CN206489319U - 一种小型长波无热化镜头 - Google Patents

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卢雪
冯立伟
张昕
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Abstract

本实用新型公开了一种小型长波无热化镜头，其特征在于，包括：沿光入射方向依次同轴设置的第一透镜(1)、第二透镜(2)、第三透镜(3)，第三透镜(3)前方为窗口(4)和探测器像面(5)；第一透镜(1)具有正光焦度，其入光面为非球面，出光面为球面，光阑位于入光面上，以减小系统的体积；第二透镜(2)具有负光焦度，其入光面和出光面均为非球面；第三透镜(3)具有正光焦度，其入光面为球面，出光面为非球面。本实用新型镜头总长仅有17mm，重量轻，体积小，结构非常紧凑，配合透镜的热胀冷缩，实现了‑40℃～85℃的宽温度段范围内无热化设计，并且满足了384*288(17微米)的高分辨率要求，成像质量好。

Description

一种小型长波无热化镜头
技术领域
本实用新型属于光学元件设计领域，涉及一种小型长波无热化镜头。
背景技术
现有公开技术中，长波红外非制冷光学系统工作温度范围一般为-40℃～60℃，且系统较长。在一些特殊的场合中，红外光学系统的工作温度变化范围很大(-40℃～85℃)，且要求系统结构紧凑，分辨率较高，以满足新型的384*288，17微米非制冷探测器的应用要求。所以，为适应新的需求，就需要设计一种小型长波无热化镜头。
实用新型内容
(一)要解决的技术问题
本实用新型要解决的技术问题是：提供一种小型长波无热化镜头，利用镜片本身的热差值与结构件的热胀冷缩原理实现-40℃～85℃宽温度范围内之间的测量，并且能够满足384*288(17微米)的高分辨率要求，成像质量较好。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种小型长波无热化镜头，其包括：沿光入射方向依次同轴设置的第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3，第三透镜3前方为窗口4和探测器像面5；第一透镜1具有正光焦度，其入光面为非球面，出光面为球面，光阑位于入光面上，以减小系统的体积；第二透镜2具有负光焦度，其入光面和出光面均为非球面；第三透镜3具有正光焦度，其入光面为球面，出光面为非球面。
其中，还包括镜筒与透镜隔圈，第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3分别通过透镜隔圈安装在镜筒内。
其中，所述第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3采用硫系玻璃制成。
其中，所述镜筒与透镜隔圈均由铝合金制作。
其中，所述窗口4两侧表面为平面，由硅制成。
其中，所述第一透镜1中，入光面的曲率半径为9.13mm，出光面的半径为14.1mm，焦距为10.60mm。
其中，所述第二透镜2中，入光面的曲率半径为11.16mm，出光面的半径为6.11mm，焦距为-11.13mm。
其中，所述第三透镜3中，入光面的曲率半径为24.34mm，出光面的半径为-80.28mm，焦距为10.65mm。
其中，第一透镜1厚度为2.91mm，第二透镜2厚度为2mm，第三透镜3厚度为2.23mm，窗口4厚度为0.725mm。
其中，第一透镜1与第二透镜2之间的间距是0.64mm，第二透镜2与第三透镜3之间的间距是5.10mm，第三透镜3与窗口4之间的间距是2.31mm，窗口4与探测器像面5之间的距离为1.1mm。
(三)有益效果
上述技术方案所提供的小型长波无热化镜头，镜头总长仅有17mm，重量轻，体积小，结构非常紧凑，配合透镜的热胀冷缩，实现了-40℃～85℃的宽温度段范围内无热化设计，并且满足了384*288(17微米)的高分辨率要求，成像质量好。
附图说明
图1为本实用新型实施例小型长波无热化镜头的结构示意图。
图中，1-第一透镜、2-第二透镜、3-第三透镜、4-窗口、5-探测器像面。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。
参照图1所示，本实施例小型长波无热化镜头包括：沿光入射方向依次同轴设置的第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、窗口4以及探测器像面5。第一透镜1具有正光焦度，其入光面为非球面，出光面为球面，光阑位于入光面上，以减小系统的体积；第二透镜2具有负光焦度，其入光面和出光面均为非球面；第三透镜3具有正光焦度，其入光面为球面，出光面为非球面。
本实施例镜头还包括镜筒与透镜隔圈，第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3分别通过透镜隔圈安装在镜筒内。
第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3全部采用低折射率温度系数的硫系玻璃制成。窗口4两侧为平面，由硅制成。
镜筒与透镜隔圈均由铝合金制作。
第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、镜筒与透镜隔圈的热膨胀系数以及透镜间隔、曲率半径必须满足公式才能达到消热差的目的，其中，
n为光学元件的总面数；
为光学元件的光焦度；
hi为近轴光线在光学元件的入射高度；
xi为光学元件的光热膨胀系数；
αk为光学系统为外部结构件的线膨胀系数；
L为镜筒的长度。
本实施例中，第一透镜1中，入光面的曲率半径为9.13mm，出光面的半径为14.1mm，焦距为10.60mm。
第二透镜2中，入光面的曲率半径为11.16mm，出光面的半径为6.11mm，焦距为-11.13mm。
第三透镜3中，入光面的曲率半径为24.34mm，出光面的半径为-80.28mm，焦距为10.65mm。
第一透镜1厚度为2.91mm，第二透镜2厚度为2mm，第三透镜3厚度为2.23mm，窗口4厚度为0.725mm。
第一透镜1与第二透镜2之间的间距是0.64mm，第二透镜2与第三透镜3之间的间距是5.10mm，第三透镜3与窗口4之间的间距是2.31mm，窗口4与探测器像面5之间的距离为1.1mm。
基于上述结构设置的小型长波无热化镜头，镜头焦距为13mm；F#为1；视场角为35.4°；工作波段为8-14微米；工作温度：-40℃～85℃；光学系统总长仅仅17mm。
整个系统采用正负正的三片式结构，第一透镜1焦距为10.60mm,第二透镜2焦距为-11.13mm，起到将光路压窄的作用，并校正基本像差和色差；第三透镜3矫正了前两片透镜产生的像散和畸变，消除热差。
整个系统通过采用三片式硫系玻璃的结构，在不使用衍射面的情况下，实现了系统宽波段、高温度范围内的消热差功能，整个系统地透过率较高。较现有的光学消热差方案有以下优势：与多种光学材料配比实现光学消热差的方案相比，本方案使用仅仅使用了两种硫系玻璃，结构件仅使用铝合金一种材料，镜头结构简单，且光阑放在第一面上，有效减小了系统地口径。另外，系统总长度(第一面到FPA距离)压缩到了17mm，这在目前市场有特殊工作背景下有明显的优势。本方案采用硫系玻璃有明显的优势，硫系玻璃在大批量生产时可进行精密的模压，可以大大减少加工成本，具有广阔的市场前景。实践证明，该技术方案具有较好的应用效果。
对本实施例设计的长波无热化镜头进行常温状态下的相差分析、-40℃状态下的相差分析、85℃状态下的相差分析后，从以上像质分析来说，本款无热化镜头在-40℃～85℃的宽温度段范围内，纵向像差矫正到了0.1mm以内，畸变矫正到2％以内，像散矫正到了0.1mm以内,均能够较好的满足成像，且整个的光学传递函数在30lp/mm处保持在35％以上，使像面稳定性保持在一个相对较高的水平。
从结构上来说，本镜头从透镜第一面到像面的总体长度仅仅有17mm,且结构部件完全采用铝合金，配合透镜的热胀冷缩，实现了-40℃～85℃的宽温度段范围内无热化设计。
由以上技术方案可以看出，本实用新型具有以下显著特点：
1、本实用新型通过采用三片透镜实现在-40℃～85℃的宽温度段范围内无热化设计，总体长度仅仅17mm，是的结构更为紧凑，系统装配更为简单；
2、本实用新型全为硫系玻璃，使用球面或者非球面，可以利用硫系玻璃的精密模压特点实现批量生产，大幅度降低加工成本；
3、本实用新型未采用衍射结构，较于衍射结构具有透过率高的特点；
4、本实用新型专利实现了384*288，17微米的高分辨率成像要求。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (1)

1.一种小型长波无热化镜头，其特征在于，包括：沿光入射方向依次同轴设置的第一透镜(1)、第二透镜(2)、第三透镜(3)，第三透镜(3)前方为窗口(4)和探测器像面(5)；第一透镜(1)具有正光焦度，其入光面为非球面，出光面为球面，光阑位于入光面上，以减小系统的体积；第二透镜(2)具有负光焦度，其入光面和出光面均为非球面；第三透镜(3)具有正光焦度，其入光面为球面，出光面为非球面；
还包括镜筒与透镜隔圈，第一透镜(1)、第二透镜(2)、第三透镜(3)分别通过透镜隔圈安装在镜筒内；
所述第一透镜(1)、第二透镜(2)、第三透镜(3)采用硫系玻璃制成；
所述镜筒与透镜隔圈均由铝合金制作；
所述窗口(4)两侧表面为平面，由硅制成；
所述第一透镜(1)中，入光面的曲率半径为9.13mm，出光面的半径为14.1mm，焦距为10.60mm；
所述第二透镜(2)中，入光面的曲率半径为11.16mm，出光面的半径为6.11mm，焦距为-11.13mm；
所述第三透镜(3)中，入光面的曲率半径为24.34mm，出光面的半径为-80.28mm，焦距为10.65mm；
第一透镜(1)厚度为2.91mm，第二透镜(2)厚度为2mm，第三透镜(3)厚度为2.23mm，窗口(4)厚度为0.725mm；
第一透镜(1)与第二透镜(2)之间的间距是0.64mm，第二透镜(2)与第三透镜(3)之间的间距是5.10mm，第三透镜(3)与窗口(4)之间的间距是2.31mm，窗口(4)与探测器像面(5)之间的距离为1.1mm。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108152241A (zh) * 2017-12-01 2018-06-12 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 长波红外成像光学系统
CN113589475A (zh) * 2021-07-02 2021-11-02 支付宝(杭州)信息技术有限公司 一种适用于3d人脸识别的投影镜头

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