凸或正弯月透镜。
且，本发明实施例所述负弯月型透镜和所述正弯月型透镜的球面均朝向像面。
本发明实施例所述负弯月型透镜的材料为锗，且所述负弯月型透镜的凸面镀硬膜。所述正弯月型透镜和所述正透镜的材料为硫系玻璃IG4或IG6，以及其他厂家生产的与之牌号对应的硫系玻璃。
本发明负弯月型透镜前表面镀硬膜，有利于提高系统的防潮湿、盐雾和沙尘等方面的环境适应性。并且本发明镜片材料为硫系玻璃，可通过精密模压的方式生产，有利于批量产生产。
需要说明的是，本发明实施例所述光学系统的光学总长L和系统焦距f'之间满足条件：0.8f'≤L≤2f'。
优选地，所述负弯月型透镜的凸面为球面或非球面，凹面为非球面或球面；所述正弯月型透镜的凸面和凹面均为非球面或球面。所述正透镜的两侧的表面为非球面或球面，且所述正透镜至少有一个非球面上带有衍射面。
优选地，所述负弯月型透镜、所述正弯月型透镜和所述正透镜共用一个镜筒。通过共用一个镜筒，有利于提高系统的共轴精度。本发明光学系统工艺性好，在镜片和镜筒加工完成后直接进行组合即可满足像质要求，不需要研修等过程，有利于批量化生产。
优选地，本发明实施例所述正弯月型透镜通过光阑进行固定。也就是说，本发明仅采用三片透镜，且光阑放置在前组正弯月型透镜的前面，不单独设计光阑，系统成本低，有利于提高其市场竞争力。
图1为本发明实施例1的镜头结构示意图，如图1所示，本发明的光学系统焦距为38mm，F数1.1，视场角为±12°，光学系统总长60.2mm，设计波长8-12μm，该系统具体参数如表1所示。
表1 系统参数表
表面序号 面型 曲率半径 中心厚度 材料
S1 球面 34.06 4.50 锗
S2 非球面 30.27 1.00
S3(光阑) 非球面 25.44 11.00 硫系玻璃IG4
S4 非球面 21.14 12.69
S5 球面 infinity 6.00 硫系玻璃IG6
S6 非球面(衍射面) -49.55 21.84
像面 球面 infinity 0
旋转对称偶次非球面曲面满足下列方程：
z = Y 2 / R 1 + ( 1 - ( 1 + K ) Y 2 / R 2 ) + AY 4 + BY 6 + CY 8 + DY 10
上式中，Z为非球面沿光轴方向在高度为Y的位置时，距离非球面顶点的矢高，R为透镜的近轴曲率半径，K为圆锥系数，A、B、C、D为高次非球面系数。表2为该实施例的非球面参数。
表2 非球面参数表
该衍射面满足下列表达式：
其中：ρ＝r/r1，r1是衍射面归划半径，Ai是衍射面相位系数。表3为该实施例的衍射面参数。
表3 衍射面参数表
衍射面 规划半径 相位系数A1
S6 16.00 -62.31
本实施例1光学系统的畸变和球差曲线如图2所示，从图中可以看出，系统畸变值小于2％，满足系统的使用要求。图3是本发明的光学系统的MTF曲线如图3所示，本实施例1在温度范围为-40℃～+60℃内，均能够清晰成像，且无需调焦。在-40℃和+60℃的MTF曲线如图4和图5所示，图3-5为光学系统分别在常温20℃，低温-40℃和高温60℃的光学传递函数MTF曲线。光学传递函数能够综合反映光学系统的成像质量，从图中可以看出，在不同温度下，光学系统在空间频率25mm/lp下，轴上MTF值大于0.6，轴外MTF值大于0.3，能够保证光学系统成像清晰。
本发明实施例还提供了另一种镜头结构示意图，本发明实施例的光学系统焦距为40mm，F数1.1，视场角为±11.6°，光学系统总长62mm，设计波长8-12μm，该系统具体参数如表4所示。
表4 系统参数表
旋转对称偶次非球面曲面满足下列方程：
z = Y 2 / R 1 + ( 1 - ( 1 + K ) Y 2 / R 2 ) + AY 4 + BY 6 + CY 8 + DY 10
上式中，Z为非球面沿光轴方向在高度为Y的位置时，距离非球面顶点的矢高，R为透镜的近轴曲率半径，K为圆锥系数，A、B、C、D为高次非球面系数。表5为该实施例的非球面参数。
表5 非球面参数表
K A B C D
S2 0 2.9949E-07 -1.1597E-08 2.7097E-11 0
S3 0 1.1446E-06 -2.2837E-08 -2.5903E-11 1.0114E-13
S4 0 1.1749E-06 -2.7084E-08 -4.0062E-10 1.3048E-12
S5 0 2.3004E-06 -3.2860E-09 9.3626E-13 0
该衍射面满足下列表达式：
其中：ρ＝r/r1，r1是衍射面归划半径，Ai是衍射面相位系数。表6为该实施例的衍射面参数。
表6 衍射面参数表
衍射面 规划半径 相位系数A1
S5 16.00 -59.05
本实施例1光学系统的畸变和球差曲线如图6所示，光学系统的MTF曲线如图7所示。本实施例1在温度范围为-40℃～+60℃内，均能够清晰成像，且无需调焦。在-40℃和+60℃的MTF曲线如图8和图9所示。图7-9为光学系统分别在常温20℃，低温-40℃和高温60℃的光学传递函数MTF曲线。光学传递函数能够综合反映光学系统的成像质量，从图中可以看出，在不同温度下，光学系统在空间频率25mm/lp下，轴上MTF值大于0.6，轴外MTF值大于0.3，能够保证光学系统成像清晰。
本发明所述的方法至少能够带来以下的有益效果：
本发明光学无热化镜头采用非球面和衍射面技术，使得系统结构简单，透过率高，成像性能好，可实现在-40℃～+60℃范围内均能够清晰成像且无需调焦。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种非制冷光学无热化镜头，其特征在于，包括：
沿光线入射方向依次设置负弯月型透镜、正弯月型透镜和正透镜；
其中，系统F数满足：0.8≤F≤1.4，系统焦距f'满足：15mm≤f'≤50mm，负弯月型透镜的焦距fA'满足-300mm≤fA'≤-100mm，正弯月型透镜的焦距fB'满足30mm≤fB'≤120mm，正透镜的焦距fC'满足15mm≤fC'≤60mm。
2.根据权利要求1所述的非制冷光学无热化镜头，其特征在于，
所述负弯月型透镜为具有负光焦度的负弯月透镜，所述正弯月型透镜为具有正光焦度的正弯月型透镜，所述正透镜为具有正光焦度的平凸、双凸或正弯月透镜。
3.根据权利要求2所述的非制冷光学无热化镜头，其特征在于，
所述负弯月型透镜和所述正弯月型透镜的球面均朝向像面。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的非制冷光学无热化镜头，其特征在于，
所述负弯月型透镜的材料为锗，且所述负弯月型透镜的凸面镀硬膜，所述正弯月型透镜和所述正透镜的材料为硫系玻璃IG4或IG6。
5.根据权利要求1-3中任意一项所述的非制冷光学无热化镜头，其特征在于，所述光学系统的光学总长L和系统焦距f'之间满足条件：0.8f'≤L≤2f'。
6.根据权利要求1-3中任意一项所述的非制冷光学无热化镜头，其特征在于，
所述负弯月型透镜的凸面为球面或非球面，凹面为非球面或球面；
所述正弯月型透镜的凸面和凹面均为非球面或球面；
所述正透镜的两侧的表面为非球面或球面，且所述正透镜至少有一个非球面上带有衍射面。
7.根据权利要求1-3中任意一项所述的非制冷光学无热化镜头，其特征在于，
所述负弯月型透镜、所述正弯月型透镜和所述正透镜共用一个镜筒。
8.根据权利要求1-3中任意一项所述的非制冷光学无热化镜头，其特征在于，所述正弯月型透镜通过光阑进行固定。
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