CN212569264U - 一种超大视场红外测温镜头 - Google Patents

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雷季东
杨天领
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Abstract

本申请提供一种超大视场红外测温镜头，镜头中设置的镜片由物方到像方依次包括前固定组、后固定组以及探测器；前固定组包括第一透镜；第一透镜具有负光焦度，为一片凸面朝向物方的弯月形负透镜，其两面均为非球面；第一透镜的材料为硫系玻璃IRG204；后固定组包括第二透镜；第二透镜具有正光焦度，为一片双凸面的正透镜，其两面均为非球面；第二透镜的材料为硫系玻璃IRG204；第一透镜与第二透镜之间设有孔径光阑；孔径光阑在测温过程中保持恒定；探测器包括保护窗口和像面；保护窗口位于像面前面。本申请提供的超大视场红外测温镜头体积小、重量轻、便于携带，有利于在手持设备上安装及使用；水平视场角范围大，成像效果良好。

Description

一种超大视场红外测温镜头
技术领域
本申请涉及光学技术领域，尤其涉及一种用于长波红外非制冷探测器的超大视场红外测温镜头。
背景技术
随着红外技术的发展及市场需求的提高，红外测温镜头在军用及民用市场的需求越来越大。红外技术的由于其本身的特性，受温度影响会远远高于可见光镜头。传统的红外测温镜头存在体积较大、重量较大的问题，不便于携带，不利于在手持设备上安装及使用，进而限制了其应用范围。因此，研究一种体积小、重量轻、便于携带的红外测温镜头具有很重要的意义。
发明内容
本申请的目的是针对以上问题，提供一种超大视场红外测温镜头。
本申请提供一种超大视场红外测温镜头，镜头中设置的镜片由物方到像方依次包括前固定组、后固定组以及探测器；
所述前固定组包括第一透镜；所述第一透镜具有负光焦度，为一片凸面朝向物方的弯月形负透镜，其两面均为非球面；所述第一透镜的材料为硫系玻璃IRG204；
所述后固定组包括第二透镜；所述第二透镜具有正光焦度，为一片双凸面的正透镜，其两面均为非球面；所述第二透镜的材料为硫系玻璃IRG204；
所述第一透镜与所述第二透镜之间设有孔径光阑；所述孔径光阑在测温过程中保持恒定；
所述探测器包括保护窗口和像面；所述保护窗口位于所述像面前面。
根据本申请某些实施例提供的技术方案，所述镜头满足如下参数：
所述镜头的有效焦距EFL＝5mm，F数＝1，光学系统总长＝32mm，适配的探测器分辨率为320×240，像元大小为22μm。
根据本申请某些实施例提供的技术方案，所述镜头的水平视场角范围为：2w＝70.3°。
根据本申请某些实施例提供的技术方案，所述镜头的镜片中的非球面满足下列表达式：
Figure BDA0002561627860000021
其中，z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距非球面顶点的距离矢高；c表示表面的顶点曲率；k为圆锥系数；α2、α3、α4、α5、α6为高次非球面系数。
根据本申请某些实施例提供的技术方案，所述镜头的镜片中的衍射面满足下列表达式：
Φ＝A1ρ2+A2ρ4+A3ρ6
其中Φ为衍射面的位相，ρ＝r/rn，rn是衍射面的规划半径，A1、A2、A3、为衍射面的位相系数。
根据本申请某些实施例提供的技术方案，所述第一透镜靠近物方的表面镀类红外增透碳膜。
根据本申请某些实施例提供的技术方案，所述镜头的全视场的平均MTF>0.63@20lp/mm。
与现有技术相比，本申请的有益效果：该超大视场红外测温镜头的光学系统总长为32mm，最大口径为15mm，光学系统总长短，结构紧凑，体积小，采用两片镜片，镜片数量小，质量轻，便于携带，有利于在手持设备上安装及使用；水平视场角范围大，成像效果良好。
附图说明
图1为本申请实施例提供的超大视场红外测温镜头在温度为-40℃时的光学系统图；
图2为本申请实施例提供的超大视场红外测温镜头在温度为-40℃时的点列图；
图3为本申请实施例提供的超大视场红外测温镜头在温度为-40℃时的光学传递函数图(截止分辨率为20lp/mm)；
图4为本申请实施例提供的超大视场红外测温镜头在温度为-40℃时的场曲畸变图；
图5为本申请实施例提供的超大视场红外测温镜头在温度为60℃时的光学系统图；
图6为本申请实施例提供的超大视场红外测温镜头在温度为60℃时的点列图；
图7为本申请实施例提供的超大视场红外测温镜头在温度为60℃时的光学传递函数图(截止分辨率为20lp/mm)；
图8为本申请实施例提供的超大视场红外测温镜头在温度为60℃时的场曲畸变图；
图9为本申请实施例提供的超大视场红外测温镜头在温度为20℃时的光学系统图；
图10为本申请实施例提供的超大视场红外测温镜头在温度为20℃时的点列图；
图11为本申请实施例提供的超大视场红外测温镜头在温度为20℃时的光学传递函数图(截止分辨率为20lp/mm)；
图12为本申请实施例提供的超大视场红外测温镜头在温度为20℃时的场曲畸变图。
图中所述文字标注表示为：
100-物空间；101-保护窗口；102-像面；
L1-第一透镜；L2-第二透镜；
S3-孔径光阑；S1～S2、S4～S5为透镜的各个表面。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本申请的技术方案，下面结合附图对本申请进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本申请的保护范围有任何的限制作用。
本实施例是本申请应用于长波非制冷型分辨率为320×240、像元尺寸为22μm的凝视型焦平面探测器的例子。
图1、图5以及图9分别为本申请所提供的超大视场红外测温镜头在温度为-40℃、60℃和20℃时的光学系统图，所述镜头的结构均相同，以其中一个为例来做如下具体说明。
如图1所示，本申请提供一种超大视场红外测温镜头，镜头中设置的镜片由物方到像方依次包括前固定组、后固定组以及探测器；所述物方到像方的方向是指从前到后的方向；所述物方即物空间100；所述前固定组包括第一透镜L1；所述第一透镜L1具有负光焦度，为一片凸面朝向物方的弯月形负透镜，其两面S1和S2均为非球面；所述第一透镜L1的材料为硫系玻璃IRG204；所述后固定组包括第二透镜L2；所述第二透镜L2具有正光焦度，为一片双凸面的正透镜，其两面S3和S4均为非球面；所述第二透镜L2的材料为硫系玻璃IRG204；所述第一透镜L1与所述第二透镜L2之间设有孔径光阑S3；所述孔径光阑S3在测温过程中保持恒定，即所述孔径光阑S3光学性能不会受温度高低的影响，在高温、低温条件下均可以正常使用；所述探测器包括保护窗口101和像面102；所述保护窗口101位于所述像面102前面，即所述保护窗口101位于所述第二透镜L2与所述像面102之间；所述第一透镜L1与所述第二透镜L2均为无热化设计特殊光学材料，目的是消除温度引起的焦距变化。
进一步的，所述镜头满足如下参数：所述镜头的有效焦距EFL＝5mm，F数＝1，光学系统总长＝32mm，适配的探测器分辨率为320×240，像元大小为22μm。
进一步的，所述镜头的水平视场角范围为：2w＝70.3°。
表1为本申请所述超大视场红外测温镜头在温度-40℃、60℃和20℃时的光学结构参数：
表1
Figure BDA0002561627860000051
Figure BDA0002561627860000061
进一步的，所述第一透镜L1与所述第二透镜L2中所提及的非球面，均为偶次非球面，其表达式如下：
Figure BDA0002561627860000062
其中，z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距非球面顶点的距离矢高；c表示表面的顶点曲率；k为圆锥系数；α2、α3、α4、α5、α6为高次非球面系数。
表2为表面S1、S2、S4、S5的非球面系数：
表2
表面 4th 6th 8th 10th 12th
S1 6.062E-05 2.748E-06 -6.829E-08 0 0
S2 -2.736E-04 1.013E-04 -8.238E-06 3.952E-07 -9.526E-09
S4 -6.968E-05 2.149E-06 -1.371E-07 4.331E-09 -4.948E-11
S5 3.556E-05 -5.150E-07 -2.390E-09 1.265E-09 -2.646E-11
进一步的，所述第一透镜L1与所述第二透镜L2的衍射面满足下列表达式：
Φ＝A1ρ2+A2ρ4+A3ρ6
其中Φ为衍射面的位相，ρ＝r/rn，rn是衍射面的规划半径，A1、A2、A3、为衍射面的位相系数。
表3为表面S5的衍射系数：
表3
表面 A<sub>1</sub> A<sub>2</sub> A<sub>3</sub>
S5 -27.384 11.489 -6.766
进一步的，所述第一透镜L1靠近物方的表面即S1表面镀类红外增透碳膜，其余的表面S2、以及S4和S5表面均镀增透膜，以保证其透过率。
进一步的，所述镜头的全视场的平均MTF>0.63@20lp/mm。
下面参照像差分析图对本申请的效果做进一步详细的描述。
图2-图4是图1所述的超大视场红外测温镜头的具体实施例在温度为-40℃时的像差分析图，其中，图2是点列图、图3是MTF图、图4是场曲畸变图。
图6-图8是图5所述的超大视场红外测温镜头的具体实施例在温度为60℃时的像差分析图，其中，图6是点列图、图7是MTF图、图8是场曲畸变图。
图10-图12是图9所述的超大视场红外测温镜头的具体实施例在温度为20℃时的像差分析图，其中，图10是点列图、图11是MTF图、图12是场曲畸变图。
从图中可以发现，各种像差得到了很好的校正，弥散斑均校正到接近艾利斑大小，MTF值维持在较高水平。
本申请实施例提供的超大视场红外测温镜头，可应用于长波非制冷型分辨率为320×240、像元尺寸为22μm的凝视型焦平面探测器，其光学系统总长为32mm，最大口径为15mm，光学系统总长短，结构紧凑，体积小，采用两片镜片，镜片数量小，质量轻，便于携带，有利于在手持设备上安装及使用；水平视场角范围大，水平视场角范围为：2w＝70.3°；可在-40℃～60℃的范围清晰成像，成像效果良好。
本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其他场合的，均应视为本申请的保护范围。

Claims (7)

1.一种超大视场红外测温镜头，其特征在于，镜头中设置的镜片由物方到像方依次包括前固定组、后固定组以及探测器；
所述前固定组包括第一透镜；所述第一透镜具有负光焦度，为一片凸面朝向物方的弯月形负透镜，其两面均为非球面；所述第一透镜的材料为硫系玻璃IRG204；
所述后固定组包括第二透镜；所述第二透镜具有正光焦度，为一片双凸面的正透镜，其两面均为非球面；所述第二透镜的材料为硫系玻璃IRG204；
所述第一透镜与所述第二透镜之间设有孔径光阑；所述孔径光阑在测温过程中保持恒定；
所述探测器包括保护窗口和像面；所述保护窗口位于所述像面前面。
2.根据权利要求1所述的超大视场红外测温镜头，其特征在于，所述镜头满足如下参数：
所述镜头的有效焦距EFL＝5mm，F数＝1，光学系统总长＝32mm，适配的探测器分辨率为320×240，像元大小为22μm。
3.根据权利要求1所述的超大视场红外测温镜头，其特征在于，所述镜头的水平视场角范围为：2w＝70.3°。
4.根据权利要求1所述的超大视场红外测温镜头，其特征在于，所述镜头的镜片中的非球面满足下列表达式：
Figure FDA0002561627850000011
其中，z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距非球面顶点的距离矢高；c表示表面的顶点曲率；k为圆锥系数；α2、α3、α4、α5、α6为高次非球面系数。
5.根据权利要求1所述的超大视场红外测温镜头，其特征在于，所述镜头的镜片中的衍射面满足下列表达式：
Φ＝A1ρ2+A2ρ4+A3ρ6
其中Φ为衍射面的位相，ρ＝r/rn，rn是衍射面的规划半径，A1、A2、A3、为衍射面的位相系数。
6.根据权利要求1所述的超大视场红外测温镜头，其特征在于，所述第一透镜靠近物方的表面镀类红外增透碳膜。
7.根据权利要求1所述的超大视场红外测温镜头，其特征在于，所述镜头的全视场的平均MTF>0.63@20lp/mm。
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