CN106646823B - 一种高像素、高照度、低成本的红外热成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高像素、高照度、低成本的红外热成像系统，从物侧至像侧依次设置有：光阑(1)；第一镜片(2)，所述第一镜片(2)为球面镜片，且所述第一镜片(2)采用硫系玻璃材质；第二镜片(3),所述第二镜片(3)为非球面镜片，且所述第二镜片(3)采用硫化锌材质；第三镜片(4),所述第三镜片(4)为球面镜片；保护玻璃(5)；感光芯片(6)。本发明结构简单，成本低廉。
Description
【技术领域】
本发明涉及光学系统，尤其是一种高像素、高照度、低成本的红外热成像系统。
【背景技术】
目前车载系统所用的红外热成像镜头普遍存在这样的缺点:镜头热差大、成本高等，其一般使用晶体锗材质进行成像，这种材料价格较高，而且在加工非球面透镜时只能进行车削加工，加工成本高，从而导致红外热成像镜头成本较高。这种材料的折射率温度系数很大，热差大，需要使用机械消热差，这将会再次提高成本。
因此，本发明正是基于以上的不足而产生的。
【发明内容】
本发明要解决的技术问题是提供一种高像素、高照度、低成本的红外热成像系统，该成像系统像素高、照度高、成本低。
为解决上述技术问题，本发明采用了下述技术方案：一种高像素、高照度、低成本的红外热成像系统，其特征在于：从物侧至像侧依次设置有：
光阑；
第一透镜，所述第一透镜为球面透镜，且所述第一透镜采用硫系玻璃材质；
第二透镜,所述第二透镜为非球面透镜，且所述第二透镜采用硫化锌材质；
第三透镜,所述第三透镜为球面透镜；
保护玻璃；
感光芯片。
如上所述的高像素、高照度、低成本的红外热成像系统，其特征在于：所述第一透镜、第三透镜为正焦距透镜，所述第二透镜为负焦距透镜。
如上所述的高像素、高照度、低成本的红外热成像系统，其特征在于：所述第三透镜采用硫系玻璃材质。
如上所述的高像素、高照度、低成本的红外热成像系统，其特征在于：所述感光芯片为非制冷焦平面探测器，其像素尺寸为17μm×17μm，分辨率为640*480，对角线高度为13.6mm。
如上所述的高像素、高照度、低成本的红外热成像系统，其特征在于：所述第二透镜的非球面表面形状满足方程式：
上述方程式中参数c为半径所对应的曲率，y为径向坐标其单位和透镜长度单位相同，k为圆锥二次曲线系数；当k系数小于-1时，透镜的面形曲线为双曲线；当k系数等于-1时，透镜的面形曲线为抛物线；当k系数介于-1到0之间时，透镜的面形曲线为椭圆，当k系数等于0时，透镜的面形曲线为圆形，当k系数大于0时，透镜的面形曲线为扁圆形；α1至α8分别表示各径向坐标所对应的系数。
与现有技术相比，本发明的一种高像素、高照度、低成本的红外热成像系统，达到了如下效果：
1、现有高像素热成像镜头普遍采用锗材料的非球面和机械消热差方法，本发明的第一透镜和第三透镜采用低价的硫系玻璃材质，第二透镜采用硫化锌材质的非球面透镜，硫化锌材料的非球面可以进行精密模压，加工效率高，成本低廉；
2、本发明采用的硫系玻璃的折射率温度系数是锗晶体材料的十分之一，所以使用硫系玻璃系统的解像随温度变化较小，从而实现解像力稳定，降低结构的复杂性和成本；
3、本发明的透镜采用宽光谱7.5微米到14微米，1:1:1:1设计,在远红外光波段有极好的图像锐利度，整个画面都能清晰成像，且硫化锌透镜具有显著的调制传递函数性质，使成像细节更加清晰；
4、本发明结构简单，成本低廉，适合推广应用。
【附图说明】
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明，其中：
图1为本发明示意图。
附图说明：1、光阑；2、第一透镜；3、第二透镜；4、第三透镜；5、保护玻璃；6、感光芯片。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明的实施方式作详细说明。
如图1所示，一种高像素、高照度、低成本的红外热成像系统，从物侧至像侧依次设置有：
光阑1；
第一透镜2，所述第一透镜2为球面透镜，且所述第一透镜2采用硫系玻璃材质；
第二透镜3,所述第二透镜3为非球面透镜，且所述第二透镜3采用硫化锌材质；
第三透镜4,所述第三透镜4为球面透镜；
保护玻璃5；
感光芯片6。
第一透镜2采用硫系玻璃材质，硫系玻璃的折射率温度系数是锗晶体材料的十分之一，所以使用硫系玻璃系统的解像随温度变化较小，从而实现解像力稳定，降低结构的复杂性和成本；第二透镜3采用硫化锌材质的非球面透镜，硫化锌材料的非球面可以进行精密模压，加工效率高，成本低廉，并且硫化锌材质的透镜具有显著的调制传递函数性质，使成像细节更加清晰。
如图1所示，在本实施例中，所述第一透镜2、第三透镜4为正焦距透镜，所述第二透镜3为负焦距透镜；合理的分配第一透镜1、第二透镜2和第三透镜3的焦距，并依据焦距选择合适的折射率材料，从而达到高效率的材料搭配。
如图1所示，在本实施例中，所述第三透镜4采用硫系玻璃材质，加工效率高，成本低廉。
如图1所示，在本实施例中，感光芯片6为非制冷焦平面探测器，其像素尺寸为17μm×17μm，分辨率为640*480，对角线高度为13.6mm。
如图1所示，在本实施例中，第二透镜3的非球面表面形状满足方程式：
上述方程式中参数c为半径所对应的曲率，y为径向坐标其单位和透镜长度单位相同，k为圆锥二次曲线系数；当k系数小于-1时，透镜的面形曲线为双曲线；当k系数等于-1时，透镜的面形曲线为抛物线；当k系数介于-1到0之间时，透镜的面形曲线为椭圆，当k系数等于0时，透镜的面形曲线为圆形，当k系数大于0时，透镜的面形曲线为扁圆形；α1至α8分别表示各径向坐标所对应的系数。
合理的分配第一透镜1、第二透镜2和第三透镜3的焦距，并依据焦距选择合适的折射率材料，从而达到高效率的材料搭配；并且，采用非球面矫正了红外色差的缺陷；另外，在光学系统设计时考虑提升中心解像力的同时对像差进行校正，从而使周边视场的画质均匀。
在光学系统设计时，通过减少渐晕，甚至不设渐晕来保证边缘尽可能多的光线到达感光芯片6，而且通过控制边缘光线的折射角度，从而减小光线的损失，从而达到高照度的要求。
本发明采用低价的硫系玻璃和硫化锌材质，以往的红外热成像系统多使用锗材料，锗材料价格较高且这种材料的非球面必须进行车削加工。本发明的第二透镜使用了硫化锌非球面，硫化锌材料的非球面可以进行精密模压，从而使加工成本降低，提高加工效率高，成本低廉，避免了传统非球面透镜采用锗材质需要车削加工而带来的高成本问题，从而使该系统的成本降低。
下表为本发明实际设计案例的参数：
如上表格之中，S2，S3对应第一透镜2的两个面，S4，S5对应第二透镜3的两个面，S6，S7对应第三透镜4的两个面，S8，S9对应保护玻璃5的两个面。
下表是第二透镜3的曲面参数：
| k | a<sub>2</sub> | a<sub>3</sub> | a<sub>4</sub> | a<sub>5</sub> | a<sub>6</sub> | a<sub>7</sub> | a<sub>8</sub> | |
| S4 | -0.903 | 1.082E-4 | -8.824E-6 | -2.281E-7 | 6.034E-9 | -1.231E-10 | 1.382E-12 | -6.621E-15 |
| S5 | -11.54 | -4.230E-4 | 1.472E-5 | -2.136E-7 | 2.523E-9 | -2.504E-11 | 2.752E-13 | -1.795E-15 |
Claims (3)
1.一种高像素、高照度、低成本的红外热成像系统，其特征在于：从物侧至像侧依次设置为：
光阑(1)；
第一透镜(2)，所述第一透镜(2)为球面透镜，且所述第一透镜(2)采用硫系玻璃材质；
第二透镜(3),所述第二透镜(3)为非球面透镜，且所述第二透镜(3)采用硫化锌材质；
第三透镜(4),所述第三透镜(4)为球面透镜；
保护玻璃(5)；
感光芯片(6)；
所述第一透镜(2)、第三透镜(4)为正焦距透镜，所述第二透镜(3)为负焦距透镜，所述第三透镜(4)采用硫系玻璃材质，具有光焦度的透镜只有三片。
2.根据权利要求1所述的高像素、高照度、低成本的红外热成像系统，其特征在于：所述感光芯片(6)为非制冷焦平面探测器，其像素尺寸为17μm×17μm，分辨率为640*480，对角线高度为13.6mm。
3.根据权利要求1所述的高像素、高照度、低成本的红外热成像系统，其特征在于：所述第二透镜(3)的非球面表面形状满足方程式：
上述方程式中参数c为半径所对应的曲率，y为径向坐标其单位和透镜长度单位相同，k为圆锥二次曲线系数；当k系数小于-1时，透镜的面形曲线为双曲线；当k系数等于-1时，透镜的面形曲线为抛物线；当k系数介于-1到0之间时，透镜的面形曲线为椭圆，当k系数等于0时，透镜的面形曲线为圆形，当k系数大于0时，透镜的面形曲线为扁圆形；α1至α8分别表示各径向坐标所对应的系数。
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