CN107402435B - 一种用于全天候辅助驾驶的定焦红外镜头 - Google Patents

一种用于全天候辅助驾驶的定焦红外镜头 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于全天候辅助驾驶的定焦红外镜头，包括锗窗口透镜(1)、二元衍射面透镜(2)、负光焦度透镜(3)、硫系玻璃透镜(4)、锗保护窗口(5)、镜筒(6)；镜筒(6)为中空的漏斗形；镜筒(6)的直径大的一端自外而内依次安装有锗窗口透镜(1)、二元衍射面透镜(2)、负光焦度透镜(3)；镜筒(6)的直径小的一端，自外而内依次安装有锗保护窗口(5)和硫系玻璃透镜(4)。本发明的定焦红外镜头可通过工业标准接口连接到辅助驾驶系统中，使得辅助驾驶系统的程序装置体积小、重量轻、调校方便，易安装易更换。

Description

一种用于全天候辅助驾驶的定焦红外镜头
技术领域
本发明涉及镜头领域，尤其是一种用于全天候辅助驾驶的定焦红外镜头。
背景技术
全天候辅助驾驶，包括在雾霾、扬尘、水雾、昼夜等环境、气候条件下，为驾驶人员提供远视距的景物，并警示驾驶人员行车危险。随着国内车辆保有量的大幅提升和国内行车环境的复杂多变，夜晚低照度和雾霾、扬尘等低视距行车环境对交通安全形成巨大隐患。
目前全天候辅助驾驶系统使用的成像装置主要为红外调焦镜头，红外调焦镜头通过改变光学系统的焦距来平衡工作环境温度引入的像差，包括凸轮结构，调焦电机，电机驱动电路，具有以下不足:
1)体积大，质量重，电气系统复杂；
2)调校复杂，不利于大规模量产。
锗窗口：锗材料具有较宽的透光范围和可见光波段的不透光性，由锗材料研磨制造的滤光片。
硫系玻璃：含有一种或者多种除氧之外的氧组元素加上电负性较弱的元素而形成的非晶态材料的总称，由于具有较长的透红外截止波长(>15um)，被广泛应用于透红外材料。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于辅助驾驶系统的全天候红外物镜，用以解决现有红外物镜所存在的问题。
具体的，本发明的定焦红外镜头，包括锗窗口透镜、二元衍射面透镜、负光焦度透镜、硫系玻璃透镜、锗保护窗口、镜筒；
镜筒为中空的漏斗形；镜筒的直径大的一端自外而内依次安装有锗窗口透镜、二元衍射面透镜、负光焦度透镜；镜筒的直径小的一端，自外而内依次安装有锗保护窗口和硫系玻璃透镜。
进一步地，镜筒包括第一直筒段、圆台形连接段和第二直筒段；
第一直筒段的直径大于第二直筒段的直径；连接段两端分别连接第一直筒段和第二直筒段。
进一步地，锗窗口透镜安装于第一直筒段；二元衍射面透镜安装于第一直筒段和连接段的连接处；负光焦度透镜安装于连接段和第二直筒段的连接处；硫系玻璃透镜和锗保护窗口安装于第二直筒段。
进一步地，锗窗口透镜和二元衍射面透镜之间有隔圈一；负光焦度透镜和二元衍射面透镜之间固定有隔圈二；锗窗口透镜的外侧固定有压圈一；
硫系玻璃透镜和锗保护窗口之间有隔圈三；锗保护窗口的外侧固定有压圈二。
进一步地，镜头的第二直筒段有螺纹，通过该螺纹将镜筒安装于整机上；镜头的第二直筒段的外圆周上有环形凸起，环形凸起与整机之间安装有校正环，用于调节螺纹进入整机的长度。
进一步地，二元衍射面透镜、负光焦度透镜、硫系玻璃透镜的材质均为硫系玻璃.
进一步地，锗窗口透镜采用锗窗口，具有曲率和正光焦度，外侧面镀碳膜，内侧面镀增透膜。
进一步地，二元衍射面透镜的光热膨胀系数为：
Figure BDA0001332584130000031
式中，xf,d：光热膨胀系数，
Tg：基底材料热膨胀系数，
n0：衍射元件所处介质的折射率，
T：温度。
进一步地，负光焦度透镜具有负光焦度，与锗窗口透镜的间隔为11mm，与二元衍射面透镜的间隔为6.5mm。
本发明提供了一种一体式定焦无热化镜头，可通过工业标准接口连接到辅助驾驶系统中，使得辅助驾驶系统的程序装置体积小、重量轻、调校方便，易安装易更换。
附图说明
图1是本发明的一体式定焦无热化镜头组成示意图。
图中：1-锗窗口透镜、2-二元衍射面透镜、3-负光焦度透镜、4-硫系玻璃透镜、5-锗保护窗口、6-镜筒、7-压圈一、8-隔圈一、9-隔圈二、10-隔圈三、11-校正环、12-压圈二、13-像面。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供了一种用于全天候辅助驾驶的定焦红外镜头，如图1所示，包括锗窗口透镜1、二元衍射面透镜2、负光焦度透镜3、硫系玻璃透镜4、锗保护窗口5、镜筒6、压圈一7、隔圈一8、隔圈二9、隔圈三10、校正环11、压圈二12。
镜筒6为中空的漏斗形，左端直径大于右端，包括第一直筒段、圆台形连接段和第二直筒段，第一直筒段的直径大于第二直筒段的直径，圆台形连接段两端分别连接第一直筒段和第二直筒段。镜筒6的左端即直径大的一端，自外而内依次安装有锗窗口透镜1、二元衍射面透镜2、负光焦度透镜3。镜筒6的右端即直径小的一端，自外而内依次安装有锗保护窗口5和硫系玻璃透镜4。
具体的，锗窗口透镜1安装于第一直筒段，二元衍射面透镜2安装于第一直筒段和连接段的连接处，负光焦度透镜3安装于连接段和第二直筒段的连接处，硫系玻璃透镜4和锗保护窗口5安装于第二直筒段。
锗窗口透镜1和二元衍射面透镜2之间有隔圈一8，用于固定锗窗口透镜1和二元衍射面透镜2的位置，并保证二者之间的间隔。负光焦度透镜3和二元衍射面透镜2之间固定有隔圈二9，用于固定负光焦度透镜3和二元衍射面透镜2的位置，并保证二者之间的间隔。锗窗口透镜1的外侧即左侧固定有压圈一7，用于压紧锗窗口透镜1，起到锁紧作用。
硫系玻璃透镜4和锗保护窗口5之间有隔圈三10，用于固定硫系玻璃透镜4和锗保护窗口5的位置，并保证二者之间的间隔。锗保护窗口5的外侧即右侧固定有压圈二12，用于压紧锗保护窗口5，起到锁紧作用。
镜头6右端即第二直筒段末端有螺纹，可通过该螺纹将镜筒6安装于整机上。镜头6的第二直筒段的外圆周上有环形凸起，环形凸起与整机之间安装有校正环11，可更换不同宽度的校正环11，调节螺纹进入整机的长度，使得镜头6的像面13与整机探测面重合。
锗窗口透镜1采用锗窗口，具有曲率和正光焦度，并加镀碳膜和增透膜，锗窗口透镜1的外侧面即左侧面镀碳膜，内侧面即右侧面镀增透膜，起到偏折光线和保护镜头的作用，并分担了55％的系统光焦度，而且还增加了镜片表面的耐磨性和强度。可选的增透膜的增透率为98％。
二元衍射面透镜2的作用是衍射，光热膨胀系数为：
Figure BDA0001332584130000051
式中，xf,d：光热膨胀系数，
Tg：基底材料热膨胀系数，
n0：衍射元件所处介质的折射率，
T：温度。
由光热膨胀系数计算公式可知：二元衍射面透镜2具有正的光热膨胀系数，可以较好的校正折射元件因工作温度变化引入的像差，可在-50℃～60℃的温度范围内清晰成像，实现红外系统的无热化成像，有效简化红外光学系统，减小了系统体积，减轻了系统质量，降低了装配过程中的调校、安装难度。本实施例中，折射元件指的是锗窗口透镜1。
负光焦度透镜3为硫系玻璃，具有负光焦度，起到发散光线的作用，与锗窗口透镜1的间隔为11mm，与二元衍射面透镜2的间隔为6.5mm，可校正光学系统的场曲。
硫系玻璃透镜4为具有非球面的硫系材料，具有正的光焦度，放在光学系统的末端。
二元衍射面透镜2、负光焦度透镜3、硫系玻璃透镜4的材质均为硫系玻璃，硫系玻璃可适用于压膜成型工艺，从而提高批量生产的效率，降低生产成本。
二元衍射面透镜2、负光焦度透镜3、硫系玻璃透镜4均有曲率，但为非球面，非球面度的计算公式为：
Figure BDA0001332584130000052
其中，Z：面型矢高；
C：曲率；
r：镜片半口径，即为镜片口径的一半，镜片口径指的是镜片的直径；
k：锥面度，指的是锥面的锥度，本申请中为0；
a2、四次项系数；
a3、六次项系数；
a4：八次项系数。
在本申请中，二元衍射面透镜2的曲率C＝0.04246；a2＝-2.018×10-6；a3＝8.532×10-9；a4＝-6.185×10-11。负光焦度透镜3的曲率C＝0.04048，a2＝-4.639×10-5；a3＝-8.954×10-7；a4＝5.431×10-9。硫系玻璃透镜4的曲率C＝-0.01230，a2＝-2.607×10-5；a3＝2.135×10-7；a4＝7.038×10-10。
普通球面只有一个变量c，非球面能够为光学设计提供更多的自由度，提高光学系统对像差的平衡能力，从而可使红外物镜呈现锐利、清晰的图像。
锗窗口透镜1、二元衍射面透镜透镜2、负光焦度透镜3、硫系玻璃透镜4均镀有增透膜，能够使镜头具有很好的透过率，使镜头成像明亮。
安装时，从镜筒6的左侧依次安装负光焦度透镜3、隔圈二9、二元衍射面透镜2、隔圈一8、锗窗口透镜1、压圈一7，从镜筒6的右侧依次安装硫系玻璃透镜4、隔圈三10、锗保护窗口5、压圈二12，然后调节校正环11，将镜筒6安装于整机上，使镜头像面和探测器像面一致。
本发明所述红外镜头为一体式定焦无热化镜头，相对于传统的通过调焦来校正温差引起的光学系统像差的红外镜头，具有以下特点：
1)使用衍射面校正光学系统中因环境温度变化引入的像差，有效简化红外光学系统，减小了系统体积，减轻了系统质量，降低了装配过程中的调校、安装难度；
2)红外物镜中的透镜有3片采用了硫系玻璃，而硫系玻璃适用于压膜成型工艺，在大批量生产中，有效降低了生产成本；
3)该镜头为定焦镜头，通过选配不同厚度的校正环11，使镜头像面和探测器像面一致，使用过程中不需要进行焦距调节；
4)该镜头拍摄成像时其成像质量不受环境温度的影响，自身能进行有效补偿。
综上所述，本发明提供了一种用于全天候辅助驾驶的定焦红外镜头，可通过工业标准接口连接到辅助驾驶系统中，使得辅助驾驶系统的程序装置体积小、重量轻、调校方便，易安装易更换。

Claims (2)

1.一种用于全天候辅助驾驶的定焦红外镜头，其特征在于，包括锗窗口透镜(1)、二元衍射面透镜(2)、负光焦度透镜(3)、硫系玻璃透镜(4)、锗保护窗口(5)、镜筒(6)；
所述镜筒(6)为中空的漏斗形；所述镜筒(6)的直径大的一端自外而内依次安装有锗窗口透镜(1)、二元衍射面透镜(2)、负光焦度透镜(3)；所述镜筒(6)的直径小的一端，自外而内依次安装有锗保护窗口(5)和硫系玻璃透镜(4)；
所述红外镜头为一体式定焦无热化镜头；
所述二元衍射面透镜(2)、负光焦度透镜(3)、硫系玻璃透镜(4)的材质均为硫系玻璃；
所述二元衍射面透镜(2)具有正的光热膨胀系数，用于校正折射元件因工作温度变化引入的像差；
所述负光焦度透镜(3)具有负光焦度，与锗窗口透镜(1)的间隔为11mm，与二元衍射面透镜(2)的间隔为6.5mm；
所述镜头(6)的第二直筒段有螺纹，通过该螺纹将镜筒(6)安装于整机上；所述镜头(6)的第二直筒段的外圆周上有环形凸起，环形凸起与整机之间安装有校正环(11)，用于调节螺纹进入整机的长度；
所述锗窗口透镜(1)采用锗窗口，具有曲率和正光焦度，外侧面镀碳膜，内侧面镀增透膜；
二元衍射面透镜(2)、负光焦度透镜(3)、硫系玻璃透镜(4)均有曲率，但为非球面；二元衍射面透镜(2)的曲率C＝0.04246；a2＝-2.018×10-6；a3＝8.532×10-9；a4＝-6.185×10-11；负光焦度透镜(3)的曲率C＝0.04048，a2＝-4.639×10-5；a3＝-8.954×10-7；a4＝5.431×10-9；硫系玻璃透镜(4)的曲率C＝-0.01230，a2＝-2.607×10-5；a3＝2.135×10-7；a4＝7.038×10-10；
锗窗口透镜(1)、二元衍射面透镜透镜(2)、负光焦度透镜(3)、硫系玻璃透镜(4)均镀有增透膜；
所述镜筒(6)包括第一直筒段、圆台形连接段和第二直筒段；
所述第一直筒段的直径大于第二直筒段的直径；所述连接段两端分别连接第一直筒段和第二直筒段；
所述锗窗口透镜(1)安装于第一直筒段；所述二元衍射面透镜(2)安装于第一直筒段和连接段的连接处；所述负光焦度透镜(3)安装于连接段和第二直筒段的连接处；所述硫系玻璃透镜(4)和锗保护窗口(5)安装于第二直筒段；
所述锗窗口透镜(1)和二元衍射面透镜(2)之间有隔圈一(8)；所述负光焦度透镜(3)和二元衍射面透镜(2)之间固定有隔圈二(9)；所述锗窗口透镜(1)的外侧固定有压圈一(7)；
所述硫系玻璃透镜(4)和锗保护窗口(5)之间有隔圈三(10)；所述锗保护窗口(5)的外侧固定有压圈二(12)；
安装时，从镜筒6的左侧依次安装负光焦度透镜(3)、隔圈二(9)、二元衍射面透镜(2)、隔圈一(8)、锗窗口透镜(1)、压圈一(7)，从镜筒(6)的右侧依次安装硫系玻璃透镜(4)、隔圈三(10)、锗保护窗口(5)、压圈二(12)，然后调节校正环(11)，将镜筒(6)安装于整机上，使镜头像面和探测器像面一致。
2.根据权利要求1所述的镜头，其特征在于，所述二元衍射面透镜(2)的光热膨胀系数为：
Figure FDA0002673784990000021
式中，xf,d：光热膨胀系数，
Tg：基底材料热膨胀系数，
n0：衍射元件所处介质的折射率，
T：温度。
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