CN114967072A - 一种三片式近红外全景环带镜头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种三片式近红外全景环带镜头，包括同轴安装的全景环带透镜、第二透镜、第三透镜；全景环带透镜包含两个反射面和两个透射面，前表面由前透射面和前反射面构成，后表面有环形反射面和圆形透射面构成，两个表面曲率半径相同；第二透镜为前表面凸面，后表面凹面的凹透镜；第三透镜为前后表面均为凸面的凸透镜；系统光阑设置于全景环带透镜的后表面或第二透镜的前表面上；光线依次经全景环带透镜的前透射面透射、后表面的环形反射面反射、前反射面反射、后表面的圆形透射面透射、第二透镜、第三透镜到达像面，形成环形图像。本发明结构简单，视场大，可用于特定波段目标物体的全景监测。
Description
技术领域
本发明涉及红外成像技术领域，尤其涉及一种三片式近红外全景环带镜头。
背景技术
特定波段的红外探测技术可以监测和识别特定目标物体，红外的穿透性好，可昼夜连续工作，所以在特定的应用场合有着重要作用。但是红外成像镜头一般结构复杂，视场角很小，视野受限，通常会采用非球面，导致成本上升。
全景环带成像系统可实现全景视场的一次凝视成像，不需要多设备或算法拼接来获得全景图像，实时性高。但是大视场成像系统像差较大，为了矫正各类像差，通常需要采用多个镜片和复杂结构，无法实现小型化和轻量化。目前研究表明，大视场成像系统通常采用7～12个透镜来实现良好的成像质量，甚至存在双胶合的透镜组，增加了加工和装配成本，并且胶水的稳定性对于镜头的性能也有一定的影响。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种三片式近红外全景环带镜头，该镜头结构简单、不需拼接，且视场角大。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种三片式近红外全景环带镜头，包括同轴安装的全景环带透镜、第二透镜、第三透镜，其中：
所述全景环带透镜包含两个反射面和两个透射面，前表面由前透射面和前反射面构成，后表面有环形反射面和圆形透射面构成，两个表面曲率半径相同；
所述第二透镜为前表面凸面，后表面凹面的凹透镜；
所述第三透镜为前后表面均为凸面的凸透镜；
系统光阑设置于全景环带透镜的后表面或第二透镜的前表面上；
光线依次经全景环带透镜的前透射面透射、后表面的环形反射面反射、前反射面反射、后表面的圆形透射面透射、第二透镜、第三透镜到达像面，形成环形图像。
进一步地，所有透镜的表面面型均为标准球面。
进一步地，所述全景环带透镜的前反射面为平面。
进一步地，所述全景环带透镜为单透镜，且其后表面的口径小于前透射面的口径的一半以上，所述后表面位于中部，其两侧加工成平面，便于装调。
进一步地，所有透镜的材料均采用折射率大于1.65的的玻璃。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明的三片式近红外全景环带镜头，视场角大，能够应用于可见光或红外波段成像。
(2)本发明的三片式近红外全景环带镜头只采用三片全球面镜片，方便加工和装配。
(3)光阑设置在全景环带透镜的后表面或第二透镜的前表面上，无需额外结构控制杂散光问题。
(4)本发明的三片式近红外全景环带镜头的各个透镜均采用常规玻璃制成，成本低。
附图说明
图1是本发明的三片式近红外全景环带镜头结构图。
图2是实施例的调制传递函数曲线图。
图3是实施例的畸变曲线图。
图4是实施例的相对照度曲线图。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明的三片式近红外全景环带镜头，包括同轴安装的全景环带透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3。其中：
全景环带透镜L1包含两个反射面和两个透射面，前表面由前透射面R1和前反射面R3构成，后表面R2有环形反射面和圆形透射面构成，两个表面曲率半径相同；
所述第二透镜L2为前表面R4凸面，后表面R5凹面的凹透镜；
所述第三透镜L3为前后表面R6、R7均为凸面的凸透镜；
系统光阑设置于全景环带透镜L1的后表面R2或第二透镜L2的前表面R4上；
光线依次经全景环带透镜L1的前透射面R1透射、后表面R2的环形反射面反射、前反射面R3反射、后表面R2的圆形透射面透射、第二透镜L2、第三透镜L3到达像面，形成环形图像。
为了简化镜头结构，降低加工成本，所有透镜的表面面型均为标准球面。
由于全景环带透镜前后表面分别由一个透射面和一个反射面构成，增加了加工和装配难度。为了方便全景环带透镜L1的加工和整体镜头定心装配，全景环带透镜L1的前反射面R3为平面。
全景环带透镜主要有三种结构形式，分别是双凸单透镜、胶合透镜和本实施例采用的结构形式。双凸单透镜不利于像差的矫正，并且结构尺寸通常很大；胶合透镜对于胶水的折射率和稳定性有很高的要求，并且增加了加工成本。为了简化结构，降低成本，提高像质，所述全景环带透镜L1为单透镜，且其后表面R2的口径小于前透射面R1的口径的一半以上，所述后表面R2位于中部，其两侧加工成平面，便于装调。
镜片数量与像差的矫正难度有关，镜片数量越少，对大视场光路的折转能力越小，像差矫正越困难。为了增加光路折转能力和矫正各类像差，采用高折射率材料无疑是个最好的办法。所有透镜的材料均采用折射率大于1.65的的玻璃。
如图1所示，光线1为中心视场入射光线，其与光轴Z的夹角为30°，光线2为边缘视场入射光线，其与光轴Z的夹角为100°，此时，整个系统的视场角表示为360°×(30°～100°)。
下面以一个具体的镜头实例，验证本发明的镜头的效果。
该镜头的焦距为2.2mm，F数为3，入瞳直径为0.6mm，适用于分辨率640×512，像元大小为15um，工作波段为1064nm的红外探测器。且所有表面均为标准球面，镜片材料均采用高折射率的火石玻璃。
在本发明该实施案例中，该光学系统的整体焦距值为EFL，光圈值为FNO,视场角为FOV，光学系统总长为TTL。EFL＝-2.2mm，FNO＝3，FOV＝(30°～100°)×360°，像素数为640×512，单个像元大小为15um，TTL＝52mm。全景环带透镜L1的前透射面R1曲率半径为54.1mm，后表面R2的曲率半径为19mm，前反射面R3为平面，第二透镜L2的前表面R4曲率半径为8.3mm，后表面R5曲率半径为5.5mm，第三透镜L3的前表面R6曲率半径为12mm，后表面R7曲率半径为11.6mm；全景环带透镜L1的中心厚度为32mm，第二透镜L2的中心厚度为7.5mm，第三透镜L3的中心厚度为5mm，全景环带透镜L1与第二透镜L2相距1mm，第二透镜L2与第三透镜L3相距1.3mm，第三透镜L3与像面相距5mm。具体的光学系统参数值如表1所示，表中单位：mm。表1中，3为虚拟面，与1是同一面，在镜头光学参数表中体现为了方便理解光线追迹过程，但不参与成像。表中各个面的顺序按照光线追迹的顺序排列。
表1光学系统参数值
图2至图4为本发明应用于实施案例的光学性能曲线图，取8个视场，分别为30°、40°、50°、60°、70°、80°、90°、100°，其中图2为调制传递函数曲线图。调制传递函数曲线图代表了一个光学系统的综合解像水平，由图2可知，奈奎斯特频率33lp/mm处全视场的MTF值≥0.6，接近衍射极限，满足成像要求。
图3为畸变曲线图，大视场光学系统的畸变基本以F-Theta方式表征。畸变曲线图表示不同视场情况下的F-Theta畸变大小值，单位为％。由图3可见，F-Theta畸变绝对值≤±2％。图4为相对照度曲线图。由图4可知，所有视场下的相对照度值＞0.85，说明成像画面明亮，照度均匀。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种三片式近红外全景环带镜头，其特征在于，包括同轴安装的全景环带透镜(L1)、第二透镜(L2)、第三透镜(L3)，其中：
所述全景环带透镜(L1)包含两个反射面和两个透射面，前表面由前透射面(R1)和前反射面(R3)构成，后表面(R2)有环形反射面和圆形透射面构成，两个表面曲率半径相同；
所述第二透镜(L2)为前表面(R4)凸面，后表面(R5)凹面的凹透镜；
所述第三透镜(L3)为前后表面(R6、R7)均为凸面的凸透镜；
系统光阑设置于全景环带透镜(L1)的后表面(R2)或第二透镜(L2)的前表面(R4)上；
光线依次经全景环带透镜(L1)的前透射面(R1)透射、后表面(R2)的环形反射面反射、前反射面(R3)反射、后表面(R2)的圆形透射面透射、第二透镜(L2)、第三透镜(L3)到达像面，形成环形图像。
2.根据权利要求1所述的三片式近红外全景环带镜头，其特征在于，所有透镜的表面面型均为标准球面。
3.根据权利要求1所述的三片式近红外全景环带镜头，其特征在于，所述全景环带透镜(L1)的前反射面(R3)为平面。
4.根据权利要求1所述的三片式近红外全景环带镜头，其特征在于，所述全景环带透镜(L1)为单透镜，且其后表面(R2)的口径小于前透射面(R1)的口径的一半以上，所述后表面(R2)位于中部，其两侧加工成平面，便于装调。
5.根据权利要求1所述的三片式近红外全景环带镜头，其特征在于，所有透镜的材料均采用折射率大于1.65的的玻璃。
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