CN207408657U

CN207408657U - 光学无热化镜头

Info

Publication number: CN207408657U
Application number: CN201721303833.0U
Authority: CN
Inventors: 陈灵芝; 黄晟; 王鹏; 叶龙
Original assignee: Wuhan Gao De Zhi Sense Technology Co Ltd
Current assignee: Wuhan Gao De Zhi Sense Technology Co Ltd
Priority date: 2017-09-30
Filing date: 2017-09-30
Publication date: 2018-05-25
Anticipated expiration: 2027-09-30

Abstract

本实用新型公开了一种光学无热化镜头，由物方至像方沿光轴依次包括具有正光焦度的第一透镜和具有正光焦度的第二透镜，第一透镜的物侧面为凸面，第一透镜的像侧面为凹面；第二透镜的物侧面具有中心凸面部以及外周凹面部，第二透镜的像侧面为凸面。第一透镜与第二透镜之间或者第一透镜的像侧面的表面上或者第二透镜的物侧面的表面上设置有孔径光阑。本实用新型提供的目的在于解决现有技术中光学无热化镜头的镜片数量较多、结构相对复杂、成本较高的技术问题。

Description

光学无热化镜头

技术领域

本实用新型属于光学技术领域，更具体地，涉及一种光学无热化镜头。

背景技术

随着红外技术的发展，对红外光学系统的质量要求也越来越高。尤其是弹载、机载红外系统往往要求在很大的温度范围内工作。在不同的温度条件下，由于光学材料和机械材料的热效应，使光学系统的一些参数发生相应的变化，进而使系统的最佳像面发生偏离，并且降低成像质量，图像模糊不清，对比度下降。在设计光学系统的过程中，采用一定的无热技术以消除温度效应的影响，使红外光学系统能够在一个较大的温度范围内保持良好的成像质量，这种消除或降低温度变化对光学系统成像质量影响的技术被称为无热化技术。

在红外光学系统的无热化技术中，光学无热化由于其结构简单，性能可靠等特点得到广泛的应用。但现有光学无热化镜头的解决方案存在以下问题：一部分方案是利用多种材料的热特性差异配合实现无热化，该方案存在使用材料多、镜片数量较多、结构相对复杂、成本高等问题；还有一部分解决方案是利用衍射光学元件具有负消热散的特性实现无热化，该方案存在由于衍射面的衍射效率低而导致光学系统透过率下降明显的问题。

实用新型内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种光学无热化镜头，其目的在于解决现有技术中光学无热化镜头的镜片数量较多、结构相对复杂、成本较高的技术问题。

为实现上述目的，按照本实用新型的一个方面，提供了一种光学无热化镜头，由物方至像方沿光轴依次包括具有正光焦度的第一透镜和具有正光焦度的第二透镜，其特征在于，

所述第一透镜的物侧面为凸面，所述第一透镜的像侧面为凹面；

所述第二透镜的物侧面具有中心凸面部以及外周凹面部，所述第二透镜的像侧面为凸面。

优选地，所述第一透镜与第二透镜之间或者所述第一透镜的像侧面的表面上或者所述第二透镜的物侧面的表面上设置有孔径光阑。

优选地，所述第一透镜的像侧面表面具有衍射结构，所述衍射结构为以光轴为中心轴的环带。

优选地，所述第一透镜的物侧面与像侧面及第二透镜的物侧面与像侧面均为非球面。

优选地，所述第一透镜与所述第二透镜的材质为硫系玻璃。

优选地，所述第一透镜与第二透镜的焦距分别为f₁与f₂，所述光学无热化镜头的焦距为f，所述第一透镜的物侧面与光轴交点处的曲率半径为R₁，所述第一透镜的像侧面与光轴交点处的曲率半径为R₂，所述第二透镜的物侧面与光轴交点处的曲率半径为R₃；

所述f₁、f₂、R₁、R₂、R₃满足以下关系：

0.9<R₁/R₂<2，0.1<R₁/R₃<1，1.5<f₁/f<3，0.8<f₂/f<1.8。

优选地，还包括镜筒，所述第一透镜与所述第二透镜沿光轴设置于所述镜筒内部。

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于提出了一种光学无热化镜头，能够取得下列有益效果：

(1)本实用新型提出一种光学无热化镜头：由物方至像方沿光轴依次包括具有正光焦度的第一透镜和具有正光焦度的第二透镜，其中，第一透镜的物侧面为凸面，第一透镜的像侧面为凹面；第二透镜的物侧面具有中心凸面部以及外周凹面部，第二透镜的像侧面为凸面；且通过设置第一透镜的像侧面为衍射面以及设置两个透镜的像侧面与物侧面均为非球面，从而使得该镜头具有实现温度自适应光学无热化特点。同时，因该镜头只包括两个透镜，相对于现有技术中一般的三个及以上的透镜来说，本实用新型的无热化镜头结构简单、体积小、重量轻，并能满足小型化的非制冷红外光学系统使用需求。此外，由于镜片使用量的减少，也有效提高了镜头光能透过率，提高红外系统的探测、识别率。

(2)相对于现有技术来中使用多种材料的镜片结合而言，本实用新型仅采用一种硫系材料的玻璃，节约成本，而且硫系玻璃在大批量生产时可以进行精密模压，在批量生产时也可降低加工成本。

附图说明

图1是本实用新型的光学系统结构示意图；

图2是本实用新型的像散曲线图；

图3是本实用新型的畸变曲线图；

图4是20℃时本实用新型的调制传递函数曲线图；

图5是－40℃时本实用新型的调制传递函数曲线图；

图6是80℃时本实用新型的调制传递函数曲线图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-第一透镜；11-物侧面；12-像侧面；2-孔径光阑；3-第二透镜；31-物侧面；32-像侧面；4-探测器窗口；5-焦平面；光轴-I。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

需要说明的是，在本实用新型的描述中，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

如图1所示，本实用新型的光学系统结构示意图，提出了一种光学无热化镜头，由物方至像方沿光轴I依次包括具有正光焦度的第一透镜1和具有正光焦度的第二透镜3。光焦度表征光学系统对入射平行光束的屈折本领。光焦度的数值越大，平行光束折得越厉害；为正光焦度时，屈折是会聚性的；为负光焦度时，屈折是发散性的。

第一透镜1的物侧面11为凸面，第一透镜1的像侧面12为凹面；第二透镜3的物侧面31具有中心凸面部以及外周凹面部，第二透镜3的像侧面32为凸面。

第一透镜1与第二透镜3之间或者第一透镜1的像侧面12的表面上或者第二透镜3的物侧面31的表面上设置有孔径光阑2。本实施例中优选孔径光阑2设置于第一透镜1与第二透镜3之间，这样保证较大光通量的同时，能有效平衡光学系统的慧差并降低系统的敏感度，更易于加工。

第一透镜1的像侧面12表面具有衍射结构，该衍射结构为以光轴I为中心轴的环带，正因为该像侧面12具有环带形式的衍射结构，使得该像侧面成为衍射面，可以通过该衍射面校正热像差。

第一透镜的物侧面11与像侧面12及第二透镜的物侧面31与像侧面32均为非球面，采用非球面可以校正球差、慧差、象散等像差。而且采用非球面而不是球面是因为球面校正球差的能力有限，若想达到同样效果，必须增加镜片及增加材料种类，这样会增加材料和重量。

通过上述结构可使本实用新型提出的镜头具有实现温度自适应光学无热化特点。同时，因该镜头只包括两个透镜，相对于现有技术中一般的三个及以上的透镜来说，本实用新型的无热化镜头结构简单、体积小、重量轻，并能满足小型化的非制冷红外光学系统使用需求，适用于执行实况记录和安防监控任务但不局限于此。此外，由于镜片使用量的减少，也有效提高了镜头光能透过率，提高红外系统的探测、识别率。

如图1所示，上述第一透镜1、孔径光阑2、第二透镜3与探测器窗口4、焦平面5共同组成了一组完整的光学镜头装置。

第一透镜1与第二透镜3的材质为硫系玻璃，硫系玻璃在8～12μm的范围内具有良好的透过率。硫系玻璃折射率随温度变化系数dn/dT较小，在加工方式上硫系玻璃除了具有可抛光，可车削。相对于现有技术来中使用多种材料的镜片结合而言，本实用新型仅采用一种硫系材料的玻璃，节约成本，而且硫系玻璃在大批量生产时可以进行精密模压，在批量生产时也可降低加工成本。

该光学无热化镜头还包括镜筒，第一透镜1与第二透镜3沿光轴I设置于镜筒内部，通过共用一个镜筒，有利于提高系统的共轴精度。本实用新型的光学系统工艺性好，在镜片和镜筒加工完成后直接进行组合即可满足像质要求，不需要研修等过程，有利于批量化生产。

下面以焦距为15mm，全视场角FOV32.6°的具体实施例进行说明。

表1 光学元件参数表

上表1列举了光学元件的参数，其中：面序号1代表第一透镜的物侧面11，面序号2代表第一透镜的像侧面12，面序号3代表孔径光阑，面序号4代表第二透镜的物侧面31，面序号5代表第二透镜的像侧面32，面序号6代表探测器窗口4的物侧面，面序号7代表探测器窗口4的像侧面，像面代表焦平面5。

非球面满足下列表达式：

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

表2 非球面系数表

面序号

K

A

B

C

D

E

1

0

－1.45E－05

－1.10E－06

－5.93E－09

1.83E－10

－4.27E－12

2

0

－7.00E－05

－5.98E－06

－5.28E－08

－1.54E－09

3.75E－11

4

0

－1.53E－04

1.46E－06

－7.38E－07

3.17E－08

－7.35E－10

5

0

－1.37E－04

3.23E－06

－5.40E－07

1.19E－08

－8.87E－11

衍射面满足下列位相方程

式中M是衍射级次，N是级数中多项式系数的序号，A_i是ρ的第2i次幂的系数，ρ是归一化半径。

表3 衍射面系数表

面序号	衍射级次	多项式项数	A1	A2	A3
						2	1	3	－4.70E－01	－7.30E－04	7.80E－05

需要注意的是，上述表格中的具体参数仅仅是例示性的，各透镜的参数不限于由上述各数值实施例所示出的值，可以采用其他的值，都可以达到类似的技术效果。

通过光学设计软件ZEMAX做出图2～图6，其中非球面类型使用该软件中的EvenAsphere(偶次非球面)，衍射面类型使用软件的Binary 2(二元光学面2)。

图2是本实用新型的像散曲线图，由8μm、10μm、12μm的三个波长来表示，单位为mm；图3是本实用新型的畸变曲线图标示不同视场角下的畸变大小值，单位为％。图4～图6是分别为20℃、－40℃、80℃时本实用新型的调制传递函数曲线图，代表光学系统的综合解像水平。由图2～图6可知，该长波红外光学系统已将各种像差补正，且实现在宽温度范围内的无热化特性，足以满足实用要求。

本实施例中的第一透镜1与第二透镜3的光焦度分配满足以下关系：

0.9<R₁/R₂<2，0.1<R₁/R₃<1，1.5<f₁/f<3，0.8<f₂/f<1.8

其中，f₁与f₂分别为第一透镜1与第二透镜3的焦距，f为光学无热化镜头的焦距，R₁为第一透镜1的物侧面11与光轴I交点处的曲率半径，R₂为第一透镜1的像侧面12与光轴I交点处的曲率半径，R₃为第二透镜3的物侧面31与光轴I交点处的曲率半径。

在本实施例中，该光学无热化镜头的焦距f＝15mm，光圈数Fno＝1.0。第一透镜的焦距f₁＝40.3mm，第二透镜的焦距为f₂＝13.73mm，第一透镜物侧面与光轴I交点处的曲率半径R₁＝12.48mm，第一透镜像侧面与光轴I交点处的曲率半径R₂＝10.6mm，第二透镜物侧面与光轴I交点处的曲率半径R₃＝28.9mm。

R₁/R₂＝1.18；R₁/R₃＝0.43；f₁/f＝2.68；f₂/f＝0.91。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种光学无热化镜头，由物方至像方沿光轴依次包括具有正光焦度的第一透镜和具有正光焦度的第二透镜，其特征在于，

所述第二透镜的物侧面具有中心凸面部以及外周凹面部，所述第二透镜的像侧面为凸面；

所述第一透镜与第二透镜的焦距分别为f₁与f₂，所述光学无热化镜头的焦距为f，所述第一透镜的物侧面与光轴交点处的曲率半径为R₁，所述第一透镜的像侧面与光轴交点处的曲率半径为R₂，所述第二透镜的物侧面与光轴交点处的曲率半径为R₃；

所述f₁、f₂、R₁、R₂、R₃满足以下关系：

0.9<R₁/R₂<2，0.1<R₁/R₃<1，1.5<f₁/f<3，0.8<f₂/f<1.8。

2.如权利要求1所述的光学无热化镜头，其特征在于，所述第一透镜与第二透镜之间或者所述第一透镜的像侧面的表面上或者所述第二透镜的物侧面的表面上设置有孔径光阑。

3.如权利要求1所述的光学无热化镜头，其特征在于，所述第一透镜的像侧面表面具有衍射结构，所述衍射结构为以光轴为中心轴的环带。

4.如权利要求1所述的光学无热化镜头，其特征在于，所述第一透镜的物侧面与像侧面及第二透镜的物侧面与像侧面均为非球面。

5.如权利要求1所述的光学无热化镜头，其特征在于，所述第一透镜与所述第二透镜的材质为硫系玻璃。

6.如权利要求1所述的光学无热化镜头，其特征在于，还包括镜筒，所述第一透镜与所述第二透镜沿光轴设置于所述镜筒内部。