一种用于大靶面红外探测器的微距镜头
技术领域
本实用新型属于光学技术领域,具体涉及一种用于大靶面红外探测器的微距镜头。
背景技术
随着科学技术的发展,红外成像技术已经广泛应用在国防、工业、医疗等领域。但是微米级小目标通常是温度检测的难点,接触式温度计由于其传感器尺寸限制,对于1mm以下的目标是无法检测的。常规镜头聚焦距离远、放大率不够大,对于微小目标只能做到成像,但是对于距离较近的微小目标的细节难以呈现。
因此需要一种微距镜头,实现对小目标的温度监测,特别是例如PCB电路板(散热)、半导体衬底和密封等等需要检测小目标的微电子或电子器件。
实用新型内容
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足,本实用新型旨在提供一种用于大靶面红外探测器的微距镜头。
为了实现上述目的,本实用新型实施例采用如下技术方案:
一种用于大靶面红外探测器的微距镜头,镜头中的镜片包括由物方至像方依次设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜;其中,所述第一透镜具有正光焦度,为凸面朝向物方的弯月形锗单晶正透镜,其朝向像方的一侧为非球面;所述第二透镜具有负光焦度,为凸面朝向物方的弯月形锗单晶负透镜,其朝向像方的一侧为衍射面;所述第三透镜具有正光焦度,为双凸形锗单晶正透镜,其朝向像方的一侧为非球面。
根据本申请实施例提供的技术方案,微距镜头还包括孔径光阑,所述孔径光阑位于第一透镜与第二透镜之间,并靠近第二透镜。
根据本申请实施例提供的技术方案,所述镜头满足如下参数:所述镜头对距第一透镜60mm处的物体成像,工作波段8~12μm,有效焦距EFL=31mm,F数=1.09,放大倍率Γ=0.6,光学系统总长56.512mm,适配探测器分辨率1024×768,像元大小17μm。
根据本申请实施例提供的技术方案,所述镜头的视场角范围为:2w=22°。
根据本申请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:
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。
根据本申请实施例提供的技术方案,所述镜头的全视场的平均MTF>0.311@30lp/mm。
根据本申请实施例提供的技术方案,S1、S2、S4~S7镀有增透膜;其中,S1为第一透镜朝向物方的表面,S2为第一透镜朝向像方的表面,S4为第二透镜朝向物方的表面,S5为第二透镜朝向像方的表面,S6为第三透镜朝向物方的表面,S7为第三透镜朝向像方的表面。
根据本申请实施例提供的技术方案,所述镜头结构包括;移动镜筒,第一透镜、第二透镜和第三透镜分别通过第一压圈、第二压圈、第三压圈固定在其内部;主镜筒,环设在所述移动镜筒的外部;调焦手轮,固定在所述主镜筒的外圈,调焦手轮相对靠近主镜筒方向的设有凹槽,凹槽内侧壁设有螺纹;导向拨钉,一端伸入凹槽中,其外侧壁和凹槽的螺纹配接,其中部穿过主镜筒设置的直线槽,另一端和移动镜筒固定连接;当转动调焦手轮时,带动导向拨钉在凹槽和直线槽内直线往复运动,进而带动移动镜筒前后移动。
根据本申请实施例提供的技术方案,所述调焦手轮和导向拨钉的数量均为两个,沿主镜筒的径向方向对称分布在主镜筒上。
本实用新型具有如下有益效果:
本申请提供一款能实现应用于大靶面探测器、对距镜头60mm处物体成像的微距镜头。本申请通过采用三个镜片即可实现对小目标的成像,光学系统总长短结构紧凑,镜片数量少,材料类型简单且加工难度低。三个镜片片数少,变量变少,引入误差可能性变小,总体产生误差小,因此本光学系统成像更稳定。
此外,三片透镜汇聚折射式的光学结构,光学系统总长56.512mm,最大口径38mm,具备手动调焦的功能,装调方便,易于量产,并且兼顾小体积、轻重量、分辨率高的特点,成像好,利于携带,方便在设备上安装及使用。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述,本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
图1为本实用新型实施方式所述的微距镜头光学系统图;
图2为本实用新型实施方式所述的微距镜头点列图;
图3为本实用新型实施方式所述的微距镜头光学传递函数图;
图4为本实用新型实施方式所述的微距镜头场曲畸变图;
图5为本实用新型实施方式所述的微距镜头结构示意图。
附图标记说明:
100、物面;101、探测器保护窗口;102、像面;
L1、第一透镜;L2、第二透镜;L3、第三透镜;
S1、第一透镜朝向物方的表面;S2、第一透镜朝向像方的表面
S3、孔径光阑;
S4、第二透镜朝向物方的表面;S5、第二透镜朝向像方的表面;
S6、第三透镜朝向物方的表面,S7、第三透镜朝向像方的表面;
1、前固定座;2、移动镜筒;3、调焦手轮;4、导向拨钉;5、主镜筒;6、后镜座;7、第一压圈;8、第二压圈;9、第三压圈。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是,此处所描述的具体实施例仅用于解释相关实用新型,而非对该实用新型的限定。另外还需要说明的是,为了便于描述,附图中仅示出了与实用新型相关的部分。
需要说明的是,在不冲突的情况下,本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。
本申请实施方式采用的大靶面红外探测器为长波非制冷型,分辨率为1024*768,像元尺寸17μm,凝视型焦平面探测器。
本申请提到的从前到后的方向,指的是从物方到像方的方向。
一种用于大靶面红外探测器的微距镜头,镜头中的镜片包括由物方至像方依次设置的第一透镜L1、第二透镜L2和第三透镜L3;其中,所述第一透镜L1具有正光焦度,为凸面朝向物方的弯月形锗单晶正透镜,其朝向像方的一侧为非球面;所述第二透镜L2具有负光焦度,为凸面朝向物方的弯月形锗单晶负透镜,其朝向像方的一侧为衍射面;所述第三透镜L3具有正光焦度,为双凸形锗单晶正透镜,其朝向像方的一侧为非球面。
具体地,如图1所示,物面100位于第一透镜L1的前面,长波非制冷探测器位于第三透镜L3的后面。长波非制冷探测器保护窗口101位于第三透镜L3的后面,像面102位于探测器保护窗口101的后面。第一透镜L1、第二透镜L2和第三透镜L3的材料为锗单晶。
本申请所述的微距镜头采用第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3三片透镜,实现对微小目标的成像。一方面,三片透镜的数量少,光学系统总长变短结构更紧凑;另一方面,三片透镜数量少,引入误差可能性变小,总体产生误差小,因此本光学系统成像更稳定;第三方面,三片透镜材料类型简单且加工难度低,装调方便,易于量产。
进一步的,所述微距镜头还包括孔径光阑S3,所述孔径光阑位于第一透镜L1与第二透镜L2之间,并靠近第二透镜L2。
具体地,如图1所示,孔径光阑S3对光束起到限制作用,使得产生的镜头畸变较小。
进一步的,所述镜头满足如下参数:所述镜头对距第一透镜L160mm处的物体成像,工作波段8~12μm,有效焦距EFL=31mm,F数=1.09,放大倍率Γ=0.6,光学系统总长56.512mm,适配探测器分辨率1024×768,像元大小17μm。
进一步的,所述镜头的视场角范围为:2w=22°。
进一步的,所述镜头的镜片中的非球面满足下列表达式:
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。
进一步的,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。
进一步的,所述镜头的全视场的平均MTF>0.311@30lp/mm。
具体地,本实施方式的光学结构参数如表1所示,S2,S5,S7的非球面系数如表2所示,S5的衍射面系数如表3所示。
表1
表面 |
曲率半径 |
厚度(间隔) |
材料 |
口径 |
S1 |
24.46 |
4.5 |
Ge_LONG |
30 |
S2 |
32.477 |
5.186 |
|
27 |
S3 |
Infinity |
0.5 |
|
20.56 |
S4 |
29.461 |
3.5 |
Ge_LONG |
22 |
S5 |
19.443 |
13.456 |
|
18 |
S6 |
850 |
5 |
Ge_LONG |
38 |
S7 |
-76.07 |
22 |
|
38 |
表2
表3
表面 |
A<sub>1</sub> |
A<sub>2</sub> |
A<sub>3</sub> |
S5 |
-6.414 |
1.48 |
-1.842 |
具体地,请参考图2-图4所示的微距镜头的像差分析图。
图2为点列图,由图2可以得知,采用本申请所述的用于大靶面红外探测器的微距镜头成像,弥散斑均校正到接近艾利斑大小。
图3为光学传递函数MTF,Modulation Transfer Function图,截止分辨率为30lp/mm,由图3可以得知,MTF值维持在较高水平。
图4为场曲畸变图,从图4可以发现,各种像差得到了很好的校正。
由此可见,本申请所述的微距镜头具有良好的成像质量。
进一步的,S1、S2、S4~S7镀有增透膜;其中,S1为第一透镜朝向物方的表面,S2为第一透镜朝向像方的表面,S4为第二透镜朝向物方的表面,S5为第二透镜朝向像方的表面,S6为第三透镜朝向物方的表面,S7为第三透镜朝向像方的表面。
具体地,增透膜减少或者消除光学表面的反射光,从而增加其透光量,减少或者消除系统的杂散光,保证其透过率。
进一步的,本申请所述镜头结构包括:移动镜筒2,第一透镜L1、第二透镜L2和第三透镜L3分别通过第一压圈7、第二压圈8、第三压圈9固定在其内部;主镜筒5,环设在所述移动镜筒2的外部;调焦手轮3,固定在所述主镜筒5的外圈,调焦手轮3相对靠近主镜筒5方向的设有凹槽,凹槽内侧壁设有螺纹;导向拨钉4,一端伸入凹槽中,其外侧壁和凹槽的螺纹配接,其中部穿过主镜筒5设置的直线槽,另一端和移动镜筒2固定连接;当转动调焦手轮3时,带动导向拨钉4在凹槽和直线槽内直线往复运动,进而带动移动镜筒2前后移动。
具体地,如图5所示,第一压圈7、第二压圈8、第三压圈9分别将第一透镜L1、第二透镜L2和第三透镜L3的边缘固定在移动镜筒2的内部。移动镜筒2位于主镜筒5的内部并沿光轴轴向运动。所述主镜筒5对应导向拨钉4中部穿过的位置设有直线槽。前固定座1位于主镜筒5的外圈,前固定座1设有法兰安装孔,螺钉穿过法兰安装孔将前固定座1固定在主镜筒5的前端面,靠近物方100。后镜座6通过螺钉固定在主镜筒5外圈后端,靠近像方102。前固定座1和后镜座6将本镜头结构固定起来,后镜座6后方和长波非制冷探测器部分连接。主镜筒5外侧还设有调焦手轮3,调焦手轮3对应导向拨钉4的位置处设有凹槽,凹槽内侧壁设有螺纹。导向拨钉4一端伸入凹槽中,导向拨钉4外侧壁和螺纹配接。导向拨钉4中部穿过直线槽,直线槽限制导向拨钉4的位移。导向拨钉4另一端和移动镜筒2固定连接。当转动调焦手轮3时,螺纹接触导向拨钉4的侧壁,推动导向拨钉4凹槽内进而在直线槽内前后移动,最终带动移动镜筒2前后移动,即移动镜筒2沿光轴轴向运动,实现焦距的调节。此处,应当可以理解的是,导向拨钉4移动范围比较微小,但足够调节镜头的焦距。
进一步的,所述调焦手轮3和导向拨钉4的数量均为两个,沿主镜筒5的径向方向对称分布在主镜筒5上。
具体地,两个调焦手轮3和导向拨钉4调节更方便准确。
以上描述仅为本实用新型的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解,本实用新型中所涉及的实用新型范围,并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案,同时也应涵盖在不脱离所述实用新型构思的情况下,由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本实用新型中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。