CN107357028B - 一种宽温度范围的光学无热化镜头 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种宽温度范围的光学无热化镜头，在‐80℃～+100℃温度范围内消除了热差的影响，像质均满足使用要求。该宽温度范围的光学无热化镜头包括依次设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜；所述第一透镜为双弯月正透镜，采用硫系材料，光焦度为正；第二透镜为双弯月负透镜，采用锗材料，光焦度为负；第三透镜为双弯月正透镜，采用锗材料，光焦度为正；第一透镜的焦距fA满足
Figure DDA0001341365980000011
第二透镜的焦距fB满足
Figure DDA0001341365980000012
第三透镜的焦距fC满足
Figure DDA0001341365980000013
第一透镜的右侧表面和第三透镜的左侧表面均为非球面，第二透镜的左侧表面为衍射面非球面，其余表面均为球面。

Description

一种宽温度范围的光学无热化镜头
技术领域
本发明涉及一种宽温度范围的光学无热化镜头。
背景技术
由于红外光学材料的折射率温度系数dn/dt相对可见光无色光学玻璃高两个数量级，例如，红外常用材料锗的dn/dt为3.96×10‐4，可见无色光学玻璃H‐K9L的dn/dt为3.6×10‐6，因此，当环境温度变化时，可见光玻璃镜头成像质量下降程度很小，而红外光学镜头的镜片曲率、厚度、间隔、镜体均会产生明显变化，导致成像质量严重下降。故一般采用三种消热差处理方法来解决上述问题。
第一种，机械被动式无热化，即通过结合不同热膨胀系数的机械材料配合，补偿由温度变化引起的像移量，其特点体积大。
第二种，机电主动式无热化，即通过移动调焦组移动补偿热差影响，其特点运动机构复杂。
第三种，光学被动式无热化，即通过光焦度、镜片和镜体自身特性合理匹配，实现消热差处理，其特点是无运动机构、结构紧凑、重量轻。
目前红外光学被动式无热化镜头一般工作温度范围为‐40℃～+60℃，但在特种环境条件下，将对温度范围要求更高。因此，为了应对特种环境，更宽温度范围的光学被动式无热化镜头势在必行。
发明内容
本发明的目的是满足超宽温度范围的前提下，提供一种光学被动式无热化的红外光学镜头。
本发明的技术方案是：
该宽温度范围的光学无热化镜头包括第一透镜A、第二透镜B和第三透镜C，光线从左到右依次经第一透镜A、第二透镜B、第三透镜C透射最终到达像面D；所述第一透镜A为双弯月正透镜，采用硫系材料，光焦度为正；第二透镜B为双弯月负透镜，采用锗材料，光焦度为负；第三透镜C为双弯月正透镜，采用锗材料，光焦度为正；所述宽温度范围的光学无热化镜头的焦距为f，第一透镜A焦距fA满足
Figure BDA0001341365960000011
第二透镜B的焦距fB满足
Figure BDA0001341365960000021
第三透镜C的焦距fC满足
Figure BDA0001341365960000022
进一步的，光学无热化镜头的六个工作表面中，第一透镜A的右侧表面S2和第三透镜C的左侧表面S5均为非球面，第二透镜B的左侧表面S3为衍射面非球面，其余表面均为球面。
进一步的，所述的宽温度范围的光学无热化镜头的第一透镜A、第二透镜B和第三透镜C均镀有高效增透膜。
进一步的，所述的宽温度范围的光学无热化镜头的F数范围是0.9～1.4，工作波段范围是8um～14um。
进一步的，第二透镜B和第三透镜C的材料优选单晶锗。
以上所谓“从左至右”、“左侧”、“右侧”等并非空间上的绝对位置限定，而只是为了方便描述和理解所作的相对位置关系的说明。
本发明的有益效果：
在设计当中，对像差、光焦度、玻璃材料、镜体等多方面考虑，最终所述宽温度范围的光学无热化镜头在‐80℃～+100℃温度范围内消除了热差的影响，像质均满足使用要求。
镜头像素数可达48万像素，更适用于高性能光电系统当中。
附图说明
图1本发明实施例一光学系统示意图。
图2本发明实施例一光学系统不同温度段MTF曲线图(温度分别为20℃、‐80℃和+100℃，MTF@30lp/mm)。
图3本发明实施例一光学系统场曲及畸变图。
图4本发明实施例二光学系统示意图。
图5本发明实施例二光学系统不同温度段MTF曲线图(温度分别为20℃、‐80℃和+100℃，MTF@30lp/mm)。
图6本发明实施例二光学系统场曲及畸变图。
图7本发明实施例三光学系统示意图。
图8本发明实施例三光学系统不同温度段MTF曲线图(温度分别为20℃、‐80℃和+100℃，MTF@30lp/mm)。
图9本发明实施例三光学系统场曲及畸变图。
具体实施方式
下面结合附图并举三个实施例对本发明做详细描述。
如图1、图4、图7所示，该宽温度范围的光学无热化镜头包括第一透镜A、第二透镜B和第三透镜C，光线从左到右依次经第一透镜A、第二透镜B、第三透镜C透射最终到达像面D；六个工作表面依次为S1、S2、S3、S4、S5、S6。
三个实施例的光学指标均为：
Figure BDA0001341365960000031
焦距：47mm
Figure BDA0001341365960000032
波长：8um‐14um
Figure BDA0001341365960000033
FNO：1.0
Figure BDA0001341365960000034
视场角：±10.25°
实施例一的镜头参数如下：
Figure BDA0001341365960000035
实施例一中，第一透镜A的焦距fA满足
Figure BDA0001341365960000036
第二透镜B的焦距fB满足
Figure BDA0001341365960000037
第三透镜C的焦距fC满足
Figure BDA0001341365960000038
实施例二的镜头参数如下：
Figure BDA0001341365960000039
Figure BDA0001341365960000041
实施例二中，第一透镜A的焦距fA满足
Figure BDA0001341365960000042
第二透镜B的焦距fB满足
Figure BDA0001341365960000043
第三透镜C的焦距fC满足
Figure BDA0001341365960000044
实施例三的镜头参数如下：
Figure BDA0001341365960000045
其中实施例三中，第一透镜A的焦距fA满足
Figure BDA0001341365960000046
第二透镜B的焦距fB满足
Figure BDA0001341365960000047
第三透镜C的焦距fC满足
Figure BDA0001341365960000048
非球面方程如下：
Figure BDA0001341365960000049
上式中，Z为非球面沿光轴方向在高度为Y位置时，距离非球面顶点的矢高，C0为透镜近轴曲率，K为圆锥系数，A、B、C、D、E为高次非球面系数。
该衍射面满足公式如下：
Figure BDA00013413659600000410
其中：ρ＝r/r1，r1是衍射面归划半径，Ci是衍射面相位系数。
表1为实施例一的非球面和衍射面参数。
表1实施例一中非球面和衍射面参数表
Figure BDA00013413659600000411
Figure BDA0001341365960000051
图2～图3为实施例一的光学性能曲线图。图2是实施例一在20℃、‐80℃和+100℃温度点的MTF曲线图，MTF(调制传递函数)是在一定空间频率下，实际像和理想像之间调制度之比相对空间频率的函数。MTF曲线横坐标为空间分辨率lp/mm，纵坐标是对比度(％)，曲线越高，表明成像质量越好。如图2所示，当温度为20℃、‐80℃和+100℃且空间频率为30lp/mm时，轴上MTF值均大于0.57，轴外MTF值均大于0.4，；图3为实施例一的场曲及畸变曲线图，其中场曲绝对值小于0.1，相对畸变绝对值小于0.5％，所以，由图2和图3可知，该镜头成像质量良好。
表2为实施例二的非球面和衍射面参数。
表2实施例二中非球面和衍射面参数表
表面 表面类型 A B C D E
S2 非球面 3.27E‐07 ‐4.17E‐10 2.02E‐12 ‐1.86E‐15 1.24E‐18
S3 衍射非球面 ‐1.13E‐06 ‐5.07E‐09 1.36E‐11 ‐2.98E‐14 3.655E‐17
S5 非球面 3.01E‐07 8.6E‐09 ‐3.74E‐11 8.96E‐14 ‐8.55E‐17
表面 表面类型 归划半径 C1 C2
S3 衍射非球面 19.8 ‐75.58 ‐9.66
图5～图6为相应实施例二的光学性能曲线图。图5是实施例二在20℃、‐80℃和+100℃温度点的MTF曲线图。当温度为20℃、‐80℃和+100℃且空间频率为30lp/mm时，轴上MTF值均大于0.56，轴外MTF值均大于0.3，；图6为实施例二的场曲及畸变曲线图，其中场曲绝对值小于0.1,相对畸变绝对值小于0.5％。所以，由图5和图6可知，该镜头成像质量良好。
表3为实施例三的非球面和衍射面参数。
表3实施例三中非球面和衍射面参数表
Figure BDA0001341365960000052
Figure BDA0001341365960000061
图8～图9为实施例三的光学性能曲线图。图8是实施例三在20℃、‐80℃和+100℃温度点的MTF曲线图，当温度为20℃、‐80℃和+100℃且空间频率为30lp/mm时，轴上MTF值均大于0.42，轴外MTF值均大于0.38；图9为实施例三的场曲及畸变曲线图，其中场曲绝对值小于0.2,相对畸变绝对值小于0.5％。所以，由图8和图9可知，该镜头成像质量良好。
从三个实施例可知，第一透镜A的焦距fA满足
Figure BDA0001341365960000062
第二透镜B的焦距fB满足
Figure BDA0001341365960000063
第三透镜C的焦距fC满足
Figure BDA0001341365960000064
均可满足成像要求。

Claims (5)

1.一种宽温度范围的光学无热化镜头，其特征在于：由第一透镜、第二透镜和第三透镜构成，光线从左到右依次经第一透镜、第二透镜、第三透镜透射最终到达像面；所述第一透镜为双弯月正透镜，采用硫系材料，光焦度为正；第二透镜为双弯月负透镜，采用锗材料，光焦度为负；第三透镜为双弯月正透镜，采用锗材料，光焦度为正；设所述宽温度范围的光学无热化镜头的焦距为f，则第一透镜的焦距fA满足
Figure FDA0003670208880000011
第二透镜的焦距fB满足
Figure FDA0003670208880000012
第三透镜的焦距fC满足
Figure FDA0003670208880000013
2.根据权利要求1所述的宽温度范围的光学无热化镜头，其特征在于：该宽温度范围的光学无热化镜头的六个工作表面中，第一透镜的右侧表面和第三透镜的左侧表面均为非球面，第二透镜的左侧表面为衍射面非球面，其余表面均为球面。
3.根据权利要求1所述的宽温度范围的光学无热化镜头，其特征在于：第一透镜、第二透镜和第三透镜均镀有高效增透膜。
4.根据权利要求1所述的宽温度范围的光学无热化镜头，其特征在于：该宽温度范围光学无热化镜头的F数范围是0.9～1.4，工作波段范围是8um～14um。
5.根据权利要求1所述的宽温度范围的光学无热化镜头，其特征在于：第二透镜和第三透镜的材料均为单晶锗。
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