CN202735579U - 一种非致冷长波红外超广角鱼眼镜头 - Google Patents

Abstract

一种非致冷长波红外超广角鱼眼镜头，由第一弯月负透镜、第二平凹负透镜、第三弯月正透镜、第四弯月正透镜四片镜片组成，光焦度分布为：负、负、正、正，工作波段为8～12μm，四片透镜用压圈和隔圈固定在镜筒内，在压圈的内表面和隔圈的内表面有消光螺纹，第一、二透镜组成前负透镜组与第三、四透镜组成的后正透镜组构成反摄远结构，在第三弯月正透镜的后表面上有光阑面，在第一弯月负透镜的后表面、第二平凹负透镜的后表面以及第四弯月正透镜的后表面为偶次非球面。本实用新型的视场角可达110°，畸变在13.5％以内，镜头采用消光螺纹，有效消除了系统中杂散光，各个视场成像质量均接近衍射极限，具有超广角、高成像质量的优点。

Description

一种非致冷长波红外超广角鱼眼镜头

技术领域

本实用新型涉及一种红外鱼眼镜头，尤其涉及一种非致冷长波红外超广角鱼眼镜头。 

背景技术

普通的红外镜头能观测的视场范围一般在35°～50°之间，在许多需要精确识别、跟踪目标的场合存在视角盲区和局限。为扩大搜索范围、提高识别功能，常常需要同时使用多个红外镜头，这增加了红外设备的成本，限制了红外镜头的更广泛应用。 

目前，为了增大红外光学系统的视场角，常采用三片式物镜(天塞式物镜)、双高斯式物镜或者反摄远型物镜的结构型式。①三片式物镜(天塞式物镜)由正、负、正分离的三片单透镜组成，共有8个变数，是能够同时校正7种像差的最简单结构。透镜材料的选择对成像结果有一定的影响，一般正透镜宜采用高折射率低色散玻璃。这种物镜的视场在50°左右，相对孔径为1／4.5～1／3.5。②双高斯式物镜以厚透镜为基础加上薄透镜而成，可以将球差校正得很好。对称型结构使垂轴像差可以自动校正，并引入一个胶合面来校正色差。这种物镜的视场角约为45°～50°，相对孔径可以达到1／2，但受到轴外球差和高级像散的限制。如果把最后一块透镜分离成两块，或者把中间两个胶合厚透镜中的一个或两个变成分离透镜，可以适当提高物镜的视场或相对孔径。③反摄远型物镜由前、后分开的两组透镜构成，负光焦度透镜在前，正光焦度透镜在后，组成不对称的光路结构，能同时实现大的视场角和大相对孔径。反摄远型物镜，除了具有后工作距长的特点外，与双高斯式物镜相比，由于其物方视场角大于像方视场角，像差相对容易校正，像面照度比较均匀。 

红外鱼眼镜头又称为红外广角镜头，是一种具有大视场角并且要求红外成像质量良好的红外光学系统，其具有较大(宽)的视场角、较小的体积，在相同的使用环境下，红外鱼眼镜头比普通的红外镜头的监测范围广。因此，在监控、搜救领域得到越来越多的应用。但是目前红外鱼眼镜头的研发应用正处于 起步阶段，应用于非致冷长波红外探测器视场角超过100°，且畸变小于13.5%并能消除系统中杂散光的红外鱼眼镜头至今还未见报道。 

发明内容

针对目前的技术空白，本实用新型提供一种可在视场角≤110°的条件下清晰成像，畸变小于13.5％，并在系统中加入杂散光规避措施的非致冷长波红外鱼眼镜头。 

本实用新型所述的非致冷长波红外超广角鱼眼镜头，其特征在于：由第一弯月负透镜、第二平凹负透镜、第三弯月正透镜、第四弯月正透镜共四片镜片组成，光焦度分布为：负、负、正、正，镜头的工作波段为8～12μm，其中，第一弯月负透镜是凸向物面的弯月型负透镜，其用压圈固定在靠物面一端的镜筒内，与第二平凹负透镜间隔有距离；第二平凹负透镜的前、后用第一隔圈和第二隔圈固定在镜筒内，与第三弯月正透镜间隔有距离；第三弯月正透镜是凸向像面的弯月型正透镜，其前、后用第二隔圈和第三隔圈固定在镜筒内，与第四弯月正透镜间隔有距离；第四弯月正透镜是凸向像面的弯月型正透镜，其用第三隔圈固定在靠像面一端的镜筒内，与红外探测器焦平面阵列间隔有距离。四片透镜处在同一光轴上。在压圈的内表面和第一隔圈、第二隔圈、第三隔圈的内表面设计有消光螺纹。第一、二透镜组成前负透镜组与第三、四透镜组成的后正透镜组构成反摄远结构，在第三弯月正透镜的后表面上设置有光阑面，在第一弯月负透镜的后表面、第二平凹负透镜的后表面以及第四弯月正透镜的后表面设计有偶次非球面。 

本实用新型的有益效果为：该红外鱼眼镜头的视场角可达110°，畸变在13.5％以内，镜头采用消光螺纹，有效消除了系统中杂散光，各个视场成像质量均接近衍射极限，具有超广角、高成像质量的优点。 

附图说明

图1为本实用新型的系统图； 

图2为压圈2内表面中的消光螺纹1(比例4：1)结构示意图； 

图3为第一隔圈内表面中的消光螺纹2(比例4：1)结构示意图； 

图4为第二隔圈内表面中的消光螺纹3(比例4：1)结构示意图； 

图5为第三隔圈内表面中的消光螺纹4(比例4：1)结构示意图； 

图6为本实用新型的调制传递函数图。 

图中，1.镜筒，2.压圈(内表面有消光螺纹1)，3.第一弯月负透镜，4.第一隔圈(内表面有消光螺纹2)，5.第二平凹负透镜，6.第二隔圈(内表面有消光螺纹3)，7.第三弯月正透镜，8.第三隔圈(内表面有消光螺纹4)，9.第四弯月正透镜，10.红外探测器焦平面阵列，d1为透镜1到透镜2的距离，d2为透镜2到透镜3的距离，d3为透镜3到透镜4的距离，d4为透镜4到红外探测器焦平面阵列的距离。 

具体实施方式

以下结合附图，通过实施例对本实用新型作进一步的详细说明。 

如图1所示，本实用新型所述的非致冷长波红外超广角鱼眼镜头，由第一弯月负透镜3、第二平凹负透镜5、第三弯月正透镜7、第四弯月正透镜9共四片镜片组成，光焦度分布为：负、负、正、正，镜头的工作波段为8～12μm，其中，第一弯月负透镜3是凸向物面的弯月型负透镜，其用压圈2固定在靠物面一端的镜筒1内，与第二平凹负透镜5的距离为d1；第二平凹负透镜5的前、后用第一隔圈4和第二隔圈6固定在镜筒1内，与第三弯月正透镜7的距离为d2；第三弯月正透镜7是凸向像面的弯月型正透镜，其前、后用第二隔圈6和第三隔圈8固定在镜筒1内，与第四弯月正透镜9的距离为d3；第四弯月正透镜9是凸向像面的弯月型正透镜，其用第三隔圈8固定在靠像面一端的镜筒1内，与红外探测器焦平面阵列10的距离为d4。四片透镜处在同一光轴上。在压圈2的内表面和第一隔圈4、第二隔圈6、第三隔圈8的内表面设计有不同的消光螺纹，如图2至图5所示。第一、二透镜组成前负透镜组与第三、四透镜组成的后正透镜组构成反摄远结构，在第三弯月正透镜7的后表面上设置有光阑面，在第一弯月负透镜3的后表面、第二平凹负透镜5的后表面以及第四弯月正透镜9的后表面设计有偶次非球面。第一弯月负透镜3的前表面、第二平凹负透镜5的前表面、第三弯月正透镜7的前表面和后表面以及第四弯月正透镜9的前表面均采用普通球面。第一弯月负透镜3的前表面镀类金刚石硬碳膜进行保护，其余透镜表面镀高效增透膜。 

如图1所示，四片透镜之间的间距分别为d1=10.32mm，d2=8.74mm，d3=11.16mm，第四弯月正透镜到红外探测器焦平面阵列的距离d4=10mm。四片透镜均采用锗材料制作。 

偶次非球面的方程为： 

$Z=\frac{y^2}{R[1+\sqrt{1-(1+k)y^2/R^2}]}+{\mathrm{Ay}}^4+{\mathrm{By}}^6+{\mathrm{Cy}}^8+{\mathrm{Dy}}^{10}+...$

通过优化计算，得到非球面系数为： 

第一弯月负透镜3后表面的非球面系数为： 

K＝0； 

A＝-2.80489×10^-005； 

B＝7.96564×10^-008； 

C＝-1.60188×10^-009； 

D＝7.46398×10^-012； 

E＝-1.54347×10^-014； 

第二平凹负透镜5后表面的非球面系数为： 

K=0； 

A＝8.24464×10^-005； 

B＝1.12065×10^-006； 

C＝-1.78152×10^-009； 

第四弯月正透镜9后表面的非球面系数为： 

K＝0； 

A＝2.80137×10^-005； 

B＝-4.9466×10^-006； 

C＝6.22854×10^-009； 

本实用新型的光学结构参数如下表所示。 

表面

曲率半径

厚度

材料

折射类型

镜片孔径

[0040] 

物面	无限	无限
						1	28.33	3	锗单晶		35
2	17.38	10.32		折射	29
						3	无限	2	锗单晶		20
4	82.74	8.74		折射	16
						5	-90.16	3.5	锗单晶		18
光阑	-28.15	11.16			20
						7	-591.6	2.6	锗单晶		19
8	-54.3	5		折射	20

本实用新型的特点是： 

1.该镜头的视场角达到110°，并且畸变≤13.5％，各视场成像质量接近衍射极限。在实际应用中，成像质量良好，分辨率高，工作稳定； 

2.材料种类少，成本低。镜头的透镜仅使用一种红外光学材料——锗，加上非球面的设计，成功消除了镜头中的像差，节约了成本； 

3.第一透镜与第二透镜的组合实现了超广角的功能，四片透镜的设计结构简单，便于大批量生产、加工、装配。 

4.系统合理选择了F数，提高了系统的灵敏度，保证了系统的可靠性； 

5.本实用新型准确找出镜头中产生杂散光的部件，并在结构中设计了消光螺纹，有效抑制消除了镜头中的杂散光，提高了镜头的成像质量。 

该红外鱼眼镜头可应用于监测、搜救领域的红外成像系统，并可应用于连续变焦、多视场的红外系统。 

Claims (3)

1.一种非致冷长波红外超广角鱼眼镜头，其特征在于：由第一弯月负透镜⑶、第二平凹负透镜⑸、第三弯月正透镜⑺、第四弯月正透镜⑼共四片镜片组成，光焦度分布为：负、负、正、正，镜头的工作波段为8～12μm，其中，第一弯月负透镜⑶是凸向物面的弯月型负透镜，其用压圈⑵固定在靠物面一端的镜筒⑴内，与第二平凹负透镜⑸间隔有距离；第二平凹负透镜⑸的前、后用第一隔圈⑷和第二隔圈⑹固定在镜筒⑴内，与第三弯月正透镜⑺间隔有距离；第三弯月正透镜⑺是凸向像面的弯月型正透镜，其前、后用第二隔圈⑹和第三隔圈⑻固定在镜筒⑴内，与第四弯月正透镜⑼间隔有距离；第四弯月正透镜⑼是凸向像面的弯月型正透镜，其用第三隔圈⑻固定在靠像面一端的镜筒⑴内，与红外探测器焦平面阵列⑽间隔有距离；四片透镜处在同一光轴上，在压圈⑵的内表面和第一隔圈⑷、第二隔圈⑹、第三隔圈⑻的内表面有消光螺纹；第一弯月负透镜⑶、第二平凹负透镜⑸组成前负透镜组，与第三弯月正透镜⑺、第四弯月正透镜⑼组成的后正透镜组构成反摄远结构，在第三弯月正透镜⑺的后表面上有光阑面，在第一弯月负透镜⑶的后表面、第二平凹负透镜⑸的后表面以及第四弯月正透镜⑼的后表面为偶次非球面。

2.按照权利要求1所述的非致冷长波红外超广角鱼眼镜头，其特征在于：第一弯月负透镜⑶与第二平凹负透镜⑸的距离d1为10.32mm，第二平凹负透镜⑸与第三弯月正透镜⑺的距离d2为8.74mm，第三弯月正透镜⑺与第四弯月正透镜⑼的距离d3为11.16mm，第四弯月正透镜⑼与红外探测器焦平面阵列⑽的距离d4为10mm。

3.按照权利要求1所述的非致冷长波红外超广角鱼眼镜头，其特征在于四片透镜均采用锗材料制作。 

Images