CN114967060B - 一种小型消热差红外镜头 - Google Patents

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Abstract

本发明属于红外光学技术领域，公开了一种小型消热差红外镜头。所述镜头包括从物侧至像侧依次同轴设置的第一透镜、第二透镜；所述第一透镜为具有正光焦度、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；所述第一透镜、第二透镜的材料为硫系玻璃。本镜头仅采用两块透镜，结构紧凑、体积小；透镜材质均为硫系玻璃，透镜生产便捷、易于批量生产、生产成本低；畸变小，能控制在0.1%以下；热稳定性能好，可以满足工作环境‑40℃至80℃的宽温度需求；本小型消热差红外镜头的工作波段为8μm‑12μm，可匹配分辨率为256×192、12μm的探测器使用。

Description

一种小型消热差红外镜头
技术领域
本技术属于红外光学技术领域，特别涉及一种小型消热差红外镜头。
背景技术
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。或者采用价格昂贵的材料进行无热化设计，为了实现消热差及高像素，一般使用锗或者硫化锌材质镜片进行成像，然而这两种材料价格昂贵，并且目前锗和硫化锌材质非球面镜片只能采用车削加工，加工成本较高。
发明内容
为了解决以上问题，本发明提供一种小型消热差红外镜头，能够实现被动消热差，具有低畸变、高解像度特点的同时，其体积小、结构紧凑、成本低、可以用模压方式批量生产。具体技术方案如下。
一种小型消热差红外镜头，所述镜头包括从物侧至像侧依次同轴设置的第一透镜、第二透镜；所述第一透镜为具有正光焦度、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；所述第一透镜、第二透镜的材料为硫系玻璃。本方案中，光束从第一透镜穿过第二透镜，从而达到成像面进行成像。硫系玻璃不仅制备工艺较为经济方便，而且可以采用高精度压膜的方式制备非球面镜片，从而显著降低制作红外镜头的时间和经济成本。
优选地，所述镜头的焦距为7.1mm，工作波段为8μm-12μm，适用于分辨率256×192，像元大小为12μm的红外探测器。
所述第一透镜的像侧面、第二透镜的物侧面和像侧面均为非球面，并满足以下公式：
Figure SMS_1
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，所述镜头还包括镜筒；所述第一透镜、第二透镜沿镜筒内依次设置；所述第一透镜的物侧设置有压圈和O型圈；所述第一透镜和第二透镜之间设有隔圈。所述第一透镜通过压圈、O型圈进行物侧固定，通过隔圈进行像侧固定；所述第二透镜通过隔圈进行物侧固定。
本方案的定位设计，结构紧凑，稳定性、同轴度好。
优选地，所述第一透镜和第二透镜之间的空气间隔为1.6mm。
优选地，所述第二透镜的像侧设有探测器焦平面阵列，所述第二透镜与探测器焦平面阵列之间的距离为5.4mm。
优选地，所述第二透镜与探测器焦平面阵列之间设有保护用锗窗口。
优选地，所述第一透镜的中心厚度为2.8mm；所述第二透镜的中心厚度为3.3mm。
优选地，所述第一透镜的物侧面拟合曲率半径为7.55mm，像侧面拟合曲率半径为8.37mm；所述第二透镜的物侧面拟合曲率半径为-15.55mm，像侧面拟合曲率半径为-8.13mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本镜头仅采用两块透镜，结构紧凑、体积小；
2、透镜材质均为硫系玻璃，透镜生产便捷、易于批量生产、生产成本低；
3、本发明通过合理的光学结构设计，使得畸变小，能控制在0.1%以下；
4、热稳定性能好，可以满足工作环境-40℃至80℃的宽温度需求。
本小型消热差红外镜头的工作波段为8μm-12μm，可匹配分辨率为256×192、12μm的探测器使用。
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小型消热差红外镜头的侧面剖视图；
图2为本发明具体实施方式中小型消热差红外镜头的透镜组成示意图；
图3为本发明具体实施方式中小型消热差红外镜头在20℃工作环境的MTF图；
图4为本发明具体实施方式中小型消热差红外镜头在-40℃工作环境的MTF图；
图5为本发明具体实施方式中小型消热差红外镜头在80℃工作环境的MTF图；
图6为本发明具体实施方式中小型消热差红外镜头在20℃工作环境的点列图；
图7为本发明具体实施方式中小型消热差红外镜头在-40℃工作环境的点列图；
图8为本发明具体实施方式中小型消热差红外镜头在80℃工作环境的点列图；
图9为本发明具体实施方式中小型消热差红外镜头的场曲畸变图。
其中：1、镜筒；2、压圈；3、O型圈；4、第一透镜；5、隔圈；6、第二透镜；7、保护用锗窗口；8、探测器焦平面阵列。
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，本实施例提供一种小型消热差红外镜头，仅采用了两个透镜。具体地，包括从物侧至像侧依次同轴设置的第一透镜4、第二透镜6；第一透镜4为具有正光焦度、凸面朝向物侧的弯月透镜；第二透镜6为具有正光焦度、凸面朝向像侧的弯月透镜；第一透镜4、第二透镜6的材料为硫系玻璃。
如图2所示，光束从左至右依次通过第一透镜4、第二透镜6后，通过保护用锗窗口7在探测器焦平面阵列8上成像。
作为一种优选的实施方式，本实施例各透镜的光学参数如表1所示。
第一透镜4的中心厚度D1为2.8mm，物侧面曲率半径为7.55mm，像侧面拟合曲率半径为8.37mm。第二透镜6的中心厚度D3为3.3mm，物侧面拟合曲率半径为-15.55mm，像侧面拟合曲率半径为-8.13 mm。
其中，第一透镜4和第二透镜6之间的空气间隔D2为1.6mm；第二透镜6与探测器焦平面阵列8之间的间距D4为5.4mm。
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4的物侧面和像侧面，S3、S4分别对应第二透镜6的物侧面和像侧面。
表1各透镜参数
Figure SMS_2
第一透镜4的像侧面S2、第二透镜6的物侧面S3、第二透镜6的像侧面S4为非球面，并满足以下公式：
Figure SMS_3
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 SMS_4
本实施例中采用全硫系玻璃为透镜材料，降低了材料成本，与适合大批量生产的模压技术相契合，温度折射率系数与热膨胀系数更小，为镜头具备稳定的热光学性能打下基础。
如图1所示，镜头还包括镜筒1；第一透镜4、第二透镜6沿镜筒1内依次设置；第一透镜4的物侧设置有压圈2和O型圈3；第一透镜4和第二透镜6之间设有隔圈5；镜筒1内设置有压圈2、O型圈3、隔圈5；第一透镜4通过压圈2、O型圈3进行物侧固定，通过隔圈5进行像侧固定；第二透镜6通过隔圈5进行物侧固定。
透镜在镜筒1内安装稳定，同轴度好。
更具体地，本实施例的镜筒直径j 1可以为23.3mm。镜筒前端到镜筒后端的距离D6为13.2mm，镜筒后端到探测器焦平面阵列8的距离D5为4.8mm。
本镜头的光学总长短，尺寸小，结构紧凑。
图3、图4、图5分别为小型消热差红外镜头在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6、图7、图8分别为小型消热差红外镜头在20℃、-40℃、80℃工作环境的点列图。
从图3至图8中可以看出，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℃工作环境下具有良好的解像水平，镜头的综合成像质量好。
如图9小型消热差红外镜头的场曲畸变图所示，本实施例通过合理的光学结构设计，能将畸变降到0.1%以下。
由上可见，本实施例提供的由以上镜片组成的小型消热差红外镜头，达到了以下光学指标：工作波段为8μm-12μm；焦距f′=7.1mm；分辨率为256×192、12μm；F数为1.0；水平视场角为24.4°，竖直视场角为18.43°。
本实施例镜头仅采用了两个透镜，镜头材料采用硫系玻璃，对光焦度进行匹配，结合非球面设计，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，畸变小，同时镜头具有体积小、安装稳定、轻量化、成本低的优点，易于大批量生产。
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 (6)

1.一种小型消热差红外镜头，其特征在于，所述镜头包括透镜，所述透镜由从物侧至像侧依次同轴设置的第一透镜、第二透镜组成；所述第一透镜为具有正光焦度、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；所述第一透镜、第二透镜的材料为硫系玻璃；所述第一透镜和第二透镜之间的空气间隔为1.6mm；所述第一透镜的中心厚度为2.8mm；所述第二透镜的中心厚度为3.3mm；所述第一透镜的物侧面曲率半径为7.55mm，像侧面拟合曲率半径为8.37mm；所述第二透镜的物侧面拟合曲率半径为-15.55mm，像侧面拟合曲率半径为-8.13mm。
2.根据权利要求1所述的小型消热差红外镜头，其特征在于，所述镜头的焦距为7.1mm，工作波段为8μm-12μm，适用于分辨率256×192，像元大小为12μm的红外探测器。
3.根据权利要求1所述的小型消热差红外镜头，其特征在于，所述第一透镜的像侧面、第二透镜的物侧面和像侧面均为非球面，并满足以下公式：
Figure QLYQS_1
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所述的小型消热差红外镜头，其特征在于，所述镜头还包括镜筒；所述第一透镜、第二透镜沿镜筒内依次设置；所述第一透镜的物侧设置有压圈和O型圈；所述第一透镜和第二透镜之间设有隔圈。
5.根据权利要求1所述的小型消热差红外镜头，其特征在于，所述第二透镜的像侧设有探测器焦平面阵列，所述第二透镜与探测器焦平面阵列之间的距离为5.4mm。
6.根据权利要求1所述的小型消热差红外镜头，其特征在于，所述第二透镜与探测器焦平面阵列之间设有保护用锗窗口。
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