CN116540388A - 一种超高分辨率的广角红外镜头 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超高分辨率的广角红外镜头，沿光轴从物方至像方依次设置有第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜，第一透镜、第二透镜、第四透镜均为凸面朝向物方的弯月透镜，第三透镜为凹面朝向物方的弯月透镜。该广角红外镜头在15mm焦距下各透镜沿光轴方向之间尺寸如下：第一透镜与第二透镜之间的空气间隔为24.25mm，第二透镜与第三透镜之间的空气间隔为16.25mm；第三透镜与第四透镜之间的空气间隔为10mm；第四透镜与红外探测器焦平面之间的间距为11.88mm。本发明的超高分辨率的广角镜头具有成像质量高、大视场的探测范围、结构紧凑、成本低等优点，可被应用于安防监测、工业监测和军用机载吊舱等应用。

Description

一种超高分辨率的广角红外镜头
技术领域
本发明涉及一种红外镜头，具体的说，涉及一种超高分辨率的广角红外镜头。
背景技术
红外成像技术作为一种被动的红外夜视技术，其原理是探测目标自身的红外辐射来观察观测目标，因此其可不受雨雪、风霜、黑夜和电磁干扰等恶劣环境影响，既实现全天24小时对探测目标的成像。近年来，随着对高清红外图像的需求，超高分辨的红外探测器和红外镜头因其具有成像质量高、画面清晰，正被逐渐被用于工业检测和军警对抗等领域。
然而，在探测距离在百米以内的应用场景下，目前的超高分辨率红外探测***因其***的视场角小，不能宽幅的展示的被探测场景画面以获得更多的图像画面信息，从而限制了***的应用。
发明内容
本发明提出了一种超高分辨率的广角红外镜头，其焦距维15mm，可匹配1280*1024@12μm探测器(像素单元:1280*1024@12μm,像素大小:12μm)的超高分辨率的探测器。该镜头由4片镜片组成，相较与普通的2片镜片镜头，其将视场角从目前的28.8°(水平视场角)增加到54.6°(水平视场角)，在百米级探测时实现了大视场的广角的高清图像。本发明的超高分辨率的广角镜头具有成像质量高、大视场的探测范围、结构紧凑、成本低等优点，可被应用于安防监测、工业监测和军用机载吊舱等应用。
为实现上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的：
所述的超高分辨率的广角红外镜头，沿光轴从物方至像方依次设置有第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜，第一透镜、第二透镜、第四透镜均为凸面朝向物方的弯月透镜，第三透镜为凹面朝向物方的弯月透镜。光线沿光轴方向自左向右依次入射第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜，最后通过探测器窗口入射到红外探测器焦平面。
进一步优选，广角红外镜头在15mm焦距下各透镜沿光轴方向之间尺寸如下：第一透镜与第二透镜之间的空气间隔为24.25mm，第二透镜与第三透镜之间的空气间隔为16.25mm；第三透镜与第四透镜之间的空气间隔为10mm；第四透镜与红外探测器焦平面之间的间距为11.88mm。
进一步优选，第一透镜的焦距f1≤-43.27mm，第二透镜的焦距f2≤38.21mm，第三透镜的焦距f3≤55.29mm，第四透镜的焦距f4≤23.96mm，第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜组成的整个光学***焦距f≤15mm。
进一步优选，第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜沿物侧至像侧方向上的曲面分别标记为S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8；第一透镜中心厚度为15.2mm，第二透镜中心厚度为9.25mm，第三透镜中心厚度为4.73mm，第四透镜中心厚度为3.1mm；S1曲率半径为24.872628mm，S2曲率半径为17.987316mm，S3曲率半径为23.892824mm，S4曲率半径为28.098396mm，S5曲率半径为67.287643，S6曲率半径为50.760981，S7曲率半径为73.456739，S8为平面。
进一步优选，S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7为非球面透镜，S8为球面透镜。
进一步优选，第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜中的非球面透镜曲线满足如下方程表达式：
式中，z为非球面沿着光轴方向到达高度r位置时，其距离非球面顶点的距离矢高；
c:非球面顶点之曲率；
k：锥面系数Conic constant；
r径向距离；
A4、A6、A8表示为高次非球面系数。
进一步优选，第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜的材质均为锗材料。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本装置结构紧凑、设计合理，镜片数目少，成像质量好，能满足高分辨率1280*1024@12μm红外探测器的超高分辨率的红外广角镜头需求。此外，其还具有安装方便，操作简单，经济性能好。实用性强等优点。
附图说明
图1是本发明的光学结构示意图；图中，1-第一透镜，2-第二透镜，3-第三透镜，4-第四透镜，5-红外探测器焦平面。
图2是本发明15mm焦距下20℃时的MTF曲线图。
图3是本发明15mm焦距下的畸变曲线图。
图4是本发明13mm焦距下20℃时的MTF曲线图。
图5是本发明13mm焦距下的畸变曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面将对本发明的优选实施例进行详细的说明，以方便技术人员理解。
本发明提供了一种超高分辨率的广角红外镜头，将百米级探测距离的红外镜头(分辨率：640*512@12μm)视场角从目前的28.8°(水平视场角)增加到54.6°(水平视场角)，提升为超高分辨率(1280*1024@12μm)的红外广角镜头。如图1所示，超高分辨率的广角红外镜头，沿光轴从物方至像方依次设置有第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜，第一透镜、第二透镜、第四透镜均为凸面朝向物方的弯月透镜，第三透镜为凹面朝向物方的弯月透镜。光线沿光轴方向自左向右依次入射第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4，最后通过探测器窗口入射到红外探测器焦平面5。
广角红外镜头在15mm焦距下各透镜沿光轴方向之间尺寸如下：第一透镜与第二透镜之间的空气间隔为24.25mm，第二透镜与第三透镜之间的空气间隔为16.25mm；第三透镜与第四透镜之间的空气间隔为10mm；第四透镜与红外探测器焦平面之间的间距为11.88mm。
本发明中，第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜的材质均为锗材料。
本发明中，第一透镜1的焦距为f1，第二透镜2的焦距为f2，第三透镜3的焦距维f3，第四透镜4的焦距为f4。第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3和第四透镜4组成的整个光学***焦距为f。
f1≤-43.27mm；f2≤38.21mm；f3≤55.29mm；f4≤23.96mm；f≤15mm
满足上述条件，既可使得镜头在8um-14μm波长范围内得获得良好的成像质量。镜头在上述焦距范围，根据实际情况，可通过转动调焦环调节各镜片焦距，从而找到成像的最佳焦点位置。
在上述基础上，作为本发明的进一步改进，由第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3和第四透镜4所组成的光学结构达到了如下的指标：
1)工作波段：8μm-14μm；
2)焦距：f＝15mm；
3)相对孔径D/f：1/1.0；
4)视场角(D*H*V)：67.5°*54.6°*44.5°；
5)TV畸变：<0.55％；
6)出瞳距离：5.15mm；
7)分辨率：可满足长波红外非制冷型1280*1024@12μm；
8)光路总长≤75.4mm，光学后截距8mm。
目前市面上匹配1280*1024@12um探测器的镜头均为长焦距、窄视场角镜头(以匹配1280*1024@12um探测器的75mm焦距为例，其视场角为14.9°*11.7°*9.4°，焦距越大，视场角越小。而本发明是专门开发了小焦距大视场的广角镜头，其视场角为67.5°*54.6°*44.5°，视野范围明显增大。此外，该镜头的难点在于小焦距下镜头的畸变控制，由镜头畸变曲线可知，本发明的镜头畸变控制在0.55％以内，因而能实现高质量成像，并且不会失真。
在上述基础上，作为本发明的进一步改进，第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4沿物侧至像侧方向上的曲面分别标记为S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8(见图1)；第一透镜中心厚度为15.2mm，第二透镜中心厚度为9.25mm，第三透镜中心厚度为4.73mm，第四透镜中心厚度为3.1mm；S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7为非球面透镜，S8为球面透镜。
第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4构成的光学元件具体详细参数如表1所示，其中S1、S2、S3、S4、S5表示依次维正透镜1、负透镜2和红外探测器焦平面3的左面，其自左向右各个表面参数.具体详细光学数据如表1-1所示。
表1-1
第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜中的非球面透镜曲线满足如下方程表达式：
其中，z为非球面沿着光轴方向到达高度r位置时，其距离非球面顶点的距离矢高；
c:非球面顶点之曲率；
k：锥面系数(Conic constant)；
r径向距离；
A4、A6、A8表示为高次非球面系数。
各系数表如下表2所示：
表2
该超高分辨率的广角红外镜头在20℃下的MTF曲线图见图2。从图中可以看出，该镜头的MTF值均大于0.15，镜头成像对比度高，图像成像质量好。图3为镜头曲长及畸变图。从图中可以看出，***的光学畸变<1.1％,畸变下，可提供良好的图像成像质量。
图4和图5为13mm焦距下的MTF曲线图和畸变图，13mm MTF值为＞0.2，镜头畸变<1.8％，15mm镜头畸变明显优于13mm，成像质量更高。
最后说明的是，以上优选实施例仅用于说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (7)

1.一种超高分辨率的广角红外镜头，其特征在于：沿光轴从物方至像方依次设置有第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜，第一透镜、第二透镜、第四透镜均为凸面朝向物方的弯月透镜，第三透镜为凹面朝向物方的弯月透镜。
2.根据权利要求1所述的一种超高分辨率的广角红外镜头，其特征在于：广角红外镜头在15mm焦距下各透镜沿光轴方向之间尺寸如下：第一透镜与第二透镜之间的空气间隔为24.25mm，第二透镜与第三透镜之间的空气间隔为16.25mm；第三透镜与第四透镜之间的空气间隔为10mm；第四透镜与红外探测器焦平面之间的间距为11.88mm。
3.根据权利要求1所述的一种超高分辨率的广角红外镜头，其特征在于：第一透镜的焦距f1≤-43.27mm，第二透镜的焦距f2≤38.21mm，第三透镜的焦距f3≤55.29mm，第四透镜的焦距f4≤23.96mm，第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜组成的整个光学***焦距f≤15mm。
4.根据权利要求1所述的一种超高分辨率的广角红外镜头，其特征在于：第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜沿物侧至像侧方向上的曲面分别标记为S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8；第一透镜中心厚度为15.2mm，第二透镜中心厚度为9.25mm，第三透镜中心厚度为4.73mm，第四透镜中心厚度为3.1mm；S1曲率半径为24.872628mm，S2曲率半径为17.987316mm，S3曲率半径为23.892824mm，S4曲率半径为28.098396mm，S5曲率半径为67.287643，S6曲率半径为50.760981，S7曲率半径为73.456739，S8为平面。
5.根据权利要求1或4所述的一种超高分辨率的广角红外镜头，其特征在于：S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7为非球面透镜，S8为球面透镜。
6.根据权利要求4或5所述的一种超高分辨率的广角红外镜头，其特征在于：第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜中的非球面透镜曲线满足如下方程表达式：
式中，z为非球面沿着光轴方向到达高度r位置时，其距离非球面顶点的距离矢高；c:非球面顶点之曲率；k：锥面系数Conicconstant；r径向距离；A4、A6、A8表示为高次非球面系数。
7.根据权利要求1所述的一种超高分辨率的广角红外镜头，其特征在于：第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜的材质均为锗材料。
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