CN116027521B - 一种具备防雾功能的光学无热化镜头及其成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具备防雾功能的光学无热化镜头，包括光学无热化镜头的红外长波系统，所述红外长波系统包括从物侧至像侧沿光轴方向依次设置的第一透镜A101、加热部件HEAT、第二透镜B102、光阑STO、第三透镜C103以及第四透镜D104。本发明不仅结构合理，体积轻巧而且有效解决现有雾天条件下镜头成像不良，保证镜头在恶劣条件下，依然具备高清晰度，而且能够稳定的保持在高温环境中，自动地实现光学消色差，主动消热差，进一步拓展了镜头使用场景，进一步发挥一种具备防雾功能的光学无热化镜头的观测能力。

Description

一种具备防雾功能的光学无热化镜头及其成像方法
技术领域
本发明涉及一种具备防雾功能的光学无热化镜头及其成像方法。
背景技术
由于要满足一些高要求下的条件，比如重量轻巧，那就不能使用占体积重量很大比重的电机去满足高低温条件下的要求，特别是，满足天气恶劣，比如雾天，阴雨天，现在大部分镜头都是直接裸露在外部，对目标直接进行观测。没有完全具备这两点，满足无热化要求的同时，还要具备除雾能力。否则会严重影响镜头的成像效果，限制功能的发挥，也可能会造成安全隐患。
发明内容
本发明对上述问题进行了改进，即本发明要解决的技术问题是提供一种具备防雾功能的光学无热化镜头及其成像方法，不仅结构合理，体积轻巧而且有效解决现有雾天条件下镜头成像不良，保证镜头在恶劣条件下，依然具备高清晰度，而且能够稳定的保持在高温环境中，自动地实现光学消色差，主动消热差，拓展了镜头使用场景，发挥具备防雾功能的光学无热化镜头的观测能力。
本发明是这样构成的，它包括包括光学无热化镜头的红外长波系统，所述红外长波系统包括从物侧至像侧沿光轴方向依次设置的第一透镜A101、加热部件HEAT、第二透镜B102、光阑STO、第三透镜C103以及第四透镜D104；所述第一透镜A101为具有负光焦度的负弯月透镜，且负弯月透镜的物侧面为凸面，像侧面为凹面；所述第二透镜B102为具有正光焦度的平凸透镜，且平凸透镜的物侧面为平面，像侧面为凸面；所述第三透镜C103为正光焦度的正弯月透镜，且正弯月透镜的物侧面为凹面，像侧面为凸面；所述第四透镜D104为保护窗口，物侧面、像侧面均为平面。
进一步的，光学系统满足：-25<fA<-14，18<fB<21，4<fC<10，其中fA、fB、fC分别为第一透镜A101、第二透镜B102、第三透镜C103的焦距。
进一步的，所述第一透镜A101和第二透镜B102之间的空气间隔为1.2mm-2.0mm，第二透镜B102和光阑STO之间的空气间隔为0.5mm-0.9mm,光阑STO与第三透镜C103之间的空气间隔为1.0-1.3mm,第三透镜C103到第四透镜D104之间的空气间隔6.5mm-7.5mm。
进一步的，光学系统满足：2.2<|fA/ f|<3.0，2.5<|fB/f|<3.2，0.45<|fC/f|<0.95；其中fA、fB、fC依次为第一透镜A101、第二透镜B102、第三透镜C103的焦距，f 为光学无热化系统的焦距。
进一步的，第一透镜A101满足关系式：N d≥2.40，V d≤154；所述第二透镜B102满足关系式：N d≥2.40，V d≤154；所述第三透镜C103满足关系式：N d≥2.40，V d≤154；其中N d为折射率，V d为阿贝常数。
进一步的，所述第一透镜的像侧面、第二透镜的像侧面、第三透镜的像侧面均为偶次非球面，偶次非球面的面型方程如下：
；
其中，Z为非球面沿着光轴方向到达高度为r的位置时，距离非球面顶点的失高；c=1/r，r表示镜面的近轴曲率半径，k为圆锥系数，A2、A4、A6、A8、A10、A12表示为高次非球面系数。
进一步的，光学系统满足：IMGH/f <0.7，tanω/(IMGH/f)<1.424；其中，IMGH为光学无热化镜头所使用的探测器的半像高，f为为光学无热化系统的焦距,ω为光学无热化系统的半视场角。
进一步的，光学系统的光学总长TTL 满足：TTL<20mm。
进一步的，一种具备防雾功能的光学无热化镜头的成像方法，光线自左向右依次通过第一透镜、第二透镜、第三透镜后进行成像。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明结构紧凑，设计合理，不仅结构合理，体积轻巧而且有效解决现有雾天条件下镜头成像不良，保证镜头在恶劣条件下，依然具备高清晰度，而且能够稳定的保持在高温环境中，自动地实现光学消色差，主动消热差，进一步拓展了镜头使用场景，进一步发挥一种具备防雾功能的光学无热化镜头的观测能力。
附图说明
图1是本发明实施例的光学结构示意图；
图2是本发明实施例光学无热化镜头的常温条件下MTF曲线图；
图3是本发明实施例光学无热化镜头的低温-40℃条件下的MTF曲线图；
图4是本发明实施例光学无热化镜头的高温85℃条件下的MTF曲线图；
图5是本发明实施例光学无热化镜头的场曲和畸变曲线图；
图中：A101-第一透镜；B102-第二透镜；C103-第三透镜；D104-第四透镜；STO-光阑面;HEAT-加热软片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
实施例1：参照附图1-5所示，本实施例中，提供一种具备防雾功能的光学无热化镜头，包括光学无热化镜头的红外长波系统，所述红外长波系统包括从物侧至像侧沿光轴方向依次设置的第一透镜A101、加热部件HEAT、第二透镜B102、光阑STO、第三透镜C103以及第四透镜D104；所述第一透镜A101为具有负光焦度的负弯月透镜，且负弯月透镜的物侧面为凸面，像侧面为凹面；所述第二透镜B102为具有正光焦度的平凸透镜，且平凸透镜的物侧面为平面，像侧面为凸面；所述第三透镜C103为正光焦度的正弯月透镜，且正弯月透镜的物侧面为凹面，像侧面为凸面；所述第四透镜D104为保护窗口，物侧面、像侧面均为平面。
在本实施例中，光学系统满足：-25<fA<-14，18<fB<21，4<fC<10，其中fA、fB、fC分别为第一透镜A101、第二透镜B102、第三透镜C103的焦距。
在本实施例中，所述第一透镜A101和第二透镜B102之间的空气间隔为1.2mm-2.0mm，第二透镜B102和光阑STO之间的空气间隔为0.5mm-0.9mm,光阑STO与第三透镜C103之间的空气间隔为1.0-1.3mm,第三透镜C103到第四透镜D104之间的空气间隔6.5mm-7.5mm。
在本实施例中，光学系统满足：2.2<|fA/ f|<3.0，2.5<|fB/f|<3.2，0.45<|fC/f|<0.95；其中fA、fB、fC依次为第一透镜A101、第二透镜B102、第三透镜C103的焦距，f 为光学无热化系统的焦距。
在本实施例中，第一透镜A101满足关系式：N d≥2.40，V d≤154；所述第二透镜B102满足关系式：N d≥2.40，V d≤154；所述第三透镜C103满足关系式：N d≥2.40，V d≤154；其中N d为折射率，V d为阿贝常数，更有利于矫正高级像差；同时，玻璃透镜选用了膨胀率好的材料，能够比较好满足光学无热化消热差的需求。
在本实施例中，所述第一透镜的像侧面、第二透镜的像侧面、第三透镜的像侧面均为偶次非球面。非球面的加入能够在简化系统结构形式的同时，还可以提高系统像质，使系统小型化，轻便化，携带方便，使用简明，提高市场应用占有率。考虑到光学系统的像差性能的特点，有针对性的设置非球面，能够很好地控制系统的像差；将非球面设置在镜片上，能够很好地管控和校正轴外像差。
在本实施例中，光学系统满足：IMGH/f <0.7，tanω/(IMGH/f)<1.424；其中，IMGH为光学无热化镜头所使用的探测器的半像高，f为为光学无热化系统的焦距,ω为光学无热化系统的半视场角。
本实施例中，正光焦度透镜中至少有一片采用衍射透镜实现系统光学无热化消热像差，并且系统紧凑轻巧，镜片总重量小于4g。衍射面的使用能够缩小系统总长、进而降低系统的重量，更好的满足高质量的成像要求。
实施例2：在实施例1的基础上，本实施例中，光学系统的光学总长TTL 满足：TTL<20mm。
满足了上述比例条件，可以使该光学系统在8～12um的波长范围内的像差得到合理的校正与平衡。该光学系统在42lp/mm处边缘MTF均接近衍射极限，解析度高，成像质量好。
当前红外系统的镜片一般会使用衍射面的加工，技术也已经趋于成熟，衍射面的加入，能实现红外光学无热化系统匹配对紧凑与轻巧要求，降低成本，镜片总重量小于4g，长度小于20mm。
在本实施例中，第三透镜右侧设有第四透镜D104和像面。
本实施例中，第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜构成光学元件参数汇总表，能满足以下技术指标：
1.焦距7.35mm；
2.F数为1.0；
3.视场角2ω：85.5°；
4.匹配探测器640*480 10μm。
各个镜片的具体参数如下表1所示；其中镜片A、B、C、D分别对应第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，S1、S2、S3…标识依次是第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜沿光线入射方向自左向右对应各个表面参数，间隔表示该表面至下一表面中心间距。
表1
本实施例中，所述第一透镜的像侧面、第二透镜的像侧面、第三透镜的像侧面均为偶次非球面，偶次非球面的面型方程如下：
；
其中，Z为非球面沿着光轴方向到达高度为r的位置时，距离非球面顶点的失高；c=1/r，r表示镜面的近轴曲率半径，k为圆锥系数，A2、A4、A6、A8、A10、A12表示为高次非球面系数。
高次非球面系数表如下表2所示：
表2
本实施例中，衍射面S3，Zemax中的相位分布函数=M(B1r2)，归化半径为7.0mm，B1=-51.2772514,B2=9.160053315。
调制传递函数能够综合、客观、有效的对成像光学系统进行评价，是对光学系统进行像质评价的一种主要手段。从图2、图3和图4的MTF曲线可以看出，该系统的MTF曲线在各视场没有明显下降，比较集中，不同视场的MTF曲线非常接近，在频率42.0cy/mm处，各色光，各视场的传递函数均大于0.30，绝大部分视场MTF大于0.35。
图5所示为本实施例中的光学成像镜头的场曲和畸变图，控制较好，场曲均在±0.03mm内，能很好的保证画面整体的清晰度。
本实施例中，光线自左向右依次通过第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜后在探测器靶面上成像。
本发明结构紧凑，设计合理，不仅结构合理，体积轻巧而且有效解决现有雾天条件下镜头成像不良，保证镜头在恶劣条件下，依然具备高清晰度，而且能够稳定的保持在高温环境中，自动地实现光学消色差，主动消热差，进一步拓展了镜头使用场景，进一步发挥一种具备防雾功能的光学无热化镜头的观测能力。
本实施例中，各个透镜均采用全折射玻璃制成；采用全折射玻璃设计并结合非球面，光学TTL小于20mm，镜头整体体积较紧凑，且利用材料的色散特点进行正负光焦度设计，安装使用方便，适用于640x480,10μm的机芯，保证镜头在恶劣条件下，依然具备高清晰度，而且能够稳定的保持在高温环境中，自动地实现光学消色差，主动消热差，进一步拓展了镜头使用场景，进一步发挥一种具备防雾功能的光学无热化镜头的观测能力。
本实施例中，该镜头采用第一透镜、第二透镜和第三透镜，采用非球面元件搭配普通玻璃的按照负、正、正的光焦度组合实现复消色差，衍射面的加入，能实现除雾和光学无热化的要求。
本发明的优点在于：本发明结构紧凑，设计合理，不仅结构合理，体积轻巧而且有效解决现有雾天条件下镜头成像不良，保证镜头在恶劣条件下，依然具备高清晰度，而且能够稳定的保持在高温环境中，自动地实现光学消色差，主动消热差，进一步拓展了镜头使用场景，进一步发挥一种具备防雾功能的光学无热化镜头的观测能力。
上述本发明所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本发明才公开部分数值以举例说明本发明的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本发明创造保护范围的限制。
同时，上述本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接( 例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构( 例如使用铸造工艺一体成形制造出来) 所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。
如果本文中使用了“第一”、“第二”等词语来限定零部件的话，本领域技术人员应该知晓：“第一”、“第二”的使用仅仅是为了便于描述上对零部件进行区别如没有另行声明外，上述词语并没有特殊的含义。
另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。
本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (5)

1.一种具备防雾功能的光学无热化镜头，其特征在于，包括光学无热化镜头的红外长波系统，所述红外长波系统从物侧至像侧沿光轴方向依次由第一透镜A101、加热部件HEAT、第二透镜B102、光阑STO、第三透镜C103和第四透镜D104组成；所述第一透镜A101为具有负光焦度的负弯月透镜，且负弯月透镜的物侧面为凸面，像侧面为凹面；所述第二透镜B102为具有正光焦度的平凸透镜，且平凸透镜的物侧面为平面，像侧面为凸面；所述第三透镜C103为正光焦度的正弯月透镜，且正弯月透镜的物侧面为凹面，像侧面为凸面；所述第四透镜D104为保护窗口，物侧面、像侧面均为平面；
所述第一透镜A101和第二透镜B102之间的空气间隔为1.2mm-2.0mm，第二透镜B102和光阑STO之间的空气间隔为0.5mm-0.9mm,光阑STO与第三透镜C103之间的空气间隔为1.0-1.3mm,第三透镜C103到第四透镜D104之间的空气间隔6.5mm-7.5mm；
光学系统满足：-25<fA<-14，18<fB<21，4<fC<10，其中fA、fB、fC分别为第一透镜A101、第二透镜B102、第三透镜C103的焦距；
光学系统满足：2.2<|fA/ f|<3.0，2.5<|fB/f|<3.2，0.45<|fC/f|<0.95；其中fA、fB、fC依次为第一透镜A101、第二透镜B102、第三透镜C103的焦距，f 为光学无热化系统的焦距；
第一透镜A101满足关系式：N d≥2.40，V d≤154；所述第二透镜B102满足关系式：N d≥2.40，V d≤154；所述第三透镜C103满足关系式：N d≥2.40，V d≤154；其中N d为折射率，V d为阿贝常数。
2.根据权利要求1所述的一种具备防雾功能的光学无热化镜头，其特征在于，所述第一透镜的像侧面、第二透镜的像侧面、第三透镜的像侧面均为偶次非球面，偶次非球面的面型方程如下：
；
其中，Z为非球面沿着光轴方向到达高度为r的位置时，距离非球面顶点的失高；c=1/r，r表示镜面的近轴曲率半径，k为圆锥系数，A2、A4、A6、A8、A10、A12表示为高次非球面系数。
3.根据权利要求1所述的一种具备防雾功能的光学无热化镜头，其特征在于，光学系统满足：IMGH/f <0.7，tanω/(IMGH/f)<1.424；其中，IMGH为光学无热化镜头所使用的探测器的半像高，f为为光学无热化系统的焦距,ω为光学无热化系统的半视场角。
4.根据权利要求1所述的一种具备防雾功能的光学无热化镜头，其特征在于，光学系统的光学总长TTL 满足：TTL<20mm。
5.一种如权利要求1~4任一所述的具备防雾功能的光学无热化镜头的成像方法，其特征在于，光线自左向右依次通过第一透镜、第二透镜、第三透镜后进行成像。
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