CN115079378B - 一种短焦低畸变消热差红外镜头 - Google Patents

Abstract

本发明属于红外光学技术领域，公开了一种短焦低畸变消热差红外镜头。所述镜头包括从物侧至像侧依次同轴设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜；所述第一透镜为具有负光焦度、凸面朝向物侧的弯月透镜；所述第二透镜为具有正光焦度、凸面朝向物侧的弯月透镜；所述第三透镜为具有负光焦度、凸面朝向物侧的弯月透镜；所述第四透镜为双凸透镜。本发明克服了短焦、高畸变的矛盾，在确保视场范围大的同时，畸变小，消热差性能佳，可以满足工作环境‑40℃至80℃的宽温度需求，热稳定性能好。本镜头的工作波段为8μm‑12μm，可匹配分辨率为384×288、17μm的探测器使用。

Description

一种短焦低畸变消热差红外镜头

技术领域

本技术属于红外光学技术领域，特别涉及一种短焦低畸变消热差红外镜头。

背景技术

广角红外镜头具有短焦距视场覆盖率广的特点，应用得越来越广泛。然而其畸变较高，控制得好的畸变一般也在40%至50%之间，并且像面边缘分辨率不高，像差难以校正。焦距越短，为了控制其成像质量，其设计难度也越大。

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***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***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。

因此在确保无热化的同时，如何实现短焦低畸变是现阶段该领域亟待解决的难题。

发明内容

为了解决以上问题，本发明提供一种短焦低畸变消热差红外镜头，能够实现被动消热差的同时，具有广角、短焦、低畸变的特点。具体技术方案如下。

一种短焦低畸变消热差红外镜头，所述镜头包括从物侧至像侧依次同轴设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜；所述第一透镜为具有负光焦度、凸面朝向物侧的弯月透镜；所述第二透镜为具有正光焦度、凸面朝向物侧的弯月透镜；所述第三透镜为具有负光焦度、凸面朝向物侧的弯月透镜；所述第四透镜为双凸透镜。

优选地，所述镜头的焦距为3.5mm，工作波段为8μm-12μm。

优选地，所述第一透镜的像侧面、第二透镜的像侧面、第三透镜的物侧面、第四透镜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。

本方案对透镜的不同面采用非球面，改善了温度变化对像质的影响。

优选地，所述第一透镜、第二透镜的材料均为锗，所述第三透镜的材料为硫化锌，所述第四透镜的材料为硫系玻璃。本方案通过锗-锗-硫化锌-硫系玻璃的材料匹配，提升其消热差效果。

优选地，所述镜头还包括镜筒，镜筒内设置有第一压圈、第二压圈、隔圈和第三压圈；所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜于镜筒内依次设置；所述第一透镜通过第一压圈固定，所述第二透镜通过第二压圈、隔圈固定，所述第三透镜通过隔圈固定，所述第四透镜通过第三压圈固定。本方案的设计使得透镜的同轴度好、安装稳定。

优选地，所述第一透镜和第二透镜之间的空气间隔为10.1mm；所述第二透镜和第三透镜之间的空气间隔为3.7mm；所述第三透镜和第四透镜之间的空气间隔为0.5mm。

优选地，所述第四透镜的像侧依次设有保护窗口和探测器焦平面阵列，所述第四透镜与探测器焦平面阵列之间的距离为8.9mm。光束穿过第四透镜后，通过保护窗口，在探测器焦平面阵列上成像。

优选地，所述第一透镜的中心厚度为2mm；所述第二透镜的中心厚度为2.2mm；所述第三透镜的中心厚度为4.3mm；所述第四透镜的中心厚度为7mm。

优选地，所述第一透镜的物侧面曲率半径为14.83mm，像侧面拟合曲率半径为8.17mm；所述第二透镜的物侧面曲率半径为16mm，像侧面拟合曲率半径为16.75mm；所述第三透镜的物侧面拟合曲率半径为55.55mm，像侧面曲率半径为27.14mm；所述第四透镜的物侧面曲率半径为23.09mm，像侧面拟合曲率半径为-17.84mm。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明克服了短焦、高畸变的矛盾，焦距为3.5mm，畸变可控制在30%以内；并且视场范围大，水平视场角为86°，竖直视场角为70°；

2、消热差效果佳，可以满足工作环境-40℃至80℃的温度需求，热稳定性能好。

本镜头的工作波段为8μm-12μm，可匹配分辨率为384×288、17μm的探测器使用。

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短焦低畸变消热差红外镜头的侧面剖视图；

图2为本发明具体实施方式中短焦低畸变消热差红外镜头的透镜组成示意图；

图3为本发明具体实施方式中短焦低畸变消热差红外镜头在20℃工作环境的MTF图；

图4为本发明具体实施方式中短焦低畸变消热差红外镜头在20℃工作环境的Spot图；

图5为本发明具体实施方式中短焦低畸变消热差红外镜头在-40℃工作环境的MTF图；

图6为本发明具体实施方式中短焦低畸变消热差红外镜头在-40℃工作环境的Spot图；

图7为本发明具体实施方式中短焦低畸变消热差红外镜头在80℃工作环境的MTF图；

图8为本发明具体实施方式中短焦低畸变消热差红外镜头在80℃工作环境的Spot图；

图9为本发明具体实施方式中短焦低畸变消热差红外镜头的场曲畸变图。

其中：1、第一透镜；2、第二透镜；3、第三透镜；4、第四透镜；5、保护窗口；6、探测器焦平面阵列；7、镜筒；8、第一压圈；9、第二压圈；10、隔圈；11、第三压圈。

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。需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于便于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种短焦低畸变消热差红外镜头，共采用了四个透镜。具体地，包括沿光轴从物侧至像侧依次同轴设置的第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4。其中，第一透镜1为具有负光焦度、凸面朝向物侧的弯月透镜；第二透镜2为具有正光焦度、凸面朝向物侧的弯月透镜；第三透镜3为具有负光焦度、凸面朝向物侧的弯月透镜；第四透镜4为具有正光焦度的双凸透镜。

如图2所示，光束从左至右依次通过第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4后，通过保护窗口5在探测器焦平面阵列6上成像。本实施例中保护窗口的材料为锗。

作为一种优选的实施方式，本实施例各透镜的光学参数如表1所示。

第一透镜1的中心厚度d1为2mm，物侧面曲率半径为14.83mm，像侧面拟合曲率半径为8.17mm。第二透镜2的中心厚度d3为2.2mm，物侧面曲率半径为16mm，像侧面拟合曲率半径为16.75mm。第三透镜3的中心厚度d5为4.3mm，物侧面拟合曲率半径为55.55mm，像侧面曲率半径为27.14mm。第四透镜4的中心厚度d7为7mm，物侧面曲率半径为23.09mm，像侧面拟合曲率半径为-17.84mm。

其中，第一透镜1和第二透镜2之间的空气间隔d2为10.1mm；第二透镜2和第三透镜3之间的空气间隔d4为3.7mm。第三透镜3与第四透镜4之间的空气间隔d6为0.5mm。上述空气间隔为透镜中心的空气间隔。第四透镜4与探测器焦平面阵列6之间的间距d8为8.9mm。本镜头的光学总长为38.75mm。

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1和表1所示，面序号S1、S2分别对应第一透镜1的物侧面和像侧面，S3、S4分别对应第二透镜2的物侧面和像侧面，S5、S6分别对应第三透镜3的物侧面和像侧面；S7、S8分别对应第四透镜4的物侧面和像侧面。

表1各透镜参数

第一透镜1的像侧面S2、第二透镜2的像侧面S4、第三透镜3的物侧面S5、第四透镜4的像侧面S8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。各透镜的非球面系数如表2所示。

表2各透镜的非球面系数数据

作为一种较佳的实施方式，第一透镜1、第二透镜2的材料为锗GE；第三透镜3的材料为硫化锌ZNS；第四透镜4的材料为硫系玻璃IRG206。

如图2所示，镜头还包括镜筒7，第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4沿镜筒7内依次设置；镜筒7内设置有第一压圈8、第二压圈9、隔圈10和第三压圈11；第一压圈8于第一透镜1的物侧，沿镜筒7内周面设置；第二压圈9设置在第一透镜1和第二透镜2之间；隔圈10设置在第二透镜2和第三透镜3之间；第三压圈11于第四透镜4像侧，沿镜筒7内周面设置。具体地，第一透镜1通过第一压圈8固定，第二透镜2通过第二压圈9、隔圈10固定，第三透镜3通过隔圈10固定，第四透镜4通过第三压圈11固定。本镜头镜筒、压圈、隔圈的设计，使得透镜在镜筒内安装稳定，同轴度好。更具体地，本实施例的镜筒直径可以为26mm。

图3、图5、图7分别为短焦低畸变消热差红外镜头在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分别为短焦低畸变消热差红外镜头在20℃、-40℃、80℃工作环境的点列图。

从图3至图8中可以看出，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℃工作环境下具有良好的解像水平，镜头的综合成像质量好。

图9为短焦低畸变消热差红外镜头的场曲畸变图，本实施例通过合理的光学结构设计，能将畸变降到30%以下，改善了现有技术中短焦的高畸变难以降低的问题。

由上可见，本实施例提供的由以上镜片组成的短焦低畸变消热差红外镜头，达到了以下光学指标：工作波段为8μm-12μm；焦距f′=3.5mm；分辨率为384×288、17μm；F数为1.0；水平视场角为86°，竖直视场角为70°。

本实施例仅通过四块不同透镜的合理组合，包括光焦度匹配、光学参数的约束、材料的选择、非球面的设计等，解决了热差问题的同时，解决了短焦畸变高、边缘像质不易控制的难题。本实施例镜头的镜片数量较少，能够有效提高视角、修正像差、畸变小；并且具有良好的消热差效果，使得镜头工作温度达到-40℃至80℃的宽温度范围。

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 (6)

1.一种短焦低畸变消热差红外镜头，其特征在于，所述镜头包括透镜，所述透镜由从物侧至像侧依次同轴设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜组成；所述第一透镜为具有负光焦度、凸面朝向物侧的弯月透镜；所述第二透镜为具有正光焦度、凸面朝向物侧的弯月透镜；所述第三透镜为具有负光焦度、凸面朝向物侧的弯月透镜；所述第四透镜为双凸透镜；所述第一透镜和第二透镜之间的空气间隔为10.1mm；所述第二透镜和第三透镜之间的空气间隔为3.7mm；所述第三透镜和第四透镜之间的空气间隔为0.5mm；所述第一透镜的中心厚度为2mm；所述第二透镜的中心厚度为2.2mm；所述第三透镜的中心厚度为4.3mm；所述第四透镜的中心厚度为7mm；所述第一透镜的物侧面曲率半径为14.83mm，像侧面拟合曲率半径为8.17mm；所述第二透镜的物侧面曲率半径为16mm，像侧面拟合曲率半径为16.75mm；所述第三透镜的物侧面拟合曲率半径为55.55mm，像侧面曲率半径为27.14mm；所述第四透镜的物侧面曲率半径为23.09mm，像侧面拟合曲率半径为-17.84mm。

2.根据权利要求1所述的短焦低畸变消热差红外镜头，其特征在于，所述镜头的焦距为3.5mm，工作波段为8μm-12μm。

3.根据权利要求1所述的短焦低畸变消热差红外镜头，其特征在于，所述第一透镜的像侧面、第二透镜的像侧面、第三透镜的物侧面、第四透镜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1所述的短焦低畸变消热差红外镜头，其特征在于，所述第一透镜、第二透镜的材料均为锗，所述第三透镜的材料为硫化锌，所述第四透镜的材料为硫系玻璃。

5.根据权利要求1所述的短焦低畸变消热差红外镜头，其特征在于，所述镜头还包括镜筒，镜筒内设置有第一压圈、第二压圈、隔圈和第三压圈；所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜于镜筒内依次设置；所述第一透镜通过第一压圈固定，所述第二透镜通过第二压圈、隔圈固定，所述第三透镜通过隔圈固定，所述第四透镜通过第三压圈固定。

6.根据权利要求1所述的短焦低畸变消热差红外镜头，其特征在于，所述第四透镜的像侧依次设有保护窗口和探测器焦平面阵列，所述第四透镜与探测器焦平面阵列之间的距离为8.9mm。

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