CN202305975U - 一种长波光学消热差镜头 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种长波光学消热差镜头，沿光轴从物方至像方依次设置有三个透镜，第一透镜采用具有正光焦度、低折射率温度系数的硫系玻璃，其第一面为球面，第二面为衍射面，光阑位于第一面上；第二透镜采用具有负光焦度的单晶锗，其透镜两面均为球面或非球面；第三透镜采用具有正光焦度、低折射率温度系数的硫系玻璃或者单晶锗，其透镜两面均为球面或者非球面。所述镜头在宽温度范围内(-40℃～80℃)实现消热差，使得系统的结构变得更为紧凑，系统的装配变得更为简单；其次，光学消热差镜头的成本大幅度下降。实践证明，该种技术方案具有较好的应用效果。

Description

一种长波光学消热差镜头

技术领域

本实用新型涉及一种长波消热差镜头，尤其涉及一种用于宽温度范围内具有消热差性能的长波光学消热差镜头。 

背景技术

随着非制冷探测器技术的成熟，长波红外非制冷光学系统得到了越来越广泛的应用。在一些特殊的使用场合中，红外光学系统的工作温度变化范围很大(-40℃～80℃)，工作温度的变化必然会导致成像系统焦面漂移，进而导致成像质量下降。在这种情况下，光学系统设计中必须采用消热差技术使红外光学系统在一个较大的温度范围内均具有良好的成像质量。 

光学系统的消热差技术可分为主动补偿和被动补偿两类，被动补偿又分为机械被动补偿和光学被动补偿两种。机械被动式补偿是通过使一个或一组透镜产生轴向位移，从而补偿由于温度变化引起的像面位移。光学被动补偿这种技术一般采用两种方式，利用光学材料热特性之问的差异，通过合理选择透镜材料、分配光焦度，以实现使整个光学系统像面位置随温度的变化量与仪器壳体随温度的变化量一致，一般需要使用四片镜片结构，较为复杂。二是采用衍射光学元件的混合红外光学系统，该系统具有结构简单、材料种类少的特点。光学被动消热差较机械消热差技术具有结构简单、重量较轻、性能可靠等特点，具有广泛的应用前景。 

发明内容

本实用新型提供一种长波光学消热差镜头，该镜头采用光学衍射面技术在宽温度范围内实现消热差，具有像质稳定、结构简单、成本较低的特点。 

本实用新型提供的长波光学消热差镜头，其特征在于：沿光轴从物方至像方依次设置有三个透镜，第一透镜采用具有正光焦度、低折射率温度系数的硫 系玻璃，其第一面为球面，第二面为衍射面，光阑位于第一面上；第二透镜采用具有负光焦度的单晶锗，其透镜两面均为球面或非球面；第三透镜采用具有正光焦度、低折射率温度系数的硫系玻璃或者单晶锗，其透镜两面均为球面或者非球面。根据消热差的基本原理，在第一透镜上采用衍射结构，使得第一片透镜产生正热差，与第二透镜和第三透镜产生的负热差及镜筒结构件的热胀冷缩实现消热差。 

本实用新型与现有技术相比，具有以下优势和有益效果： 

首先，本实用新型通过采用三个透镜和衍射面元件实现在宽温度范围内(-40℃～80℃)实现消热差，并且使得系统的结构变得更为紧凑，系统的装配变得更为简单；其次，本实用新型在硫系玻璃上使用衍射技术，利用硫系玻璃具有精密模压的特点，通过精密模压实现批量生产，这样可以大幅度降低衍射元件的加工成本，进而使得光学消热差镜头的成本大幅度下降。实践证明，该种技术方案具有较好的应用效果。 

附图说明

通过下面结合附图对其示例性实施例进行的描述，本实用新型上述特征和优点将会变得更加清楚和容易理解。 

图1是本实用新型所述的长波光学消热差镜头具体实施例的光学结构示意图； 

图2A是具体实施例的镜头在常温状态时的MTF图(单位：mm)； 

图2B是具体实施例的镜头在常温状态时的纵向像差图(单位：mm)； 

图2C是具体实施例的镜头在常温状态时的像散图(单位：mm)； 

图2D是具体实施例的镜头在常温状态时的畸变图(单位：％)； 

图3A是具体实施例的镜头在-40℃状态时的MTF图(单位：mm)； 

图3B是具体实施例的镜头在-40℃状态时的纵向像差图(单位：mm)； 

图3C是具体实施例的镜头在-40℃状态时的像散图(单位：mm)； 

图3D是具体实施例的镜头在-40℃状态时的畸变图(单位：％)； 

图4A是具体实施例的镜头在80℃状态时的MTF图(单位：mm)； 

图4B是具体实施例的镜头在80℃状态时的纵向像差图(单位：mm)； 

图4C是具体实施例的镜头在80℃状态时的像散图(单位：mm)； 

图4D是具体实施例的镜头在80℃状态时的畸变图(单位：％)。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的描述。 

图1是本实用新型所述的长波红外消热差镜头的结构示意图详细说明。 

如图1所示，在镜头1中，包含3片镜片，即第一透镜5、第二透镜6以及第三透镜7，此镜片组构成了本消热差镜头的光路系统。第二透镜6和第三透镜7有隔圈4隔开指定间隔，保证第二透镜6、第三透镜7之间间隔的精确性，第一透镜5和第二透镜6分别用压圈2和压圈3固定，确保红外辐射经过透镜后能够准确的汇聚到探测器的焦平面上。此消热差镜头安装并调焦完成后，可以在宽温度范围(-40°～80°)之间测量，并且成像质量较好。镜头的整个结构件均由铝合金构成。 

第一透镜5采用具有正光焦度的硫系玻璃，其第一光学面为球面，第二光学面为衍射面；第二透镜6采用具有负光焦度，两个面均为球面的单晶锗；第三透镜7采用了正光焦度，两光学面均为球面的硫系玻璃。本款消热差镜头利用透镜各镜片自身的正、负热差值与结构件的热胀冷缩相互补偿，实现镜头对不同温度段的测量。 

光学结构参数表： 

非球面透镜满足下列表达式： 

$Z\left(Y\right)=\frac{Y^2/R}{1+\sqrt{1-|1+K|}{Y}^2/R^2}+A{Y}^4+B{Y}^6+C{Y}^8+D{Y}^{10}+E{Y}^{12}$

式中，Z为非球面沿光轴方向在高度为Y的位置时，距非球面顶点的距离矢高Sag，R表示镜面的近轴曲率半径，k为圆锥系数conic，A、B、C、D、E为高次非球面系数。 

透镜技术参数要求： 

焦距(f)：40mm 

F/#：1.0 

视场角：17.2° 

工作波段：8～14um 

工作温度：-40℃～80℃ 

图2A-2D是图1所述的长波光学消热差镜头的具体实施例在常温状态时的像差分析图，其中，图2A是MTF图、图2B是纵向像差图、图2C是像散图、图2D是畸变图。 

图3A-3D是图1所述的长波光学消热差镜头的具体实施例在-40℃状态时的像差分析图，其中，图2A是MTF图、图2B是纵向像差图、图2C是像散图、图2D是畸变图。 

图4A-4D是图1所述的长波光学消热差镜头的具体实施例在80℃状态时的像差分析图，其中，图2A是MTF图、图2B是纵向像差图、图2C是像散图、图2D是畸变图。 

从以上各温度段的像质分析来看，本款消热差镜头在-40℃～80℃的温度段 均有较好的成像质量，尤其在低温和高温时的成像质量，且整体的光学传递函数在20lp/mm处任保持在45％以上，使像面稳定性保持在一个比较高的水平，同时消热差效果也达到一个较高的水准。 

本款消热差镜头结构比同级别机械消热差简单，质量轻，而且还能利用硫系玻璃可以精密模压的特点进行量产化，大大降低了加工成本。本镜头能够适应恶劣多变的天气状况，在-40℃～80℃的宽温度环境中都有较高的成像质量。而且镜头采用了小F数(F1.0)大相对孔径，保证了镜头能够接受足够的能量，使其具有很高的像面照度。本消热差镜头利用镜片自身的热差值跟结构件的热胀冷缩来实现对各温度段的测量，而且像面稳定，像质好。 

本镜头为安防镜头，能适应恶劣的天气变化，而且消热差能力强，成像质量好，而且还可以利用硫系玻璃可以精密模压的特定进行量产，将来在安防上定会有很好的应用前景。 

虽然上面针对长波光学消热差镜头描述了本发明的原理以及具体实施方式，但是在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行各种改进和变形，而这些改进或者变形均落在本发明的保护范围内。本领域技术人员应该明白，上面的具体描述只是为了解释本发明的目的，而并非用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。 

Claims (1)

1.一种长波光学消热差镜头，其特征在于：沿光轴从物方至像方依次设置有三个透镜，第一透镜采用具有正光焦度、低折射率温度系数的硫系玻璃，其第一面为球面，第二面为衍射面，光阑位于第一面上；第二透镜采用具有负光焦度的单晶锗，其透镜两面均为球面或非球面；第三透镜采用具有正光焦度、低折射率温度系数的硫系玻璃或者单晶锗，其透镜两面均为球面或者非球面。

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