一種新型長波紅外消熱差鏡頭的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供一種新型長波紅外消熱差鏡頭，沿光軸從物方至像方依次設置有第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡，其中，所述第一透鏡為凸面朝向物側的具有正屈光力的彎月形透鏡，第二透鏡為具有負屈光力的透鏡，第三透鏡為凸面朝向像側的具有正屈光力的透鏡。所述鏡頭滿足：1<f*(n-1)/(FNO*R1)<3，f為整個光學系統(tǒng)的焦距；n為第一透鏡材料的中心波長折射率；FNO為光學系統(tǒng)的F數(shù)；R1為第一透鏡的凸面近似曲率半徑。本實用新型較其他光學消熱差方案具有明顯的成本優(yōu)勢，同時解決了由于采用衍射面結構致使消熱差系統(tǒng)能量損耗較大的問題?？蓱糜谛枰趯挏囟确秶鷥葘崿F(xiàn)消熱差功能的紅外車載輔助和安防監(jiān)控領域。
【專利說明】一種新型長波紅外消熱差鏡頭
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種新型長波紅外消熱差鏡頭，尤其是一種具有寬溫度范圍內消熱差性能可廣泛適用于車載夜視和安防監(jiān)控領域的長波光學消熱差鏡頭。
【背景技術】
[0002]隨著非制冷探測器技術的成熟，長波紅外非制冷光學系統(tǒng)得到了越來越廣泛的應用。由于紅外光學材料的折射率溫度系數(shù)較大，工作溫度的變化必然會導致成像系統(tǒng)焦面漂移，進而導致成像質量下降。紅外光學系統(tǒng)在寬溫度范圍內工作時同時要求不發(fā)生像面漂移，必須采用消熱差技術使紅外光學系統(tǒng)在一個較大的溫度范圍內均具有良好的成像質量。
[0003]光學系統(tǒng)的消熱差技術可分為主動補償和被動補償兩類，被動補償又分為機械被動補償和光學被動補償兩種。光學被動補償這種技術一般米用兩種方式，一是利用光學材料熱特性之間的差異，通過合理的材料、光焦度配比，實現(xiàn)光學系統(tǒng)像面位置隨溫度的變化量與儀器殼體隨溫度的變化量一致，該方案存在材料種類多，結構復雜的問題。二是在光學系統(tǒng)中引入衍射光學元件，利用衍射光學元件具有負消熱散的特性實現(xiàn)消熱差。該方案具有材料種類少，結構簡單的特點，但是需要采用衍射面結構，衍射面的衍射效率導致光學系統(tǒng)透過率下降明顯。
實用新型內容
[0004]本實用新型為解決上述光學消熱差系統(tǒng)中存在的問題，提供了一種新型長波紅外光學消熱差鏡頭，該系統(tǒng)采用三片式結構，利用硫系玻璃較低的折射率溫度系數(shù)的特性，實現(xiàn)在寬溫度范圍內的消熱差特性。
[0005]本實用新型解決上述技術問題的技術方案如下面所描述:
[0006]一種新型長波紅外消熱差鏡頭，沿光軸從物方至像方依次設置有第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡，所述第一透鏡為凸面朝向物側的具有正屈光力的彎月形透鏡，第二透鏡為具有負屈光力的透鏡，第三透鏡為凸面朝向像側的具有正屈光力的透鏡；所述鏡頭滿足下列公式:
[0007]l〈f*(n_l)/(FN0*Rl)〈3
[0008]其中，f為整個光學系統(tǒng)的焦距；n為第一透鏡材料的中心波長折射率；FN0為光學系統(tǒng)的F數(shù)；Rl為第一透鏡的凸面近似曲率半徑。
[0009]進一步的，所述第一透鏡和第二透鏡的組合焦距和光學系統(tǒng)焦距滿足下列的表達式:
[0010]2<fl2/f<7
[0011]其中，fl2為第一透鏡和第二透鏡的組合焦距；f為整個光學系統(tǒng)的焦距。
[0012]進一步的，所述第一透鏡的焦距和光學系統(tǒng)焦距滿足下列的表達式:
[0013]0<fl/f<l[0014]其中，fl為第一透鏡的焦距；f為整個光學系統(tǒng)的焦距。
[0015]進一步的，所述第二透鏡的焦距和光學系統(tǒng)焦距滿足下列的表達式:
[0016]-l<f2/f<0
[0017]其中，f2為第二透鏡的焦距；f為整個光學系統(tǒng)的焦距。
[0018]進一步的，所述第三透鏡的焦距和光學系統(tǒng)焦距滿足下列的表達式:
[0019]0<f3/f<l
[0020]其中，f3為第三透鏡的焦距；f為整個光學系統(tǒng)的焦距。
[0021]進一步的，所述鏡頭采用了兩種硫系玻璃材料，第一透鏡和第三透鏡采用同種材料。所述第一透鏡和第三透鏡采用的硫系玻璃具有較低的折射率溫度變化系數(shù)dn/dT。所述鏡頭的三個透鏡中均不含有衍射面結構。
[0022]本實用新型通過采用三片透鏡的方案，在不使用衍射面結構的條件下實現(xiàn)寬溫度范圍內的消熱差功能。較現(xiàn)有的光學消熱差方案具有以下優(yōu)勢:與多種光學材料配比實現(xiàn)光學消熱差方案相比，本實用新型具有材料數(shù)量少，鏡頭結構簡單的優(yōu)點；與光學系統(tǒng)中引入衍射光學元件實現(xiàn)光學消熱差方案相比，本實用新型由于無需采用衍射面結構具有系統(tǒng)透過率高的優(yōu)點；本實用新型僅采用兩種硫系玻璃，在材料成本上硫系玻璃具有明顯的優(yōu)勢，而且硫系玻璃在大批量生產(chǎn)時可以進行精密模壓，可以大大降低加工成本，具有廣闊的市場前景。實踐證明，該種技術方案具有較好的應用效果。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]通過下面結合附圖對其例示性實施例進行的描述，本實用新型上述特征和優(yōu)點將會變得更加清楚和容易理解。
[0024]圖1是本實用新型所述的新型長波紅外光學消熱差鏡頭的具體實施例的結構示意圖；
[0025]圖2是具體實施例的色差曲線圖(mm)；
[0026]圖3是具體實施例的像散曲線圖(mm)；
[0027]圖4是具體實施例的畸變曲線圖(％)；
[0028]圖5是具體實施例的MTF曲線圖。
【具體實施方式】
[0029]圖1是本實用新型所述的長波紅外光學消熱差鏡頭的結構示意圖。
[0030]如圖1所示的新型長波紅外光學消熱差鏡頭，沿光軸Zl從物方到像方依次設置有:位于第一透鏡物側面的系統(tǒng)光闌St、具有正屈光力的第一透鏡L1、具有負屈光力的第二透鏡L2、具有正屈光力的第三透鏡L3、濾光片W以及成像面100。
[0031]從物方到像方，所述第一透鏡LI的兩面為物側面R1、像側面R2 ;所述第二透鏡L2的兩面為物側面R3、像側面R4 ;所述第三透鏡L3的兩面為物側面R5、像側面R6 ;所述濾光片W的兩面為物側面R7、像側面R8。所述第一透鏡LI的光軸厚度為D1，第一透鏡LI和第二透鏡L2的光軸距離為D2，所述第二透鏡L2的光軸厚度為D3，第二透鏡L2和第三透鏡L3的光軸距離為D4，所述第三透鏡L3的光軸厚度為D5，第三透鏡L3和濾光片W的光軸距離為D6，所述濾光片W的光軸距厚度為D7，所述濾光片W和成像面100的距離為D8。[0032]其中，該紅外光學系統(tǒng)中第一透鏡LI為凸面朝向物側的正彎月透鏡；第二透鏡L2為凸面朝向物側的負彎月透鏡；第三透鏡為凸面朝向像側的透鏡。第一透鏡LI的凹面R2為非球面，第二透鏡L2的凹面R4為非球面,其余均為球面。
[0033]所述第一透鏡LI，第二透鏡L2，第三透鏡L3透鏡材料均為硫系玻璃，所述硫系玻璃在8?12μπι具有良好的透過率，透明區(qū)域覆蓋三個大氣窗口。硫系玻璃折射率隨溫度變化系數(shù)dn/dT較小，在光學系統(tǒng)中采用硫系玻璃加上合理的光焦度分配可以實現(xiàn)良好的消熱差功能。在加工方式上硫系玻璃除了具有可拋光，可車削，最大特性是還可以進行高精度模壓，在批量生產(chǎn)時具有極大的成本優(yōu)勢。
[0034]本光學系統(tǒng)在設計時，為達到384*28825微米探測器的高分率像質要求，鏡頭光闌St放置在第一透鏡LI的物側面上。所述第一透鏡LI的凸面近似曲率半徑與光學系統(tǒng)焦需要滿足下列公式:
[0035]l〈f*(n_l)/(FN0*Rl)〈3
[0036]其中，f為整個光學系統(tǒng)的焦距；
[0037]η為第一透鏡LI材料的中心波長折射率；
[0038]FNO為光學系統(tǒng)的F數(shù)；
[0039]Rl為第一透鏡LI的凸面近似曲率半徑；
[0040]第一透鏡L1、第二透鏡L2，第三透鏡L3的焦距分別為fl、f2，f3，第一透鏡和第二透鏡的組合焦距Π2，光學系統(tǒng)的焦距為f，為了達到優(yōu)良的光學特性，第一透鏡L1、第二透鏡L2和第三透鏡L3的光焦度分配需要滿足以下關系:2〈fl2/f〈7，0〈fl/f〈l，-l<f2/f<0,0<f3/f<lo
[0041]在本實施例中，該光學系統(tǒng)的焦距f=19mm，光圈數(shù)FNO=L I。第一透鏡LI的凸面近似曲率半徑Rl=14.43，第一透鏡LI的焦距f 1=12.43mm,第二透鏡L2的焦距為f2=-10.42mm，第三透鏡L3的焦距為f3=14.66mm，第一透鏡和第二透鏡的組合焦距f12=57.09mm。
[0042]f* (η-1) / (FN0*R1) =1.79 ；
[0043]fl2/f=3 ；
[0044]fl/f=0.65 ；
[0045]f2/f=-0.55 ；
[0046]f3/f=0.77 ；
[0047]圖2至圖5為相應實施例的光學特性曲線圖，其中圖2為色差曲線圖由8μπκ10 μ m、12 μ m的三個波長來表示，單位為mm。圖3為像散曲線圖，同樣由8 μ m、10 μ m、12 μ m的三個波長來表示，單位為_。圖4為畸變曲線圖，標示不同視場角下的畸變大小值，單位為％。圖5為MTF曲線圖，代表光學系統(tǒng)的綜合解像水平，最新的384*28825 μ m探測器要求達到20線對分辨率。由圖可知，該長波紅外光學系統(tǒng)已將各種像差補正，足以滿足實用要求。
[0048]本實用新型光學系統(tǒng)參數(shù)請參見表一、表二、表三。
[0049]表一、光學元件參數(shù)表
[0050]
【權利要求】
1.一種新型長波紅外消熱差鏡頭，其特征在于:沿光軸從物方至像方依次設置有第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡，所述第一透鏡為凸面朝向物側的具有正屈光力的彎月形透鏡，第二透鏡為具有負屈光力的透鏡，第三透鏡為凸面朝向像側的具有正屈光力的透鏡；所述鏡頭滿足下列公式:
l<f* (n-l)/(FN0*Rl)〈3 其中，f為整個光學系統(tǒng)的焦距；n為第一透鏡材料的中心波長折射率；FNO為光學系統(tǒng)的F數(shù)；Rl為第一透鏡的凸面近似曲率半徑。
2.根據(jù)權利要求1所述的新型長波紅外消熱差鏡頭，其特征在于:所述第一透鏡和第二透鏡的組合焦距和光學系統(tǒng)焦距滿足下列的表達式:
2<fl2/f<7 其中，fl2為第一透鏡和第二透鏡的組合焦距；f為整個光學系統(tǒng)的焦距。
3.根據(jù)權利要求1所述的新型長波紅外消熱差鏡頭，其特征在于:所述第一透鏡的焦距和光學系統(tǒng)焦距滿足下列的表達式:
0<fl/f<l 其中，fi為第一透鏡的焦距為整個光學系統(tǒng)的焦距。
4.根據(jù)權利要求1所述的新型長波紅外消熱差鏡頭，其特征在于:所述第二透鏡的焦距和光學系統(tǒng)焦距滿足下列的表達式:
-l<f2/f<0 其中，f2為第二透鏡的焦距；f為整個光學系統(tǒng)的焦距。
5.根據(jù)權利要求1所述的新型長波紅外消熱差鏡頭，其特征在于:所述第三透鏡的焦距和光學系統(tǒng)焦距滿足下列的表達式:
0<f3/f<l 其中，f3為第三透鏡的焦距；f為整個光學系統(tǒng)的焦距。
6.根據(jù)權利要求1所述的新型長波紅外消熱差鏡頭，其特征在于:所述鏡頭采用了兩種硫系玻璃材料，第一透鏡和第三透鏡采用同種材料。
7.根據(jù)權利要求6所述的新型長波紅外消熱差鏡頭，其特征在于:所述第一透鏡和第三透鏡采用的硫系玻璃具有較低的折射率溫度變化系數(shù)dn/dT。
8.根據(jù)權利要求1所述的新型長波紅外消熱差鏡頭，其特征在于:所述鏡頭的三個透鏡中均不含有衍射面結構。
【文檔編號】G02B13/14GK203759345SQ201420047510
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年1月24日 優(yōu)先權日:2014年1月24日
【發(fā)明者】任和齊, 朱光春 申請人:寧波舜宇紅外技術有限公司