CN114935811B - 一种鱼眼型红外消热差镜头 - Google Patents
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Abstract
本发明属于红外光学技术领域，公开了一种鱼眼型红外消热差镜头。所述镜头包括沿光轴从物侧至像侧依次设置的透镜A、透镜B、透镜C、透镜D和透镜E；所述透镜A、透镜B均为具有负光焦度、凸面朝向物侧的弯月透镜；所述透镜C、透镜D、透镜E均为具有正光焦度、凸面朝向像侧的弯月透镜；所述镜头的工作波段为8μm‑12μm。本发明共采用五个透镜，透镜数量较少，通过不同透镜相互组合以及合理光焦度分配，具有大视角、高透过率、热稳定性强等光学性能，满足‑40℃至80℃工作温度的需求，适用于像元数为1280×1024，像元大小为12μm的大靶面探测器。
Description
技术领域
本技术属于红外光学技术领域，特别涉及一种鱼眼型红外消热差镜头。
背景技术
在红外成像的应用中，为了获取更大空间范围的目标图像信息，则需要更大的视场角。而为了获取目标更多的空间细节则要求光学系统具有较高的分辨率。然而大视场要求光学系统具有较小的焦距，此时成像分辨率低，而高分辨率要求光学系统具有较长的焦距，但是视场较小。
并且，外界环境温度会对镜头材料的折射率造成影响，致使光焦度变化和最佳像面发生偏移，图像模糊不清，对比度下降，光学成像质量下降，最终影响镜头的成像性能。为了实现红外光学系统在宽温度范围内工作时不发生像面偏移，必须采用消热差技术使得光学系统在一个较大的范围内均具有良好的成像质量。而在光学被动式消热差技术中，为了获得更宽范围的工作温度，往往镜片数量众多，导致体积大、结构复杂、成本高。
因此，如何保证大视场、高分辨率成像的同时实现无热化设计是红外光学系统中长期存在的难题。
FPA：探测器焦平面阵列。
MTF：Modulation Transfer Function（调制传递函数），是一种分析镜头解像的方法。
发明内容
为了解决以上问题，本发明提供一种鱼眼型红外消热差镜头，具有大视场、高像素的同时能够实现被动消热差。具体技术方案如下。
一种鱼眼型红外消热差镜头，所述镜头包括沿光轴从物侧至像侧依次设置的透镜A、透镜B、透镜C、透镜D和透镜E；所述透镜A、透镜B均为具有负光焦度、凸面朝向物侧的弯月透镜；所述透镜C、透镜D、透镜E均为具有正光焦度、凸面朝向像侧的弯月透镜；所述镜头的工作波段为8μm-12μm。
优选地，所述透镜C和透镜D之间设有光阑以匹配透镜来调节光束。
优选地，所述透镜A的像侧面、透镜B的像侧面、透镜C的像侧面、透镜D的物侧面、透镜E的像侧面均为非球面。本方案对透镜的不同面采用了高次非球面，改善了温度变化对像质的影响。
优选地，所述镜头的每个透镜中均仅有一个侧面为非球面。
优选地，所述透镜A、透镜B、透镜D、透镜E的材料均为硫系玻璃，所述透镜C的材料为硫化锌。本方案对透镜材料的匹配，降低了材料成本。
优选地，所述透镜D的物侧面为衍射面，所述衍射面在Zemax中的表达方程为：
其中，M为衍射次序；B1、B2 为衍射面位相系数，B1=-10311，B2=82242；衍射级次为1 ；归化半径
为100。
本方案通过优化衍射面的位相系数，使得镜片个数尽可能减少的同时，实现消热差、消色差，并且进一步增加了光学系统的透过率，降低了成本。
所述透镜A和透镜B之间的空气间隔为12.21mm；所述透镜B和透镜C之间的空气间隔为2.6mm；所述透镜C和透镜D之间的空气间隔为2.94mm；所述透镜D和透镜E之间的空气间隔为4.6mm。
所述透镜A的中心厚度为9.9mm；所述透镜B的中心厚度为5.9mm；所述透镜C的中心厚度为2.5mm；所述透镜D的中心厚度为4.3mm；所述透镜E的中心厚度为7.4mm。
所述透镜A的物侧面拟合曲率半径为43.72mm，像侧面拟合曲率半径为13.30mm；所述透镜B的物侧面拟合曲率半径为24.82mm，像侧面拟合曲率半径为17.23mm ；所述透镜C的物侧面拟合曲率半径为250.33mm，像侧面拟合曲率半径为-45.50mm；所述透镜D的物侧面拟合曲率半径为308.98mm，像侧面拟合曲率半径为-27.37mm；所述透镜E的物侧面拟合曲率半径为-125.99mm，像侧面拟合曲率半径为-40.67mm。
本发明的技术方案与现有技术相比具有以下有益效果：
本鱼眼型红外消热差镜头共采用五个透镜，透镜数量较少，通过不同透镜相互组合以及合理光焦度分配，非球面以及衍射面的设计，使其具有大视场、大光圈、热稳定性强等光学性能，满足-40℃至80℃工作温度的需求，适用于像元数为1280×1024，像元大小为12μm的大靶面探测器。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明具体实施方式中消热差红外镜头的光路原理图；
图2为本发明具体实施方式中消热差红外镜头的镜片组成示意图；
图3为本发明具体实施方式中消热差红外镜头在20℃工作环境的MTF图；
图4为本发明具体实施方式中消热差红外镜头在20℃工作环境的Spot图；
图5为本发明具体实施方式中消热差红外镜头在-40℃工作环境的MTF图；
图6为本发明具体实施方式中消热差红外镜头在-40℃工作环境的Spot图；
图7为本发明具体实施方式中消热差红外镜头在80℃工作环境的MTF图；
图8为本发明具体实施方式中消热差红外镜头在80℃工作环境的Spot图。
图号：1、透镜A；2、透镜B；3、透镜C；4、光阑；5、透镜D；6、透镜E；7、保护用锗窗口；8、FPA。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种鱼眼型红外消热差镜头，包括了五个透镜，沿光轴从物侧至像侧，依次包括透镜A1、透镜B2、透镜C3、透镜D5、透镜E6。透镜A1为具有负光焦度、凸面朝向物侧的弯月透镜；透镜B2为具有负光焦度、凸面朝向物侧的弯月透镜；透镜C3为具有正光焦度、凸面朝向像侧的弯月透镜；透镜D5为具有正光焦度、凸面朝向像侧的弯月透镜；透镜E6为具有正光焦度、凸面朝向像侧的弯月透镜。
本发明的较佳实施例中，在透镜C3、透镜D5之间设置了光阑4。光束分别经过透镜A1、透镜B2、透镜C3，到达光阑4，通过透镜D5、透镜E6、保护用锗窗口7，从而到达FPA8。
本实施例通过光阑结合五个透镜的设置，可以达到12μm的探测器的高分辨率像质要求，使得本实施例的镜头能够匹配12μm的探测器，提升分辨率及灵敏度。
作为一种较佳实施例的具体实施方式，本光学系统的焦距为6mm。如图2所示，透镜A1的中心厚度d1为9.9mm，物侧面拟合曲率半径为43.72mm，像侧面拟合曲率半径为13.30mm；透镜B2的中心厚度d3为5.9mm，物侧面拟合曲率半径为24.82mm，像侧面拟合曲率半径为17.23mm ；透镜C3的中心厚度d5为2.5mm，物侧面拟合曲率半径为250.33mm，像侧面拟合曲率半径为-45.50mm；透镜D5的中心厚度d7为4.3mm，物侧面拟合曲率半径为308.98mm，像侧面拟合曲率半径为-27.37mm；透镜E6的中心厚度d9为7.4mm，物侧面拟合曲率半径为-125.99mm，像侧面拟合曲率半径为-40.67mm。
如图2所示，透镜A1和透镜B2之间的空气间隔d2为12.21mm；透镜B2和透镜C3之间的空气间隔d4为2.6mm；透镜C3和透镜D5之间的空气间隔d6为2.94mm；透镜D5和透镜E6之间的空气间隔d8为4.6mm；以上空气间隔指的是各透镜的中心之间的空气间隔。透镜E6与FPA的空气间隔d10为8mm。
各透镜的基本参数如表1所示。
可以理解的是，弯月透镜的两侧面中一面为凸面，另一侧面为凹面；镜头对物体进行拍摄时，物侧为被摄物体侧，像侧为被测物体的成像侧；透镜中光束入射的面为透镜的物侧面，光束出射的面为透镜的像侧面。
如图2和表1所示，面序号S1、S2分别对应透镜A1的物侧面和像侧面，S3、S4分别对应透镜B2的物侧面和像侧面，S5、S6分别对应透镜C3的物侧面和像侧面，S7、S8分别对应透镜D5的物侧面和像侧面，S9、S10分别对应透镜E6的物侧面和像侧面。
表1各透镜参数
作为较佳实施例的一种实施方式，透镜A1、透镜B2、透镜D5、透镜E6的材料均采用硫系玻璃，具体地，透镜A1、透镜B2、透镜D5采用IRG206，透镜E6采用IRG209。硫系玻璃替代常规红外材料制备非球面镜片，能实现高精度压膜，制备工艺经济方便。
作为一个具体实施方式，透镜A1的像侧面S2、透镜B2的像侧面S4、透镜C3的像侧面S6、透镜D5的物侧面S7、透镜E6的像侧面S10均为非球面，并满足非球面公式：
式中：Z为非球面沿光轴方向在高度r的位置时，距非球面顶点的距离矢高；c=1/R；R为镜面的近轴曲率拟合半径；k为圆锥系数；A，B，C，D，E为高次非球面系数。各透镜的非球面系数如表2所示。
表2 各透镜非球面系数数据
透镜D5的物侧面S7为衍射面，衍射面在Zemax中的表达方程为：
其中，M为衍射次序；B1、B2 为衍射面位相系数，B1=-10311， B2=82242；衍射级次为1 ；归化半径
为100。
本实施例中镜头通过硫系玻璃-硫系玻璃-硫化锌-硫系玻璃-硫系玻璃的材料匹配，光焦度、非球面以及衍射面的合理设计，获得高分辨率、大视场的同时，具有宽范围的温度适应能力。
图3、图5、图7分别为消热差红外镜头在20℃、-40℃、80℃工作环境的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，如图中标为T的曲线，而代表弧矢平面的MTF曲线为图中标为S的曲线，图中标为DIFF.LIMIT代表衍射极限。图4、图6、图8分别为消热差红外镜头在20℃、-40℃、80℃工作环境的Spot图。从图3至图8可以看出，MTF 接近衍射极限，弥散斑均方根直径小于艾里斑直径，像质很好。本实施例的镜头在20℃、-40℃、80℃工作环境下，均具有良好的解像水平，镜头的综合成像质量好。本实施例的镜头具有热稳定性强的优点。
由上可见，本实施例提供的由以上镜片组成的消热差红外镜头，达到了以下光学指标。
工作波段：8μm-12μm；
焦距：f′=6mm；
分辨率：1280x1024 、12μm；
F数：1.2；
水平视场角：140°，竖直视场角：115°。
本实施例的镜头消热差效果好，能满足-40℃至80℃工作温度范围的要求，具有大视场、大光圈的优点，可匹配分辨率为1280×1024 ，12μm的大靶面探测器使用。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护之内。
Claims (7)
1.一种鱼眼型红外消热差镜头，其特征在于，所述镜头包括透镜，所述透镜由沿光轴从物侧至像侧依次设置的透镜A、透镜B、透镜C、透镜D和透镜E组成；所述透镜A、透镜B均为具有负光焦度、凸面朝向物侧的弯月透镜；所述透镜C、透镜D、透镜E均为具有正光焦度、凸面朝向像侧的弯月透镜；所述镜头的工作波段为8μm-12μm；所述透镜A和透镜B之间的空气间隔为12.21mm；所述透镜B和透镜C之间的空气间隔为2.6mm；所述透镜C和透镜D之间的空气间隔为2.94mm；所述透镜D和透镜E之间的空气间隔为4.6mm；所述透镜A的中心厚度为9.9mm；所述透镜B的中心厚度为5.9mm；所述透镜C的中心厚度为2.5mm；所述透镜D的中心厚度为4.3mm；所述透镜E的中心厚度为7.4mm；所述透镜A的物侧面拟合曲率半径为43.72mm，像侧面拟合曲率半径为13.30mm；所述透镜B的物侧面拟合曲率半径为24.82mm，像侧面拟合曲率半径为17.23mm；所述透镜C的物侧面拟合曲率半径为250.33mm，像侧面拟合曲率半径为-45.50mm；所述透镜D的物侧面拟合曲率半径为308.98mm，像侧面拟合曲率半径为-27.37mm；所述透镜E的物侧面拟合曲率半径为-125.99mm，像侧面拟合曲率半径为-40.67mm。
2.根据权利要求1所述的鱼眼型红外消热差镜头，其特征在于，所述透镜C和透镜D之间设有光阑。
3.根据权利要求1所述的鱼眼型红外消热差镜头，其特征在于，所述透镜A的像侧面、透镜B的像侧面、透镜C的像侧面、透镜D的物侧面、透镜E的像侧面均为非球面，并满足以下公式：
式中，Z为非球面沿光轴方向在高度r的位置时，距非球面顶点的距离矢高；c=1/R，R为镜面的近轴曲率拟合半径；k为圆锥系数；A，B，C，D，E为高次非球面系数。
4.根据权利要求3所述的鱼眼型红外消热差镜头，其特征在于，所述镜头的每个透镜中均仅有一个侧面为非球面。
5.根据权利要求1所述的鱼眼型红外消热差镜头，其特征在于，所述透镜A、透镜B、透镜D、透镜E的材料均为硫系玻璃。
6.根据权利要求5所述的鱼眼型红外消热差镜头，其特征在于，所述透镜C的材料为硫化锌。
7.根据权利要求1所述的鱼眼型红外消热差镜头，其特征在于，所述透镜D的物侧面为衍射面，所述衍射面在Zemax中的表达方程为：
其中，M为衍射次序；B1、B2 为衍射面位相系数，B1=-10311， B2=82242；衍射级次为1 ；归化半径
为100。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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