CN107144946A - 一种大口径消热差长波红外镜头 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种大口径消热差长波红外镜头，沿光轴从物方至像方顺次配置有第一透镜组、第二透镜组，所述第一透镜组为凸面朝向物方侧的具有负屈光力的弯月形透镜，所述第二透镜组为凸面朝向像方侧的具有正屈光力的弯月形透镜。所述镜头满足条件式1×10‑5<dn1/dt‑dn2/dt<1×10‑4，其中dn1/dt为所述第一透镜材料的折射率温度系数，dn2/dt为所述第二透镜材料的折射率温度系数。该发明所起到的效果是：既满足透镜数少、透过率高的要求，又能在宽温度范围内实现系统被动消热差特性满足成像质量要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种大口径消热差长波红外镜头，尤其是一种在宽温度范围内具有光学被动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红外镜头。
背景技术
长波非制冷型热像仪由于具有结构紧凑、功耗小、成本低等优点，广泛应用于车载、安防等领域。但是由于非制冷型热像仪的热敏感度低，要求红外镜头具有口径大，透过率高的特点。然而红外晶体材料的吸收率和反射率都高于普通玻璃材料，因此随着透镜数的增加，长波红外系统的透过率会大幅度降低，影响成像质量。在现有公开技术中，一般长波红外镜头采用3片到5片透镜方案，如文献1(CN 103852863A)和文献2(CN 103809271B)所公开的红外光学镜头中，由于分别采用3片和5片红外晶体材料所构成，因而不利于获得明亮的图像。
另一方面，长波红外镜头由于用途特殊，需要经受非常大的环境温度变化。当环境温度从-40℃到+60℃变化中，由于光学、机械材料的热胀冷缩以及光学材料的温度折射系数变化使透镜屈光力发生变化，产生离焦，使成像质量劣化。例如文献3(CN 104459949A)中虽然采用2片透镜设计了大口径长波红外镜头，但是由于没有考虑到温度变化所造成的像质劣化，因此不适用于宽温度范围的环境使用。因此需要一种长波红外镜头，在设计时采用消热差技术使其在宽温度范围内工作时不发生像面漂移，保证良好的成像质量。
发明内容
本发明中，为了解决上述长波红外镜头中存在的问题点，其目的在于提供一种大口径长波红外镜头，既满足透镜数少，透过率高，又能在宽温度范围内实现系统被动消热差特性满足成像质量要求。
为了解决上述课题且达到目的，本发明的大口径消热差长波红外镜头，从物体侧起顺次配置如下光学元件：第一透镜组、第二透镜组，所述第一透镜组为凸面朝向物方侧的具有负屈光力的弯月形透镜，所述第二透镜组为凸面朝向像方侧的具有正屈光力的弯月形透镜，所述镜头满足下述条件式
1×10-5<dn1/dt-dn2/dt<1×10-4 (1)
其中，dn1/dt为所述第一透镜材料的折射率温度系数，dn2/dt为所述第二透镜材料的折射率温度系数。
条件式(1)是用于使整个镜头在温度变化时，第一透镜和第二透镜的屈光力在一定范围内变化。当小于条件(1)的下限时，第一透镜和第二透镜屈光力的变化差值过小，不利于校正由机械间隔变化而引起的像面偏移。当大于条件式(1)的上限时，则会造成第一透镜和第二透镜的屈光力变化过大，产生球差和慧差造成整个系统的成像性能低下。
优选地，所述第一透镜组满足下述条件式
-50<α1-dn1/dt/(n1-1)<5 (2)
其中，α1为所述第一透镜材料的热膨胀系数，n1为所述第一透镜材料的折射率。
条件式(2)是用于使第一透镜组在温度变化时，像面在一定范围内移动。当小于条件式(2)的下限时，像面位置的前移量太大，造成整个系统的成像性能低下。当大于条件式(2)的上限时，像面位置后移无法补偿机械结构所引起的像面移动，造成整个系统的成像性能低下。
优选地，本发明的大口径消热差长波红外镜头满足第一透镜组和第二透镜组采用硫系玻璃材料。
硫系玻璃的折射率温度系数远远小于锗等红外材料，因此利用硫系玻璃能够有效抑制由温差变化所引起的像面移动。
优选地，所述第一透镜组的焦距和光学系统的焦距满足下述条件式
-4<f1/f<-1 (3)
其中，f1为所述第一透镜组的焦距，f为整个光学系统的焦距。
条件式(3)是用于使整个镜头的尺寸小型化的条件。当小于条件式(3)的下限时，由于第一透镜组的屈光力过小，造成整个系统尺寸过大。当大于条件式(3)的上限时，由于第一透镜组的屈光力过大，产生的球差难以校正，造成整个系统的成像性能低下。
优选地，所述第一透镜组靠近像侧面和所述第二透镜组靠近物侧面含有衍射面结构。
衍射面结构不仅能够校正色差和二级光谱，也能够减轻温度所引起的焦点变化，因为在透镜面上设置衍射面结构能够更好地获得画质良好的长波红外图像。
根据本发明所起到的效果是：提供一种大口径消热差长波红外镜头，在宽温度范围内能够无需调焦满足高质量成像，具有镜片数量少，结构简单，透过率高的优点。另一方面，硫系玻璃在大批量生产中可以采用精密模压，非球面和衍射面结构的加工难度大为降低，可以减轻镜头加工成本，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例1的沿光轴的剖面图。
图2是本发明实施例1的诸像差图。
图3是本发明实施例1在20℃的光学传递函数曲线图。
图4是本发明实施例1在-40℃的光学传递函数曲线图。
图5是本发明实施例1在60℃的光学传递函数曲线图。
图6是本发明实施例2的沿光轴的剖面图。
图7是本发明实施例2的诸像差图。
图8是本发明实施例2在20℃的光学传递函数曲线图。
图9是本发明实施例2在-40℃的光学传递函数曲线图。
图10是本发明实施例2在60℃的光学传递函数曲线图。
图11是本发明实施例3的沿光轴的剖面图。
图12是本发明实施例3的诸像差图。
图13是本发明实施例3在20℃的光学传递函数曲线图。
图14是本发明实施例3在-40℃的光学传递函数曲线图。
图15是本发明实施例3在60℃的光学传递函数曲线图。
图16是本发明实施例4的沿光轴的剖面图。
图17是本发明实施例4的诸像差图。
图18是本发明实施例4在20℃的光学传递函数曲线图。
图19是本发明实施例4在-40℃的光学传递函数曲线图。
图20是本发明实施例4在60℃的光学传递函数曲线图。
符号说明：
G11G21G31G41第一透镜组；
G12G22G32G42第二透镜组；
IMG成像面；
ST孔径光阑。
具体实施方式
以下，基于附图详细说明本发明的大口径消热差长波红外镜头的实施例。在透镜数据中，折射率及焦距为在波长10μm下的值。其中，光学镜头相关数值中，长度的单位为mm时，将省略示出其单位。
实施例1
图1所示为本发明实施例1沿光轴的剖面图。该镜头从物体侧顺次配置有具有负屈光力的第一透镜G11、位于第一透镜像侧的孔径光阑ST，具有正屈光力的第二透镜G12，以及成像面IMG。
表1列出了本发明实施例1的具体透镜数据。表1所示的透镜数据如下：在各透镜的每个面编号(Si)均列出各透镜的类型、曲率半径(Ri)、面间隔(Di)，折射率，有效半径。另外，若透镜面为非球面时，在面型一栏内填入“ASP”,若透镜面为衍射结构面时，在面型一栏内填入“DOE”。此外，这些事项在表4，表7，表10中也同样。
以下，示出关于实施例1的长波红外镜头的各种数值数据。
表1光学系统的基本数据
| 面编号 | 类型 | 曲率半径 | 间隔 | 材料折射率 | 有效半径 |
| 1 | ASP | 42.850 | 2.8 | 2.49651 | 5.784 |
| 2 | ASP，DOE | 17.419 | 3.285 | 4.321 | |
| 3 | ST | INF | 6.55 | 4.965 | |
| 4 | ASP，DOE | -60.2880 | 6 | 2.60887 | 11.711 |
| 5 | ASP | -14.257 | 5 | 10.846 | |
| 6 | INF | 11.365 | 7.932 | ||
| 7 | IMG | 4.5 |
对于表1中所示的非球面，表2示出具体非球面数据。非球面形状的表达式用下面的方程式表示，其中，垂直于光轴的高度为H，以透镜面顶部为原点时高度H在光轴方向的矢位量为X(H)，面顶部曲率半径为R，圆锥系数为K，A,B,C,D,E为高次非球面系数。此外，这些事项在表5，表8，表11中也同样。
表2非球面数据
| 面编号 | K | B | C | D | E |
| 1 | +0.0 | +5.8075E-04 | -1.3271E-06 | -3.2958E-08 | +8.5009E-10 |
| 2 | +11.437 | +7.3476E-04 | +1.3398E-05 | -3.7443E-07 | +6.0696E-09 |
| 4 | +0.0 | -4.9123E-05 | -1.6440E-09 | +8.7797E-10 | -2.3638E-12 |
| 5 | -1.370 | -4.3098E-05 | -9.7202E-08 | -5.6039E-11 | -4.2441E-13 |
对于表1中所示的衍射面，表3示出具体衍射面数据。衍射面结构是，根据光程差函数φ(H)的分布，每当光程差为设计波长λ的2π整数倍时，在基板面形成剖面为锯齿状的环形光阑面。因此，将衍射面的形状通过下述光程差函数φ(H)和相对于附加衍射光学元见面的基准面的切削量(dZ)的方程式来定义。其中，C1～C5为衍射面系数，n为基板的折射率。对于表1所示的衍射结构面，表3列出其衍射系数。此外，这些事项在表6，表9、表12页同样。
表3衍射面数据
| 面编号 | C1 | C2 | C3 | C4 | C5 |
| 2 | +0.0007 | +6.76589E-05 | -1.26945E-05 | +9.47837E-07 | -2.24955E-08 |
| 4 | -0.0009 | +1.20955E-06 | -1.19007E-08 | +1.50644E-10 | -5.29248E-13 |
实施例2
图6所示为本发明实施例2沿光轴的剖面图。该镜头从物体侧顺次配置有具有负屈光力的第一透镜G21、位于第一透镜像侧的孔径光阑ST，具有正屈光力的第二透镜G22，以及成像面IMG。
表4列出了本发明实施例2的具体透镜数据，表5列出非球面系数，表6列出衍射面系数。。
以下，示出关于实施例2的长波红外镜头的各种数值数据。
表4光学系统的基本数据
| 面编号 | 类型 | 曲率半径 | 间隔 | 材料折射率 | 有效半径 |
| 1 | ASP | 9.604 | 2.80 | 2.778 | 7.491 |
| 2 | ASP，DOE | 6.974 | 4.747 | 6.323 | |
| 3 | ST | INF | 2.239 | 6.256 | |
| 4 | ASP，DOE | 906.1194 | 9.258 | 2.6090 | 8.034 |
| 5 | ASP | -19.786 | 5 | 10.140 | |
| 6 | INF | 10.957 | 7.747 | ||
| 7 | IMG | 4.5 |
表5非球面数据
| 面编号 | K | B | C | D | E |
| 1 | +1.0000 | -1.08930E-04 | -1.64362E-06 | -3.51570E-08 | -1.44863E-11 |
| 2 | -0.5583 | +3.58933E-04 | -3.64403E-06 | -1.47535E-07 | +1.82643E-09 |
| 4 | +1.0000 | -5.22981E-05 | -2.19173E-07 | +6.97727E-10 | -8.83749E-12 |
| 5 | -0.5817 | -4.24073E-05 | -5.48258E-08 | -2.36760E-10 | -8.53447E-13 |
表6衍射面数据
| 面编号 | C1 | C2 | C3 | C4 | C5 |
| 2 | +0.0004 | -1.12662E-05 | +1.22851E-06 | -3.68934E-08 | +3.80916E-10 |
| 4 | -0.0009 | +7.47619E-07 | -1.25142E-07 | +2.34275E-09 | -1.47419E-11 |
实施例3
图11所示为本发明实施例3沿光轴的剖面图。该镜头从物体侧顺次配置有具有负屈光力的第一透镜G31、位于第一透镜像侧的孔径光阑ST，具有正屈光力的第二透镜G32，以及成像面IMG。
表7列出了本发明实施例3的具体透镜数据，表8列出非球面系数，表9列出衍射面系数。。
以下，示出关于实施例3的长波红外镜头的各种数值数据。
表7光学系统的基本数据
| 面编号 | 类型 | 曲率半径 | 间隔 | 材料折射率 | 有效半径 |
| 1 | ASP | 9.874 | 2.80 | 2.7867 | 7.278 |
| 2 | ASP，DOE | 7.246 | 4.656 | 6.294 | |
| 3 | ST | INF | 2.344 | 6.208 | |
| 4 | ASP，DOE | -338.3899 | 9.179 | 2.778 | 7.574 |
| 5 | ASP | -20.694 | 5 | 10.052 | |
| 6 | INF | 11.021 | 7.538 | ||
| 7 | IMG | 4.5 |
表8非球面数据
| 面编号 | K | B | C | D | E |
| 1 | +1.0000 | -9.51287E-05 | -1.42803E-06 | -3.40230E-08 | +9.16346E-13 |
| 2 | -0.6279 | +3.66325E-04 | -3.26837E-06 | -1.38851E-07 | +1.61113E-09 |
| 4 | +1.0000 | -5.19241E-05 | -2.20892E-07 | +6.99638E-10 | -8.13926E-12 |
| 5 | -0.6427 | -4.21188E-05 | -4.65496E-08 | -2.36610E-10 | -5.26118E-13 |
表9衍射面数据
| 面编号 | C1 | C2 | C3 | C4 | C5 |
| 2 | +0.0004 | -1.26783E-05 | +1.29773E-06 | -3.87636E-08 | +4.01265E-10 |
| 4 | -0.0010 | +1.11002E-06 | -1.55068E-07 | +2.86278E-09 | -1.81231E-11 |
实施例4
图16所示为本发明实施例4沿光轴的剖面图。该镜头从物体侧顺次配置有具有负屈光力的第一透镜G41、位于第一透镜像侧的孔径光阑ST，具有正屈光力的第二透镜G42，以及成像面IMG。
表10列出了本发明实施例4的具体透镜数据，表11列出非球面系数，表12列出衍射面系数。
接着，表13示出了实施例1～4中整个系统的焦距f，上述条件式(1)～(3)的值
表10光学系统的基本数据
| 面编号 | 类型 | 曲率半径 | 间隔 | 材料折射率 | 有效半径 |
| 1 | ASP | 9.679 | 2.80 | 2.603 | 7.278 |
| 2 | ASP，DOE | 6.941 | 4.625 | 6.294 | |
| 3 | ST | INF | 2.791 | 6.208 | |
| 4 | ASP，DOE | -351.7849 | 9.169 | 2.7780 | 7.574 |
| 5 | ASP | -19.859 | 5 | 10.052 | |
| 6 | INF | 10.615 | 7.538 | ||
| 7 | IMG | 4.5 |
表11非球面数据
| 面编号 | K | B | C | D | E |
| 1 | +1.0000 | -1.07213E-04 | -1.60854E-06 | -3.55677E-08 | -2.88459E-12 |
| 2 | -0.5403 | +3.82537E-04 | -3.08296E-06 | -1.41118E-07 | +1.67223E-09 |
| 4 | +1.0000 | -6.12634E-05 | -2.55777E-07 | +2.18099E-10 | +4.86225E-12 |
| 5 | -0.5297 | -4.34703E-05 | -4.96126E-08 | -2.59862E-10 | +7.68089E-14 |
表12衍射面数据
| 面编号 | C1 | C2 | C3 | C4 | C5 |
| 2 | +0.0004 | -9.98934E-06 | +1.38309E-06 | -4.69471E-08 | +5.72929E-10 |
| 4 | -0.0010 | +2.63072E-06 | -1.97163E-07 | +3.26230E-09 | -1.82534E-11 |
表13条件式数据
| 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | |
| 焦距f | 10.0 | 15.32 | 15.26 | 14.21 |
| 条件式(1) | 4.74E-05 | 1.23E-05 | 7.06E-05 | 2.70E-05 |
| 条件式(2) | -31.40 | 2.67 | -44.48 | -22.99 |
| 条件式(3) | -2.04 | -3.05 | -3.05 | -2.82 |
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，上述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 (5)
1.一种大口径消热差长波红外镜头，其特征在于，从物方侧起顺次配置如下光学元件：第一透镜组、第二透镜组，所述第一透镜组为凸面朝向物方侧的具有负屈光力的弯月形透镜，所述第二透镜组为凸面朝向像方侧的具有正屈光力的弯月形透镜，所述第一透镜组、第二透镜组满足下述条件式：
1×10-5<dn1/dt-dn2/dt<1×10-4 (1)
其中，dn1/dt为所述第一透镜组材料的折射率温度系数，dn2/dt为所述第二透镜组材料的折射率温度系数。
2.根据权利要求1所述的大口径消热差长波红外镜头，其特征在于,所述第一透镜组满足下述条件式
-50<α1-dn1/dt/(n1-1)<5 (2)
其中，α1为所述第一透镜组材料的热膨胀系数，n1为所述第一透镜组材料的折射率。
3.根据权利要求1所述的大口径消热差长波红外镜头，其特征在于，所述第一透镜组和第二透镜组采用硫系玻璃材料。
4.根据权利要求1所述的大口径消热差长波红外镜头，其特征在于,所述第一透镜组的焦距和光学系统的焦距满足下述条件式
-4<f1/f<-1 (3)
其中，f1为所述第一透镜组的焦距，f为整个光学系统的焦距。
5.根据权利要求1所述的大口径消热差长波红外镜头，其特征在于，所述第一透镜组靠近像方侧面和所述第二透镜组靠近物侧面含有衍射面结构。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112965224A (zh) * | 2021-01-12 | 2021-06-15 | 天津欧菲光电有限公司 | 光学系统、取像模组及电子设备 |
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- 2017-05-27 CN CN201710388104.8A patent/CN107144946A/zh active Pending
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