CN204086666U

CN204086666U - 一种应用硫系玻璃的红外车载镜头

Info

Publication number: CN204086666U
Application number: CN201420302989.7U
Authority: CN
Inventors: 吴越豪; 姜波; 戴世勋; 张巍; 张培晴; 宋宝安; 王训四
Original assignee: Ningbo University
Current assignee: Ningbo University
Priority date: 2014-06-09
Filing date: 2014-06-09
Publication date: 2015-01-07
Anticipated expiration: 2024-06-09

Abstract

一种应用硫系玻璃的红外车载镜头，包括沿光轴从物方到像方，依次设置的第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片和第五镜片，其特征在于：所述第一镜片为负光焦度的弯月形镜片，所述第二镜片为正光焦度的弯月形镜片，所述第三镜片为负光焦度的弯月形镜片，所述第四镜片为正光焦度的弯月形镜片，所述第五镜片为正光焦度的弯月形镜片，并且在第二镜片与第三镜片之间设置光阑，所述第二镜片和第五镜片采用硫系玻璃材料制成。本实用新型应用硫系玻璃红外车载镜头，具有较好的光学性能，实现了大孔径、大视场、消色差和消热差的功能。

Description

一种应用硫系玻璃的红外车载镜头

技术领域

本实用新型涉及一种镜头，特别是涉及一种应用硫系玻璃的镜头。

背景技术

红外成像系统可以帮助车辆驾驶员在夜间行驶时获得距离更远、分辨率更高、对比度更好的图像信息，并且能够避免对面耀眼车灯造成的视觉盲区，从而有效降低在夜间由于有效可见光图像信息缺失造成的驾驶困难，提升夜间驾驶的安全性。

此外，红外成像系统无论是在雾天、雨雪天、灰尘和浓烟的条件下，都可以形成有效的光学图像信息，帮助驾驶员在复杂自然环境下进行观察和驾驶。常规红外镜头的材料包括锗、硫化锌、硒化锌等，这些材料一方面制备成本极高，不利于民用市场的大规模推广；另一方面只能采用昂贵费时的单点金刚石车削技术加工高品质成像所需要的非球面镜头。此外，常规红外材料种类不多，折射率、折射率温度系数、阿贝常数、热膨胀系数等关乎光学系统消色差、热差的光学参数选择也较为有限。因此，也为红外成像系统的镜头设计带来了不少局限性。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种应用硫系玻璃的红外车载镜头。

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种应用硫系玻璃的红外车载镜头，包括沿光轴从物方到像方，依次设置的第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片和第五镜片，其特征在于：所述第一镜片为负光焦度的弯月形镜片，所述第二镜片为正光焦度的弯月形镜片，所述第三镜片为负光焦度的弯月形镜片，所述第四镜片为正光焦度的弯月形镜片，所述第五镜片为正光焦度的弯月形镜片，并且在第二镜片与第三镜片之间设置光阑，所述第二镜片和第五镜片采用硫系玻璃材料制成。

优选地，该第一镜片的凹方朝向物方，凹方采用非球面；第二镜片的凸方朝向物方，凸方采用非球面；第三镜片的凸方朝向物方，凸方采用非球面；第四镜片的凸方朝向物方，凸方采用非球面；第五镜片的凸方朝向像方。

优选地，上述五片镜片满足以下条件：

-0.4＜f₁/f＜-0.2，|f₂|＞|f₁|，-0.8＜f/f₃＜-0.6，f₅＞f₄；0＜dn₁/dt＝dn₄/dt＜5e^-4，0＜dn₂/dt＜1e^-4，0＜dn₃/dt＜5e^-5，0＜dn₅/dt＜1e^-4；其中f为整个镜头的焦距，f₁、f₂、f₃、f₄、f₅分别为每片镜片的焦距，dn₁/dt为第一镜片的折射率温度系数；dn₂/dt为第二镜片的折射率温度系数；dn₃/dt为第三镜片的折射率温度系数；dn₄/dt为第四镜片的折射率温度系数；dn₅/dt为第五镜片的折射率温度系数。

优选地，所述第五镜片与像平面之间还设有保护玻璃。

与现有技术相比，本实用新型的优点在本实用新型的应用硫系玻璃的红外车载镜头于具有较好的光学性能，实现了大孔径、大视场、消色差和消热差的功能。

附图说明

图1为本实用新型的红外车载镜头的结构示意图。

图2a、2b分别是本实用新型的红外车载镜头在温度20℃时视场角0°时的子午像差和孤矢像差。

图2c、2d分别是本实用新型的红外车载镜头在温度20℃时视场角16°时的子午像差和孤矢像差。

图3a、3b分别是本实用新型的红外车载镜头在温度-40℃时视场角0°时的子午像差和孤矢像差。

图3c、3d分别是本实用新型的红外车载镜头在温度-40℃时视场角16°时的子午像差和孤矢像差。

图4a、4b分别是本实用新型的红外车载镜头在温度60℃时视场角0°时的子午像差和孤矢像差。

图4c、4d分别是本实用新型的红外车载镜头在温度60℃时视场角16°时的子午像差和孤矢像差。

图5a、5b分别是本实用新型的红外车载镜头在温度20℃时视场角0°、16°的FFTMTF图。

图6a、6b分别是本实用新型的红外车载镜头在温度-40℃时视场角0°、16°的FFTMTF图。

图7a、7b分别是本实用新型的红外车载镜头在温度60℃时视场角0°、16°的FFTMTF图。

图8是本实用新型的红外车载镜头在温度20℃时的色差曲线。

图9是本实用新型的红外车载镜头在温度-40℃时的色差曲线。

图10是本实用新型的红外车载镜头在温度60℃时的色差曲线。

图11a、11b分别是本实用新型的红外车载镜头在温度20℃时，波长为8μm时的场曲和畸变。

图11c、11d分别是本实用新型的红外车载镜头在温度20℃时，波长为12μm时的场曲和畸变。

图12a、12b分别是本实用新型的红外车载镜头在温度-40℃时，波长为8μm时的场曲和畸变。

图12c、12d分别是是本实用新型的红外车载镜头在温度-40℃时，波长为12μm时的场曲和畸变。

图13a、13b分别是本实用新型的红外车载镜头在温度60℃时，波长为8μm时的场曲和畸变。

图13c、13d分别是本实用新型的红外车载镜头在温度60℃时，波长为12μm时的场曲和畸变。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。

本实用新型的红外车载镜头，如图1所示，包括五片透镜，沿光轴从物方到像方，依次包括第一镜片E1，该第一镜片E1为负光焦度的弯月形镜片，凹方朝向物方，凹方采用非球面；第二镜片为正光焦度的弯月形镜片，凸方朝向物方，凸方采用非球面；第三镜片E3为负光焦度的弯月形镜片，凸方朝向像方，凸方采用非球面；第四镜片E4为正光焦度的弯月形镜片，凸方朝向物方，凸方采用非球面；第五镜片E5为正光焦度的弯月形镜片，凸方朝向像方。

并且上述五片镜片的光学参数满足以下关系式：

-0.4＜f₁/f＜-0.2，|f₂|＞|f₁|，-0.8＜f/f₃＜-0.6，f₅＞f₄。

其中f为整个镜头的焦距，f₁、f₂、f₃、f₄、f₅分别为每片镜片的焦距。

整个红外车载镜头的入射光阑位于第一镜片的前方，并且在第二和第三镜片之间设置光阑STOP。

并且该五片镜片还满足以下关系式：

0＜dn₁/dt＝dn₄/dt＜5e^-4，0＜dn₂/dt＜1e^-4，0＜dn₃/dt＜5e^-5，0＜dn₅/dt＜1e^-4。

其中，dn₁/dt为第一镜片E1的折射率温度系数；其中dn₂/dt为第二镜片E2的折射率温度系数；其中dn₃/dt为第三镜片E3的折射率温度系数；dn₄/dt为第四镜片E4的折射率温度系数；其中dn₅/dt为第五镜片E5的折射率温度系数。

其中第一、四镜片为锗(Ge)材料，第三镜片为硫化锌(ZnS)材料，第二、五镜片为硫系玻璃材料BD1和BD2，其中BD1(Black Diamond1)和BD2(Black Diamond2)为美国LightPath公司销售的两种硫系玻璃，其组分分别为Ge₃₃As₁₂Se₅₅和Ge₂₈Sb₁₂Se₆₀。当然也可以采用其他硫系玻璃材料。

本实用新型采用不同外形的镜片组合以及利用合理光焦度分配实现大孔径，大视场的成像功能，可以达到镜头的F数为1.2，对角视场2ω＝45.2°，光学后焦距(BFL)>20mm，在18lp/mm的空间分辨率下，调制传递函数(MTF)f_MT≥0.6，接近衍射极限。各镜片的焦度关系合理限定在一定范围，可以使得各镜片形状较为正常，减小镜片制备难度，并且可以各种光学像差达到平衡，实现接近衍射极限的成像质量，使光学性能更加优异。通过选择具备特定阿贝常数、特定dn/dt关系的硫系玻璃以及其它常规红外材料组合，实现了在8～12μm波长范围内，在-40℃～60℃的温度范围内都实现接近衍射极限的成像质量，达到系统消色差、消热差的效果。

优选地，各镜片的光焦度如下：Φ₁＝-0.11763848；Φ₂＝0.02799205；Φ₃＝-0.02768241；Φ₄＝0.4051546；Φ₅＝0.02034019。并且五片镜片的折射率温度系数分别为：dn₁/dt＝4.1301e^-4(即dn₁/dt＝4.1301×10^-4)，dn₂/dt＝7.2561e^-5，dn₃/dt＝3.8405e^-5，dn₄/dt＝4.1301e^-4，dn₅/dt＝9.0596e^-5。

沿光轴从物方向着像方将各个部件的表面依次编号，第一镜片E1的镜面分别为S1、S2，第二镜片E2的镜面为S3、S4，光阑STOP，第三镜片E3的镜面为S5、S6，第四镜片E4的镜面为S7、S8，第五镜片E5的镜面为S9、S10，像面为S13，并且在第五镜片E5和像面S13之间还设有一保护玻璃E6，该保护玻璃的两个表面分别为S11和S12。表1列出的是具体系统的镜片相关参数，包含镜片面的表面类型、曲率半径，还有各镜片的厚度、材料、镜片半径以及圆锥系数。表2列出的是非球面镜片的每个非球面的非球面系数。

表1：

其中每个面的厚度，表示该面到后面一个面之间的光轴上的距离。

表2：

面序号

A

B

C

D

E

F

S1

7.539e^-3

-7.389e^-5

3.856e^-7

-1.886e^-9

5.656e^-12

-7.902e^-15

S3

1.061e^-3

-8.442e^-6

1.503e^-8

-2.358e^-11

2.237e^-14

-1.023e^-17

S5

8.454e^-3

-5.215e^-6

1.551e^-8

-2.717e^-11

2.385e^-14

-5.764e^-18

S7

-6.400e^-2

-7.796e^-6

4.324e^-9

-2.718e^-12

1.554e^-15

-5.907e^-19

根据图1、表1、2设计的应用硫系玻璃的红外车载镜头，其光学系统焦距为24mm；系统采用一次成像方式；系统第一面S1到探测器保护玻璃E6的轴向空间长度为64.248mm；F数为1.2；全视场内畸变<5％。适用的探测器为像素数是640×512、像素大小为25μm的非制冷长波红外焦平面探测器，适用波长为8μm～12μm；中心波长为10μm；有效成像面积16mm×12.8mm；保护玻璃厚度0.400mm，材料为锗；距离保护玻璃4.565mm为探测器像面。

图2a～13d展示了该镜头的各种光学性能。图2a-4d分别为本实用新型的红外车载镜头在不同温度和不同视场角下的子午像差和弧矢像差。其中图中的不同曲线表示不同的波长，横轴为光学系统入瞳的标量，范围从-1到+1之间；竖轴为主光线在像面上的实际入射位置与理想入射位置之间的距离，范围从-50um到+50um之间；从图中可以看到，系统在各个视场角所形成的像差大部分都控制在100μm以下，并且不同波长的光在不同的温度和视场角下的像差曲线重合度都较好，可以说明该镜头具有较好的消色差能力。

图5a-7b分别为本实用新型的红外车载镜头在不同温度、不同视场角下的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(图中标示为T)和代表弧矢平面的MTF曲线(图中标示为S)都较为接近。该系统在不同温度时各视场角的MTF曲线在空间频率18.0lp/mm处均大于0.6，且与衍射极限(图中标示为DIFF.LIMIT)极为接近，表明系统的综合成像质量较好。

图8、9、10是该镜头在不同温度下的色差曲线，横轴为焦距偏移量，竖轴为波长。说明在8-12μm的范围内，在8μm和12μm处基本上没有焦距偏移，消色差效果较好。最大偏移量约为11μm，发生在波长为10μm的情况下。

图11a-13d分别为不同温度下不同波长的场曲和畸变，其中场曲图中有子午场曲(T)和弧矢场曲(S)两条曲线。竖轴表示+Y方向的视场(竖轴最高点代表+Y方向上的最大视场)；横轴为对应视场的实际像点与近轴像点的轴向距离(单位为mm)。图中可见不同波长不同温度下的场曲值(相对于实际像面)均小于0.15mm。而畸变图中，竖轴为+Y方向的视场(竖轴最高点代表+Y方向上的最大视场)；横轴为Zemax软件计算的像面畸变(单位为百分比)。图中可见不同温度下系统畸变基本一致。最大畸变出现在最大视场处，约为3％。

上述表格中的具体参数仅是例示型的，各镜片成分曲率半径、面间隔以及折射率的值等，不限于由上述系统所示的值，可以采取其他的值，都可以达到类似的技术效果。

因此本实用新型应用硫系玻璃红外车载镜头，具有较好的光学性能，实现了大孔径、大视场、消色差和消热差的功能。

本实用新型采用近年新出现的红外材料——硫系玻璃局部替代常规红外材料制备非球面镜片，不仅制备工艺较为经济方便，而且可采用高精度模压的方式制备非球面镜片，从而显著降低制作高成像品质红外镜头的时间和经济成本，通过合理的组分优化，可以有针对性地设计制备具有特殊折射率、折射率温度系数等光学参数的硫系玻璃，有效地拓展了红外光学成像系统的设计自由度。

Claims

1.一种应用硫系玻璃的红外车载镜头，包括沿光轴从物方到像方，依次设置的第一镜片(E1)、第二镜片(E2)、第三镜片(E3)、第四镜片(E4)和第五镜片(E5)，其特征在于：所述第一镜片(E1)为负光焦度的弯月形镜片，所述第二镜片(E2)为正光焦度的弯月形镜片，所述第三镜片(E3)为负光焦度的弯月形镜片，所述第四镜片(E4)为正光焦度的弯月形镜片，所述第五镜片(E5)为正光焦度的弯月形镜片，并且在第二镜片(E2)与第三镜片(E3)之间设置光阑(STOP)，所述第二镜片(E2)和第五镜片(E5)采用硫系玻璃材料制成。

2.如权利要求1所述的红外车载镜头，其特征在于：该第一镜片(E1)的凹方朝向物方，凹方采用非球面；第二镜片(E2)的凸方朝向物方，凸方采用非球面；第三镜片(E3)的凸方朝向物方，凸方采用非球面；第四镜片(E4)的凸方朝向物方，凸方采用非球面；第五镜片(E5)的凸方朝向像方。

3.如权利要求2所述的红外车载镜头，其特征在于：上述五片镜片满足以下条件：

-0.4＜f₁/f＜-0.2，|f₂|＞|f₁|，-0.8＜f/f₃＜-0.6，f₅＞f₄；0＜dn₁/dt＝dn₄/dt＜5e^-4，0＜dn₂/dt＜1e^-4，0＜dn₃/dt＜5e^-5，0＜dn₅/dt＜1e^-4；其中f为整个镜头的焦距，f₁、f₂、f₃、f₄、f₅分别为每片镜片的焦距，dn₁/dt为第一镜片(E1)的折射率温度系数；dn₂/dt为第二镜片(E2)的折射率温度系数；dn₃/dt为第三镜片(E3)的折射率温度系数；dn₄/dt为第四镜片(E4)的折射率温度系数；dn₅/dt为第五镜片(E5)的折射率温度系数。

4.如权利要求1所述的红外车载镜头，其特征在于：所述第五镜片(E5)与像平面之间还设有保护玻璃。