CN114252982A - 焦距35mm的消热差红外镜头及其装配方法、成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种焦距35mm消热差红外镜头及其装配方法、成像方法。所述镜头包括镜筒、以及在镜筒内沿光线传输方向从左到右依次设置的第一弯月透镜、第二弯月透镜、第三弯月透镜、第四双凸透镜;所述第一弯月透镜、第二弯月透镜、第三弯月透镜的凸面均朝向物方;第一弯月透镜、第二弯月透镜、第三弯月透镜的光焦度分别为正、负、负。本发明消热差红外镜头应用了光学被动式补偿技术,使得镜头能在宽温度波动的工作环境中,保持成像的一致性。通过合理的光焦度配比、透镜材料,仅采用四片式透镜结构,即可达到良好的光学被动消热差效果,在8‑12μm波段、‑40℃至80℃的温度范围内,均具有良好的成像效果,尤其适用于1280x1024 12μm型探测器。
Description
技术领域
本发明属于光学镜头技术领域,涉及一种焦距35mm的消热差红外镜头及其装配方法、成像方法。
背景技术
随着科学技术的发展,红外成像技术已广泛应用在国防、工业、医疗等领域。红外探测具有一定的穿透烟、雾、霾、雪等能力以及识别伪装的能力,不受战场强光、闪光干扰而致盲,可以实现远距离,全天候观察,尤其适用于夜间及不良气象条件下的目标探测。但是,在红外成像的应用中,外界环境的温度会对镜头材料的折射率造成影响,也会对镜筒材料造成热胀冷缩,致使光焦度变化和最佳像面发生偏移,图像模糊不清,对比度下降,光学成像质量下降,最终影响镜头的成像性能。因此红外光学系统在宽温度范围内工作时同时要求不发生像面漂移,必须采用消热差技术使光学系统在一个较大的范围内均具有良好的成像质量。
光学消热差技术主要包括:机电主动式,机械被动式以及光学被动式。前两种方式会使系统复杂化、体积增大、重量增加。光学被动式为了获得更宽范围的工作温度,往往其镜片数量众多,结构复杂,或者会引入衍射面而致使光学系统透过率下降明显。
MTF:Modulation Transfer Function(调制传递函数),是一种分析镜头的解像比较科学的方法。
发明内容
为解决现有技术中上述问题,本发明提出了一种消热差红外镜头,能有效克服外界温度波动导致成像性能差的问题,满足宽工作温度范围的同时,镜片数量较少,结构简洁。具体技术方案如下。
一种焦距35mm的消热差红外镜头,镜头包括镜筒、以及在镜筒内沿光线传输方向从左到右依次设置的第一弯月透镜、第二弯月透镜、第三弯月透镜、第四双凸透镜;所述第一弯月透镜、第二弯月透镜、第三弯月透镜的凸面均朝向物方;所述第一弯月透镜、第二弯月透镜、第三弯月透镜的光焦度分别为正、负、负。
优选地,第一弯月透镜、第二弯月透镜、第三弯月透镜、第四双凸透镜均不包含衍射面。
优选地,所述第一弯月透镜、第二弯月透镜、第四双凸透镜的材料均采用硫系玻璃,所述第三弯月透镜的材料为硒化锌。
优选地,所述第一弯月透镜的光线出射侧为非球面,第二弯月透镜的光线出射侧为非球面,第三弯月透镜的光线出射侧为非球面,所述第四双凸透镜的光线出射侧为非球面,并满足公式:
式中,Z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时,距非球面顶点的距离矢高;c=1/R;R为镜面的近轴曲率拟合半径;k为圆锥系数;A、B、C、D、E为高次非球面系数。
优选地,所述第一弯月透镜和第二弯月透镜之间的空气间隔为2mm,所述第二弯月透镜和第三弯月透镜之间的空气间隔为2.22mm,所述第三弯月透镜和第四双凸透镜之间的空气间隔为11mm。
优选地,所述第一弯月透镜的中心厚度为7.5mm,所述第二弯月透镜的中心厚度为3.3mm,所述第三弯月透镜的中心厚度为4mm,所述第四双凸透镜的中心厚度为6.5mm。
优选地,所述第一弯月透镜沿光线传输方向的光线入射侧拟合曲率半径为28.28mm,光线出射侧拟合曲率半径为73.48mm;所述第二弯月透镜沿光线传输方向的光线入射侧拟合曲率半径为54mm,光线出射侧拟合曲率半径为32.65mm;所述第三弯月透镜沿光线传输方向的光线入射侧拟合曲率半径为42.73mm,光线出射侧拟合曲率半径为18.73mm;所述第四双凸透镜沿光线传输方向的光线入射侧拟合曲率半径为104.36mm,光线出射侧拟合曲率半径为-64.63mm。
优选地,在所述第一弯月透镜的光线入射侧,镜筒的内周面设置有第一压圈,第一弯月透镜与镜筒的内周面之间设置有O型圈;在所述第二弯月透镜的光线入射侧,第二弯月透镜与镜筒的内周面之间设置有第二压圈;在所述第二弯月透镜与第三弯月透镜之间,镜筒内周面设有定位第二弯月透镜和第三弯月透镜的环形台阶;在所述第三弯月透镜和第四双凸透镜之间设置有隔圈;在所述第四双凸透镜的光线出射侧,第四双凸透镜与镜筒内周面之间设有第三压圈。
本发明的另一目的在于提供一种焦距35mm的消热差红外镜头装配方法,应用了上述焦距35mm的消热差红外镜头,包括以下步骤:将第四双凸透镜、第三弯月透镜、第二弯月透镜、第一弯月透镜装入镜筒内腔;在所述第一弯月透镜的光线入射侧,镜筒的内周面上设置第一压圈和O型圈以固定第一弯月透镜;在所述第二弯月透镜的光线入射侧,第二弯月透镜与镜筒的内周面之间设置第二压圈以固定第二弯月透镜;在所述第三弯月透镜和第四双凸透镜之间设置隔圈,以限位第三弯月透镜;在所述第四双凸透镜的光线出射侧,第四双凸透镜与镜筒内周面之间设置第三压圈以固定第四双凸透镜。
本发明的再一目的在于提供一种成像方法,应用了上述焦距35mm的消热差红外镜头,光线从左至右依次通过第一弯月透镜、第二弯月透镜、第三弯月透镜、第四双凸透镜后进行成像。
相对于现有技术,本发明的有益效果:
本发明提供的焦距35mm的消热差红外镜头应用了光学被动式补偿技术,使得镜头能在宽温度波动的工作环境中,保持成像的一致性。通过合理的光焦度配比、透镜材料,仅采用四片式透镜结构,即可达到良好的光学被动消热差效果,在8-12微米波段、-40℃至80℃的温度范围内,均具有良好的成像效果,尤其适用于1280x1024 12μm型探测器。且透镜均不包含衍射面,保证了光学系统具有良好的透过率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明具体实施方式中35mm消热差红外镜头的镜片组成图;
图2为本发明具体实施方式中35mm消热差红外镜头的镜头立体剖面图;
图3为本发明具体实施方式中35mm消热差红外镜头的镜头剖面尺寸图;
图4为本发明具体实施方式中35mm消热差红外镜头在20℃工作环境的MTF图;
图5为本发明具体实施方式中35mm消热差红外镜头在-40℃工作环境的MTF图;
图6为本发明具体实施方式中35mm消热差红外镜头在80℃工作环境的MTF图。
1.镜筒,2.第一压圈,3.O型圈,4.第一弯月透镜,5.第二压圈,6.第二弯月透镜,7.第三弯月透镜,8.隔圈,9.第四双凸透镜,10.第四压圈,11.保护用锗窗口。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本实施例提供一种焦距35mm消热差红外镜头。如图1至图3所示,镜头包括镜筒1、以及在镜筒1内沿光线传输方向从左到右依次设置的第一弯月透镜4、第二弯月透镜6、第三弯月透镜7、第四双凸透镜9。其中第一弯月透镜4、第二弯月透镜6、第三弯月透镜7的凸面均朝向物方。第一弯月透镜4、第二弯月透镜6、第三弯月透镜7的光焦度分别为正、负、负。
光线从左至右依次通过第一弯月透镜4、第二弯月透镜6、第三弯月透镜7、第四双凸透镜9后通过保护用锗窗口11在红外探测器焦平面阵列FPA上进行成像。
第一弯月透镜4的光线出射侧S2为非球面,第二弯月透镜6的光线出射侧S4为非球面,第三弯月透镜7的光线出射侧S6为非球面,第四双凸透镜9的光线出射侧S8为非球面。
上述非球面均满足下列表达式:
式中:
Z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时,距非球面顶点的距离矢高;
c=1/R;R为镜面的近轴曲率拟合半径;k为圆锥系数;
A、B、C、D、E为高次非球面系数。
第一弯月透镜4和第二弯月透镜6之间的空气间隔为2mm,第二弯月透镜6和第三弯月透镜7之间的空气间隔为2.22mm,第三弯月透镜7和第四双凸透镜9之间的空气间隔为11mm;第四双凸透镜9与红外探测器焦平面阵列FPA之间的间距为10.81mm。
第一弯月透镜4的中心厚度为7.5mm,第二弯月透镜6的中心厚度为3.3mm,第三弯月透镜7的中心厚度为4mm,第四双凸透镜9的中心厚度为6.5mm。
第一弯月透镜4沿光线传输方向的光线入射侧拟合曲率半径为28.28mm,光线出射侧拟合曲率半径为73.48mm;第二弯月透镜6沿光线传输方向的光线入射侧拟合曲率半径为54mm,光线出射侧拟合曲率半径为32.65mm;第三弯月透镜7沿光线传输方向的光线入射侧拟合曲率半径为42.73mm,光线出射侧拟合曲率半径为18.73mm;第四双凸透镜9沿光线传输方向的光线入射侧拟合曲率半径为104.36mm,光线出射侧拟合曲率半径为-64.63mm。
各镜片的具体参数如表1至表5所示。
表1各镜片参数
表2 第一弯月透镜非球面系数数据
表3 第二弯月透镜非球面系数数据
表4第三弯月透镜非球面系数数据
表5第四双凸透镜非球面系数数据
将本实施例中的消热差红外镜头在镜筒1内进行安装固定。
如图3中所示,在第一弯月透镜4的光线入射侧,镜筒1的内周面设置有第一压圈2,第一弯月透镜4与镜筒1的内周面之间设置有O型圈3;在第二弯月透镜6的光线入射侧,第二弯月透镜6与镜筒1的内周面之间设置有第二压圈5;在第二弯月透镜6与第三弯月透镜7之间,镜筒1内周面设有定位第二弯月透镜6和第三弯月透镜7的环形台阶;在第三弯月透镜7和第四双凸透镜9之间设置有隔圈8;在第四双凸透镜9的光线出射侧,第四双凸透镜与9镜筒1内周面之间设有第三压圈10。
安装时,在镜筒1内将第四双凸透镜9、第三弯月透镜7、第二弯月透镜6、第一弯月透镜4安装至镜筒1内腔;在第一弯月透镜4的光线入射侧,镜筒1的内周面上设置第一压圈2和O型圈3以固定第一弯月透镜4;在第二弯月透镜6的光线入射侧,第二弯月透镜6与镜筒1的内周面之间设置第二压圈5以固定第二弯月透镜6;在第三弯月透镜7和第四双凸透镜9之间设置隔圈8,第三弯月透镜7通过镜筒1内腔的环形台阶和隔圈8进行限位;在第四双凸透镜9的光线出射侧,第四双凸透镜9与镜筒1内周面之间设置第三压圈10,通过隔圈8第三压圈10固定第四双凸透镜9。
本实施例的结构设计既保证镜头的同心度、精度和轴向位置的准确, 又尽量使镜头的结构简洁、方便安装。
作为一种具体的实施方式,镜筒1材质为铝合金,第一压圈2、第二压圈5、隔圈8的材质为铝合金,O型圈3的材质为硅橡胶。
本实施方式中焦距35mm消热差红外镜头在20℃、-40℃、80℃工作环境的MTF图分别如图4至图6所示。作为一种具体的实施方式,消热差红外镜头前端直径可以为49mm。
综上可见,本实施例提供的由以上镜片组成的消热差红外镜头,达到了以下光学指标。
工作波段:8μm-12μm;
焦距:f′=35mm;
分辨率:1280x1024 12μm;
F数:1;
水平视场角:24.75°,竖直视场角:19.91°;
畸变:小于1%;
温度范围:-40℃至80℃。
本实施例中,镜头系统采用四片透镜,镜头材料采用硫系玻璃-硫系玻璃-硒化锌-硫系玻璃的材料匹配,设计了合理的光焦度匹配,能够达到尽可能消除温度使光学系统像面位置变化的目的,结合非球面的设计,使得镜头能够得到高质量的成像图像,适用于1280x1024 12μ的探测器。相比通常的工作温度-40℃至60℃,本实施例的消热差镜头能够满足-40℃至80℃温度范围的波动,进一步提高了镜头温度适应能力。本实施例中的透镜均不包含衍射面,相对包含衍射面的光学系统,本实施例保持了良好的光学透过率。并且结构简洁、装配方便。
显然,上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明权利要求的保护之内。
Claims (10)
1.焦距35mm的消热差红外镜头,其特征在于,所述镜头包括镜筒、以及在镜筒内沿光线传输方向从左到右依次设置的第一弯月透镜、第二弯月透镜、第三弯月透镜、第四双凸透镜;所述第一弯月透镜、第二弯月透镜、第三弯月透镜的凸面均朝向物方,所述第一弯月透镜、第二弯月透镜、第三弯月透镜的光焦度分别为正、负、负。
2.根据权利要求1所述焦距35mm的消热差红外镜头,其特征在于,所述第一弯月透镜、第二弯月透镜、第三弯月透镜、第四双凸透镜均不包含衍射面。
3.根据权利要求1所述焦距35mm的消热差红外镜头,其特征在于,所述第一弯月透镜、第二弯月透镜、第四双凸透镜的材料均采用硫系玻璃,所述第三弯月透镜的材料采用硒化锌。
5.根据权利要求1所述焦距35mm的消热差红外镜头,其特征在于,所述第一弯月透镜和第二弯月透镜之间的空气间隔为2mm,所述第二弯月透镜和第三弯月透镜之间的空气间隔为2.22mm,所述第三弯月透镜和第四双凸透镜之间的空气间隔为11mm。
6.根据权利要求5所述焦距35mm的消热差红外镜头,其特征在于,所述第一弯月透镜的中心厚度为7.5mm,所述第二弯月透镜的中心厚度为3.3mm,所述第三弯月透镜的中心厚度为4mm,所述第四双凸透镜的中心厚度为6.5mm。
7.根据权利要求6所述焦距35mm的消热差红外镜头,其特征在于,所述第一弯月透镜沿光线传输方向的光线入射侧拟合曲率半径为28.28mm,光线出射侧拟合曲率半径为73.48mm;所述第二弯月透镜沿光线传输方向的光线入射侧拟合曲率半径为54mm,光线出射侧拟合曲率半径为32.65mm;所述第三弯月透镜沿光线传输方向的光线入射侧拟合曲率半径为42.73mm,光线出射侧拟合曲率半径为18.73mm;所述第四双凸透镜沿光线传输方向的光线入射侧拟合曲率半径为104.36mm,光线出射侧拟合曲率半径为-64.63mm。
8.根据权利要求1至7任意一项所述焦距35mm的消热差红外镜头,其特征在于,在所述第一弯月透镜的光线入射侧,所述镜筒的内周面设置有第一压圈,所述第一弯月透镜与镜筒的内周面之间设置有O型圈;在所述第二弯月透镜的光线入射侧,所述第二弯月透镜与镜筒的内周面之间设置有第二压圈;在所述第二弯月透镜与第三弯月透镜之间,所述镜筒内周面设有定位第二弯月透镜和第三弯月透镜的环形台阶;在所述第三弯月透镜和第四双凸透镜之间设置有隔圈;在所述第四双凸透镜的光线出射侧,所述第四双凸透镜与镜筒内周面之间设有第三压圈。
9.焦距35mm的消热差红外镜头装配方法,其特征在于,应用了如权利要求8所述焦距35mm的消热差红外镜头,包括以下步骤:将所述第四双凸透镜、第三弯月透镜、第二弯月透镜、第一弯月透镜装入镜筒内腔;在所述第一弯月透镜的光线入射侧,所述镜筒的内周面上设置第一压圈和O型圈以固定第一弯月透镜;在所述第二弯月透镜的光线入射侧,所述第二弯月透镜与镜筒的内周面之间设置第二压圈以固定第二弯月透镜;在所述第三弯月透镜和第四双凸透镜之间设置隔圈,以限位第三弯月透镜;在所述第四双凸透镜的光线出射侧,所述第四双凸透镜与镜筒内周面之间设置第三压圈以固定第四双凸透镜。
10.焦距35mm的消热差红外镜头成像方法,其特征在于,应用了如权利要求1至7任意一项所述焦距35mm的消热差红外镜头,光线从左至右依次通过所述第一弯月透镜、第二弯月透镜、第三弯月透镜、第四双凸透镜后进行成像。
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