CN114967061A - 一种大靶面低畸变消热差红外镜头 - Google Patents

一种大靶面低畸变消热差红外镜头 Download PDF

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Abstract

本发明属于红外光学技术领域，公开了一种大靶面低畸变消热差红外镜头。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、第三透镜以及第四透镜；所述第一透镜为具有负光焦度、凸面朝向物侧的弯月透镜；所述第二透镜为双凸透镜；所述第三透镜为具有负光焦度、凸面朝向像侧的弯月透镜；所述第四透镜为双凸透镜。本发明镜头视场范围广、靶面大、畸变低，能有效校正像差，边缘像质佳、观测清晰；并且消热差效果佳，可以满足工作环境‑40℃至80℃的温度需求，热稳定性能好；尤其适用于安防监测领域的大范围监测。

Description

一种大靶面低畸变消热差红外镜头
技术领域
本技术属于红外光学技术领域，特别涉及一种大靶面低畸变消热差红外镜头。
背景技术
随着安防监控系统变得越来越普及和高端，监控镜头的各方面性能包括视场角、通光孔径、像素、像面大小等也需要进一步优化。作为监控镜头的一种，广角红外镜头具有短焦距视场覆盖率广的特点，应用得越来越广泛。然而其畸变较高，控制得好的畸变一般也在40%至50%之间，并且像面边缘分辨率不高，像差难以校正，边缘像质难以控制，其光学设计难度比较大。
并且，温度对光学材料以及机械材料均会造成一定的影响，导致焦距变化、像面漂移、光学成像质量下降、图像模糊，最终影响镜头的成像性能。为了镜头可以适用于不同的环境，需确保镜头具有一定的温度适应性。
因此在确保消热差的同时，如何实现大靶面、低畸变是现阶段该领域亟待解决的难题。
发明内容
为了解决以上问题，本发明提供一种大靶面低畸变消热差红外镜头，能够实现被动消热差的同时，具有视场角范围大、靶面大、畸变小的特点。具体技术方案如下。
一种大靶面低畸变消热差红外镜头，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、第三透镜以及第四透镜；所述第一透镜为具有负光焦度、凸面朝向物侧的弯月透镜；所述第二透镜为双凸透镜；所述第三透镜为具有负光焦度、凸面朝向像侧的弯月透镜；所述第四透镜为双凸透镜。
优选地，所述镜头的焦距为10mm，工作波段为8μm-12μm。
优选地，所述第一透镜的像侧面、第二透镜的像侧面、第三透镜的物侧面、第四透镜的像侧面均为非球面，并满足以下公式：
Figure 32201DEST_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。
本方案通过非球面的设计，充分校正成像时出现的像差，提升镜头成像质量。
优选地，所述第一透镜的材料为锗，所述第二透镜、第四透镜的材料为硫系玻璃；所述第三透镜的材料为硒化锌。通过透镜材料锗-硫系玻璃-硒化锌-硫系玻璃的匹配，提升其在不同环境中的工作稳定性。
优选地，所述镜头还包括镜筒；所述第一透镜、第二透镜、第三透镜以及第四透镜沿镜筒内依次设置；所述镜筒内设置有第一压圈、O型圈、第二压圈、第三压圈、隔圈和第四压圈；所述第一透镜通过第一压圈、O型圈、第二压圈固定，所述第二透镜通过第三压圈固定，所述第三透镜通过隔圈固定，所述第四透镜通过隔圈、第四压圈固定。本方案确保了透镜安装的同轴度以及稳定性。
优选地，所述第一透镜和第二透镜之间的空气间隔为6.5mm；所述第二透镜和第三透镜之间的空气间隔为4.7mm；所述第三透镜和第四透镜之间的空气间隔为0.5mm。
优选地，所述第四透镜的像侧依次设有保护窗口和探测器像面，所述第四透镜与探测器像面之间的距离为10.7mm。
优选地，所述第一透镜的中心厚度为2.6mm；所述第二透镜的中心厚度为2.9mm；所述第三透镜的中心厚度为2.8mm；所述第四透镜的中心厚度为4.8mm。
优选地，所述第一透镜的物侧面曲率半径为17.48mm，像侧面拟合曲率半径为12.71mm；所述第二透镜的物侧面曲率半径为34.93mm，像侧面拟合曲率半径为-76.23mm；所述第三透镜的物侧面拟合曲率半径为-9mm，像侧面拟合曲率半径为-20.1mm；所述第四透镜的物侧面曲率半径为49.24mm，像侧面拟合曲率半径为-26.60mm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明实现了大靶面、低畸变，镜头焦距为10mm，畸变可控制在19%以内；能有效校正像差，边缘像质佳。
2、视场范围大，水平视场角可达64°，观测清晰，尤其适用于大范围的监测，应用于安防监测领域，可减少镜头的部署数量，降低成本。
3、消热差效果佳，可以满足工作环境-40℃至80℃的温度需求，热稳定性能好。
本镜头的工作波段为8μm-12μm，可匹配分辨率为640×480 、17μm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大靶面低畸变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大靶面低畸变消热差红外镜头的尺寸标注图；
图3为本发明具体实施方式中大靶面低畸变消热差红外镜头在20℃工作环境的MTF图；
图4为本发明具体实施方式中大靶面低畸变消热差红外镜头在20℃工作环境的Spot图；
图5为本发明具体实施方式中大靶面低畸变消热差红外镜头在-40℃工作环境的MTF图；
图6为本发明具体实施方式中大靶面低畸变消热差红外镜头在-40℃工作环境的Spot图；
图7为本发明具体实施方式中大靶面低畸变消热差红外镜头在80℃工作环境的MTF图；
图8为本发明具体实施方式中大靶面低畸变消热差红外镜头在80℃工作环境的Spot图；
图9为本发明具体实施方式中大靶面低畸变消热差红外镜头的场曲畸变图。
其中：1、第一透镜；2、第一压圈；3、O型圈；4、第二压圈；5、第三压圈；6、镜筒；7、第二透镜；8、第三透镜；9、隔圈；10、第四透镜；11、第四压圈；12、保护窗口；13、探测器像面。
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，本实施例提供一种大靶面低畸变消热差红外镜头，共采用了四个透镜。具体地，包括沿光轴从物侧至像侧依次同轴设置的第一透镜1、第二透镜7、第三透镜8、第四透镜10。其中，第一透镜1为具有负光焦度、凸面朝向物侧的弯月透镜；第二透镜7具有正光焦度的双凸透镜；第三透镜8为具有负光焦度、凸面朝向像侧的弯月透镜；第四透镜10为具有正光焦度的双凸透镜。
如图2所示，光束从左至右依次通过第一透镜1、第二透镜7、第三透镜8、第四透镜10后，通过保护窗口12在探测器像面13上成像。本实施例中保护窗口的材料为锗。
作为一种优选的实施方式，本实施例大靶面低畸变消热差红外镜头各透镜的光学参数如表1所示。
结合图2所示，第一透镜1的中心厚度D1为2.6mm，物侧面曲率半径为17.48mm，像侧面拟合曲率半径为12.71mm。第二透镜7的中心厚度D3为2.9mm，物侧面曲率半径为34.93mm，像侧面拟合曲率半径为-76.23mm。第三透镜8的中心厚度D5为2.8mm，物侧面拟合曲率半径为-9mm，像侧面曲率半径为-20.1mm。第四透镜10的中心厚度D7为4.8mm，物侧面曲率半径为49.24mm，像侧面拟合曲率半径为-26.60mm。
其中，第一透镜1和第二透镜7之间的空气间隔D2为6.5mm；第二透镜7和第三透镜8之间的空气间隔D4为4.7mm。第三透镜8与第四透镜10之间的空气间隔D6为0.5mm。上述空气间隔为透镜中心的空气间隔。第四透镜10与探测器像面13之间的间距D8为10.7mm。
本镜头的光学总长为35.5mm。镜头直径可为28mm。
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1的物侧面和像侧面，S3、S4分别对应第二透镜7的物侧面和像侧面，S5、S6分别对应第三透镜8的物侧面和像侧面；S7、S8分别对应第四透镜10的物侧面和像侧面。
表1各透镜参数
Figure 427410DEST_PATH_IMAGE002
第一透镜1的像侧面S2、第二透镜7的像侧面S4、第三透镜8的物侧面S5、第四透镜10的像侧面S8均为非球面，并满足以下公式：
Figure 179466DEST_PATH_IMAGE003
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 1928DEST_PATH_IMAGE004
作为一种较佳的实施方式，第一透镜1的材料为锗GE；第二透镜7的材料为硫系玻璃IRG206；第三透镜8的材料为硒化锌ZNSE；第四透镜10的材料为硫系玻璃IRG209。
如图1所示，镜头还包括镜筒6，第一透镜1、第二透镜7、第三透镜8、第四透镜10沿镜筒内依次设置。镜筒6内周面依次设置有第一压圈2、O型圈3、第二压圈4、第三压圈5、隔圈9和第四压圈11。第一透镜1通过第一压圈2、O型圈3、第二压圈4固定，第二透镜7通过第三压圈5固定，第三透镜8通过隔圈9固定，第四透镜10通过隔圈9、第四压圈11固定。具体地，第一压圈2、O型圈3设置在第一透镜1的物侧，第二压圈4设置在第一透镜1的像侧；第一透镜1通过第一压圈1、O型圈3、第二压圈4压紧固定。第三压圈5设置在第二透镜7的物侧。隔圈9设置在第三透镜8与第四透镜10之间，第四透镜10通过第四压圈11压紧，使其压迫隔圈9，进而通过隔圈9使得第三透镜8实现固定。
本镜头镜筒内周面O型圈、压圈、隔圈的设计，使得透镜在镜筒内安装稳定，同轴度好。
图3、图5、图7分别为大靶面低畸变消热差红外镜头在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分别为大靶面低畸变消热差红外镜头在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大靶面低畸变消热差红外镜头的场曲畸变图可知，本实施例通过合理的光学结构设计，能将畸变降到19%以下。
由上可见，本实施例提供的由以上镜片组成的大靶面低畸变消热差红外镜头，达到了以下光学指标：工作波段为8μm-12μm；焦距f′=10mm；适配分辨率为640×480 、17μm；F数为1.0；水平视场角为64°，竖直视场角为47°。
本实施例通过四块不同透镜的合理组合，包括光焦度匹配、光学参数的约束、材料的选择、非球面的设计等，解决了热差问题的同时，解决了广角镜头畸变高、边缘像质不易控制的难题。本镜头视场范围广、靶面大、畸变低，能有效校正像差，边缘像质佳、观测清晰；并且消热差效果佳，可以满足工作环境-40℃至80℃的温度需求，热稳定性能好；尤其适用于安防监测领域的大范围监测。
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 (9)

1.一种大靶面低畸变消热差红外镜头，其特征在于，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、第三透镜以及第四透镜；所述第一透镜为具有负光焦度、凸面朝向物侧的弯月透镜；所述第二透镜为双凸透镜；所述第三透镜为具有负光焦度、凸面朝向像侧的弯月透镜；所述第四透镜为双凸透镜。
2.根据权利要求1所述的大靶面低畸变消热差红外镜头，其特征在于，所述镜头的焦距为10mm，工作波段为8μm-12μm。
3.根据权利要求1所述的大靶面低畸变消热差红外镜头，其特征在于，所述第一透镜的像侧面、第二透镜的像侧面、第三透镜的物侧面、第四透镜的像侧面均为非球面，并满足以下公式：
Figure 286906DEST_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所述的大靶面低畸变消热差红外镜头，其特征在于，所述第一透镜的材料为锗，所述第二透镜、第四透镜的材料为硫系玻璃；所述第三透镜的材料为硒化锌。
5.根据权利要求1所述的大靶面低畸变消热差红外镜头，其特征在于，所述镜头还包括镜筒；所述第一透镜、第二透镜、第三透镜以及第四透镜沿镜筒内依次设置；所述镜筒内设置有第一压圈、O型圈、第二压圈、第三压圈、隔圈和第四压圈；所述第一透镜通过第一压圈、O型圈、第二压圈固定，所述第二透镜通过第三压圈固定，所述第三透镜通过隔圈固定，所述第四透镜通过隔圈、第四压圈固定。
6.根据权利要求1至5任意一项所述的大靶面低畸变消热差红外镜头，其特征在于，所述第一透镜和第二透镜之间的空气间隔为6.5mm；所述第二透镜和第三透镜之间的空气间隔为4.7mm；所述第三透镜和第四透镜之间的空气间隔为0.5mm。
7.根据权利要求6所述的大靶面低畸变消热差红外镜头，其特征在于，所述第四透镜的像侧依次设有保护窗口和探测器像面，所述第四透镜与探测器像面之间的距离为10.7mm。
8.根据权利要求7所述的大靶面低畸变消热差红外镜头，其特征在于，所述第一透镜的中心厚度为2.6mm；所述第二透镜的中心厚度为2.9mm；所述第三透镜的中心厚度为2.8mm；所述第四透镜的中心厚度为4.8mm。
9.根据权利要求8所述的大靶面低畸变消热差红外镜头，其特征在于，所述第一透镜的物侧面曲率半径为17.48mm，像侧面拟合曲率半径为12.71mm；所述第二透镜的物侧面曲率半径为34.93mm，像侧面拟合曲率半径为-76.23mm；所述第三透镜的物侧面拟合曲率半径为-9mm，像侧面曲率半径为-20.1mm；所述第四透镜的物侧面曲率半径为49.24mm，像侧面拟合曲率半径为-26.60mm。
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