CN114935810A - 一种焦距为6.6mm的消热差红外镜头 - Google Patents

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Abstract

本发明属于红外光学技术领域，公开了一种焦距为6.6mm的消热差红外镜头。所述镜头共采用了三个透镜，为沿光轴从物侧至像侧依次同轴设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜；所述第一透镜为具有负光焦度、凸面朝向物侧的弯月透镜；所述第二透镜为具有正光焦度、凸面朝向像侧的弯月透镜；所述第三透镜为具有正光焦度、凸面朝向像侧的弯月透镜。本发明通过对透镜的类型、个数、材质选择以及光焦度、非球面、衍射面设计，使其在‑40℃至80℃的工作温度范围具有良好的成像质量，可匹配像元数为640×512，像元大小为12μm的探测器。同时，镜头的结构简洁、体积小、成本低、安装方便。

Description

一种焦距为6.6mm的消热差红外镜头
技术领域
本技术属于红外光学技术领域，特别涉及一种焦距为6.6mm的消热差红外镜头。
背景技术
在红外成像的应用中，外界环境温度会对镜头材料的折射率造成影响，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。为了实现红外光学系统在宽温度范围内工作时不发生像面偏移，必须采用消热差技术使得光学系统在一个较大的范围内均具有良好的成像质量。而在光学被动式消热差技术中，为了获得更宽范围的工作温度，往往透镜数量众多，导致体积、重量增加，成本高。
FPA：探测器焦平面阵列。
MTF：Modulation Transfer Function（调制传递函数），是一种分析镜头解像的方法。
发明内容
为了解决以上问题，本发明提供一种透镜数量少、热稳定性能佳、成像质量高的焦距为6.6mm的消热差红外镜头。具体技术方案如下。
一种焦距为6.6mm的消热差红外镜头，所述镜头沿光轴从物侧至像侧包括依次同轴设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜；所述第一透镜为具有负光焦度、凸面朝向物侧的弯月透镜；所述第二透镜为具有正光焦度、凸面朝向像侧的弯月透镜；所述第三透镜为具有正光焦度、凸面朝向像侧的弯月透镜。
优选地，所述镜头的工作波段为8μm-12μm。
优选地，为了改善温度变化对像质的影响，所述第一透镜的物侧面和像侧面、第二透镜的物侧面、第三透镜的物侧面均为非球面，并满足以下公式：
Figure 707312DEST_PATH_IMAGE001
式中，Z为非球面沿光轴方向在高度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，所述第一透镜的材料为锗；所述第二透镜、第三透镜的材料为硫系玻璃。本方案对透镜材料的匹配，降低了材料成本。
优选地，所述第三透镜的物侧面为衍射面，所述衍射面在Zemax中的表达方程为：
Figure 700676DEST_PATH_IMAGE002
其中，M为衍射级次；B1、B2 、B3为衍射面位相系数，B1=-31.97，B2=4.53， B3=-1.2 ；衍射级次为1 ；归化半径
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为6。
本方案中通过优化衍射面的位相系数，使得镜片个数尽可能减少的同时，实现消热差、消色差，并且进一步增加了光学系统的透过率，降低了成本。
优选地，所述第一透镜和第二透镜之间的空气间隔为4.37mm；所述第二透镜和第三透镜之间的空气间隔为2.94mm。
优选地，所述第一透镜的中心厚度为2.5mm；所述第二透镜的中心厚度为4.7mm；所述第三透镜的中心厚度为4.5mm。
优选地，所述第一透镜的物侧面拟合曲率半径为10.2mm，像侧面拟合曲率半径为6.3mm；所述第二透镜的物侧面拟合曲率半径为-63.4mm，像侧面拟合曲率半径为-16.7mm；所述第三透镜的物侧面拟合曲率半径为-73.14mm，像侧面拟合曲率半径为-15.68mm。
优选地，所述镜头还包括对透镜进行保持的镜筒；所述镜筒内包括第一压圈、O型圈、隔圈以及第二压圈；所述第一透镜通过第一压圈、O型圈以及镜筒内壁设置的环形台阶固定；所述第二透镜通过所述环形台阶与隔圈固定；所述第三透镜通过隔圈与第二压圈固定。本方案中，通过第一压圈、O型圈、隔圈、第二压圈、环形台阶的设定，使得透镜在镜筒内同轴度高、稳定性能佳。
优选地，所述第一压圈为外周厚、内周薄的环形压圈；所述隔圈为一端厚、另一端薄的环形隔圈。本方案中，通过对第一压圈、隔圈的设计，进一步实现了轻量化。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本焦距为6.6mm的消热差红外镜头仅采用三个透镜，通过对透镜的类型、个数、材质选择以及光焦度、非球面、衍射面设计，使其在-40℃至80℃的工作温度范围，8μm-12μm工作波段，均具有良好的成像效果，适用于像元数为640×512，像元大小为12μm的探测器。同时，镜头的结构简洁、成本低、体积小、安装方便。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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焦距为6.6mm的消热差红外镜头的镜片组成示意图；
图2为本发明具体实施方式中焦距为6.6mm的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焦距为6.6mm的消热差红外镜头在20℃工作环境的MTF图；
图4为本发明具体实施方式中焦距为6.6mm的消热差红外镜头在20℃工作环境的Spot图；
图5为本发明具体实施方式中焦距为6.6mm的消热差红外镜头在-40℃工作环境的MTF图；
图6为本发明具体实施方式中焦距为6.6mm的消热差红外镜头在-40℃工作环境的Spot图；
图7为本发明具体实施方式中焦距为6.6mm的消热差红外镜头在60℃工作环境的MTF图；
图8为本发明具体实施方式中焦距为6.6mm的消热差红外镜头在60℃工作环境的Spot图。
图号：1、第一压圈；2、O型圈；3、第一透镜；4、镜筒；5、第二透镜；6、隔圈；7、第三透镜；8、第二压圈；9、保护用锗窗口；10、FPA。
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。需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于便于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种焦距为6.6mm的消热差红外镜头，共采用了三个透镜。具体地，由沿光轴从物侧至像侧依次设置的第一透镜3、第二透镜5、第三透镜7组成。其中，第一透镜3为具有负光焦度、凸面朝向物侧的弯月透镜；第二透镜5为具有正光焦度、凸面朝向像侧的弯月透镜；第三透镜7为具有正光焦度、凸面朝向像侧的弯月透镜。
光束从左至右依次通过第一透镜3、第二透镜5、第三透镜7后，通过保护用锗窗口9在探测器焦平面阵列FPA10上成像。
各透镜的光学参数如表1所示。
第一透镜3的中心厚度为2.5mm，物侧面拟合曲率半径为10.2mm，像侧面拟合曲率半径为6.3mm。
第二透镜5的中心厚度为4.7mm，物侧面拟合曲率半径为-63.4mm，像侧面拟合曲率半径为-16.7mm。
第三透镜7的中心厚度为4.5mm，物侧面拟合曲率半径为-73.14mm，像侧面拟合曲率半径为-15.68mm。
第一透镜3和第二透镜5之间的空气间隔为4.37mm；第二透镜5和第三透镜7之间的空气间隔为2.94mm。上述空气间隔为透镜中心的空气间隔。第三透镜7与FPA之间的空气间隔7.42mm。
可以理解的是，弯月透镜的两侧面中一面为凸面，另一侧面为凹面；镜头对物体进行拍摄时，物侧为被摄物体侧，像侧为被测物体的成像侧；透镜中光束入射的面为透镜的物侧面，光束出射的面为透镜的像侧面。如图1和表1所示，面序号S1、S2分别对应第一透镜3的物侧面和像侧面，S3、S4分别对应第二透镜5的物侧面和像侧面，S5、S6分别对应第三透镜7的物侧面和像侧面。
表1各透镜参数
Figure 392689DEST_PATH_IMAGE004
作为较佳实施例的一种实施方式，第一透镜3的材料为锗；第二透镜5、第三透镜7的材料为硫系玻璃IRG206。
第一透镜3的物侧面S1和像侧面S2、第二透镜5的物侧面S3、第三透镜7的物侧面S5均为非球面，并满足以下公式：
Figure 129700DEST_PATH_IMAGE005
式中，Z为非球面沿光轴方向在高度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。各透镜的非球面系数如表2所示。
表2各透镜的非球面系数数据
Figure 590769DEST_PATH_IMAGE006
第三透镜7的物侧面S5为衍射面，以矫正色差。
衍射面在Zemax中的表达方程为：
Figure 20613DEST_PATH_IMAGE007
其中，M为衍射级次；B1、B2 、B3为衍射面位相系数，B1=-31.97，B2=4.53， B3=-1.2 ；衍射级次为1 ；归化半径
Figure 262239DEST_PATH_IMAGE008
为6。
如图2所示，镜头还包括对透镜进行保持的镜筒4；镜筒4内包括第一压圈1、O型圈2、隔圈6以及第二压圈8。第一透镜3通过第一压圈1、O型圈2以及镜筒4内壁设置的环形台阶固定；第二透镜5通过环形台阶与隔圈6固定；第三透镜7通过隔圈6与第二压圈8固定。具体地，第一压圈1为外周厚、内周薄的环形压圈；隔圈6为一端厚、另一端薄的环形隔圈。第一压圈1、隔圈6以及第二压圈8可采用铝合金，O型圈2采用硅橡胶。
将消热差镜头在镜筒4内进行安装固定，第一压圈1设置在镜筒4的内周面，O型圈2设置在第一透镜3与镜筒4的内周面之间；隔圈6设置在第二透镜5的光线出射侧；第二压圈8设置在第三透镜7的光线出射侧。本实施例的镜头结构简洁、并且保证了镜头的同心度和轴向位置的准确。
本实施例对光焦度的设计以及结构的设计，使得镜头体积小，镜头孔直径为30mm，光学系统总长小于30mm。
图3、图5、图7分别为焦距为6.6mm的消热差红外镜头在20℃、-40℃、80℃工作环境的MTF图，横轴代表不同的空间频率，竖轴代表调制度。所有视场代表子午平面的MTF曲线，如图中标为T的曲线，而代表弧矢平面的MTF曲线为图中标为S的曲线，图中标为DIFF.LIMIT代表衍射极限。图4、图6、图8分别为焦距为6.6mm的消热差红外镜头在20℃、-40℃、80℃工作环境的Spot图。从图3至图8可以看出，MTF接近衍射极限、弥散斑均方根直径小于艾里斑直径，像质很好。本实施例的镜头在20℃、-40℃、80℃工作环境下，均具有良好的解像水平，镜头的综合成像质量好。本实施例的镜头具有热稳定性强的优点。
由上可见，本实施例提供的由以上镜片组成的焦距为6.6mm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′=6.6mm；
分辨率：640×512、12μm；
F数：1；
水平视场角：60.38°，竖直视场角：49.92°。
本实施例的镜头系统仅采用了三个透镜，镜头材料为锗-硫系玻璃-硫系玻璃，对光焦度进行匹配，结合非球面及衍射面的设计，能达到良好的消热差效果，满足-40℃至80℃工作温度范围的要求，可匹配分辨率为640×512 ，12μm的探测器使用。同时镜头具有体积小、安装稳定、轻量化、成本低的优点。
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)

1.一种焦距为6.6mm的消热差红外镜头，其特征在于，所述镜头沿光轴从物侧至像侧包括依次同轴设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜；所述第一透镜为具有负光焦度、凸面朝向物侧的弯月透镜；所述第二透镜为具有正光焦度、凸面朝向像侧的弯月透镜；所述第三透镜为具有正光焦度、凸面朝向像侧的弯月透镜。
2.根据权利要求1所述的焦距为6.6mm的消热差红外镜头，其特征在于，所述镜头的工作波段为8μm-12μm。
3.根据权利要求1所述的焦距为6.6mm的消热差红外镜头，其特征在于，所述第一透镜的物侧面和像侧面、第二透镜的物侧面、第三透镜的物侧面均为非球面，并满足以下公式：
Figure 460134DEST_PATH_IMAGE001
式中，Z为非球面沿光轴方向在高度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。
4.根据权利要求1所述的焦距为6.6mm的消热差红外镜头，其特征在于，所述第一透镜的材料为锗；所述第二透镜、第三透镜的材料为硫系玻璃。
5.根据权利要求1所述的焦距为6.6mm的消热差红外镜头，其特征在于，所述第三透镜的物侧面为衍射面，所述衍射面在Zemax中的表达方程为：
Figure 727168DEST_PATH_IMAGE002
其中，M为衍射级次；B1、B2 、B3为衍射面位相系数，B1=-31.97，B2=4.53， B3=-1.2 ；衍射级次为1 ；归化半径
Figure 926068DEST_PATH_IMAGE003
为6。
6.根据权利要求1所述的焦距为6.6mm的消热差红外镜头，其特征在于，所述第一透镜和第二透镜之间的空气间隔为4.37mm；所述第二透镜和第三透镜之间的空气间隔为2.94mm。
7.根据权利要求1所述的焦距为6.6mm的消热差红外镜头，其特征在于，所述第一透镜的中心厚度为2.5mm；所述第二透镜的中心厚度为4.7mm；所述第三透镜的中心厚度为4.5mm。
8.根据权利要求1所述的焦距为6.6mm的消热差红外镜头，其特征在于，所述第一透镜的物侧面拟合曲率半径为10.2mm，像侧面拟合曲率半径为6.3mm；所述第二透镜的物侧面拟合曲率半径为-63.4mm，像侧面拟合曲率半径为-16.7mm；所述第三透镜的物侧面拟合曲率半径为-73.14mm，像侧面拟合曲率半径为-15.68mm。
9.根据权利要求1至8任意一项所述的焦距为6.6mm的消热差红外镜头，其特征在于，所述镜头还包括对透镜进行保持的镜筒；所述镜筒内包括第一压圈、O型圈、隔圈以及第二压圈；所述第一透镜通过第一压圈、O型圈以及镜筒内壁设置的环形台阶固定；所述第二透镜通过所述环形台阶与隔圈固定；所述第三透镜通过隔圈与第二压圈固定。
10.根据权利要求9所述的焦距为6.6mm的消热差红外镜头，其特征在于，所述第一压圈为外周厚、内周薄的环形压圈；所述隔圈为一端厚、另一端薄的环形隔圈。
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