一种广角红外定焦镜头的制作方法

1.本发明属于光学成像技术领域，具体涉及一种广角红外定焦镜头。


背景技术：

2.近年来，红外热成像技术得到了飞速发展，红外热成像在非制冷探测器领域的应用技术也日益成熟。目前，非制冷长波红外热像仪被广泛应用于军事、车载、测温、电力巡线、边界安防等领域，其中在军事领域的应用尤为广泛。为了使非制冷长波红外热像仪能够满足民用使用需求，要求长波非制冷光学系统中的镜头视场角足够大，但为了保持成本的平衡，则不得不降低探测器成本，即探测器的画幅需要同步减小，这将导致镜头成像品质大大降低。为了解决成像品质问题，现有的红外系统通常采用的方式为增加大视场系统第一个透镜口径，但由又势必造成产品头部体积的增大及生产成本的增加。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于改善现有技术中存在的不足，提供一种广角红外定焦镜头。
4.本发明采用的技术方案如下：
5.一种广角红外定焦镜头，包括由物侧至镜侧依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、光阑、第四透镜、硅窗口和探测器；
6.所述第一透镜和第三透镜为负透镜，第二透镜和第四透镜为正透镜；第一透镜物侧面和镜侧面分别为凸面和凹面，第二透镜物侧面和镜侧面分别为凸面和凹面，第三透镜透镜物侧面和镜侧面分别为凹面和凸面，第四透镜物侧面和镜侧面均为凸面。
7.进一步地，所述第一透镜、第二透镜和第三透镜均为球面透镜，第四透镜为非球面透镜；所述非球面透镜满足以下条件：
[0008][0009]
公式(1)中相关参数含义如下：
[0010]
x
‑
非球面的深度，单位为mm；
[0011]
y
‑
从光轴到透镜面的距离，即高度，单位为mm；
[0012]
c
‑
镜片曲率半径﹐c＝1/r；
[0013]
k
‑
圆锥常数；
[0014]
b﹑c﹑d﹑e﹑f﹑g﹑h
‑
非球面镜片系数。
[0015]
进一步地，所述第四透镜具有衍射面。
[0016]
进一步地，所述第一透镜、第二透镜和第三透镜均采用锗玻璃，第四透镜采用硫系玻璃。
[0017]
进一步地，所述第一透镜至第四透镜的焦距满足以下条件：
[0018]
0.7＜∣f1/f
123
∣＜1(2)
[0019]
1.9＜∣f2/f
123
∣＜2.2(3)
[0020]
1.9＜∣f3/f
123
∣＜2.2(4)
[0021]
公式(2)中(4)中，f1为第一透镜焦距，f2为第二透镜焦距，f3为第三透镜焦距，f4为第四透镜焦距，f
123
为第一透镜、第二透镜和第三透镜的组合焦距。
[0022]
进一步地，所述第一透镜至第四透镜的焦距满足以下条件：
[0023]
1.5＜∣f
123
/f∣＜2
ꢀꢀ
(5)
[0024]
1.4＜∣f1/f∣＜1.6
ꢀꢀ
(6)
[0025]
1.8＜∣f4/f∣＜2.2
ꢀꢀ
(7)
[0026]
公式(5)至(7)中，f为镜头光学系统焦距。
[0027]
进一步地，所述第一透镜至第四透镜的焦距取值满足以下条件：∣f1/f
123
∣＝0.86，∣f2/f
123
∣＝2.06，∣f3/f
123
∣＝2.09，∣f
123
/f∣＝1.78，∣f1/f∣＝1.53，∣f4/f∣＝2.02。
[0028]
进一步地，所述第一透镜满足以下条件：∣r2∣＜4，其中，r2为第一透镜像方曲率半径。
[0029]
进一步地，所述第一透镜像方曲率半径r2取值满足：∣r2∣＝3.54。
[0030]
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
[0031]
1、通过由物侧至镜侧依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、光阑、第四透镜、硅窗口和探测器，得到的红外定焦镜头具有广角、结构紧凑、高低温
‑
40～85℃温差环境中适用、能够有效校正光学系统中的像差等优点，同时，还比现有技术的红外定焦镜头成本更低，适用于大角度红外热成像设备；通过将第一透镜设置为物侧面和镜侧面分别为凸面和凹面的弯月透镜，有效增大视场角度，实现大视场角的成像效果，同时，通过将光阑设于第三透镜和第四透镜之间，有效提高光通量和保证高质量成像效果。
[0032]
2、通过将第一透镜、第二透镜和第三透镜均设为球面透镜，将第四透镜设为非球面透镜，并将非球面透镜设置衍射面，通过非球面镜片充分校正成像时出现的像差，从而提升镜头成像质量。
[0033]
3、通过设置第一透镜、第二透镜和第三透镜采用锗玻璃，第四透镜采用硫系玻璃，利用硫系材料可以无压力地面对大区间温差的特性，有效保证定焦镜头无热化，保证其在不同环境中的工作稳定性。
[0034]
4、通过对第一透镜至第四透镜的焦距设定的约束条件，实现不同透镜之间的合理组合，有效保证镜头参数和校正高低温解析的变化量。
附图说明
[0035]
图1为本发明的结构示意图。
[0036]
图2为实施例一定焦镜头常温下球差示意图。
[0037]
图3为实施例一定焦镜头常温下像散示意图。
[0038]
图4为实施例一定焦镜头常温下畸变示意图。
[0039]
图5为实施例一定焦镜头常温下rayfan示意图。
[0040]
图6为实施例一定焦镜头常温下mtf示意图。
[0041]
图7为实施例一定焦镜头在85度时球差示意图。
[0042]
图8为实施例一定焦镜头在85度时像散示意图。
[0043]
图9为实施例一定焦镜头在85度时畸变示意图。
[0044]
图10为实施例一定焦镜头在85度时rayfan示意图。
[0045]
图11为实施例一定焦镜头在85度时mtf示意图。
[0046]
图12为实施例二定焦镜头常温下球差示意图。
[0047]
图13为实施例二定焦镜头常温下像散示意图。
[0048]
图14为实施例二定焦镜头常温下畸变示意图。
[0049]
图15为实施例二定焦镜头常温下rayfan示意图。
[0050]
图16为实施例二定焦镜头常温下mtf示意图。
[0051]
图17为实施例二定焦镜头在85度时球差示意图。
[0052]
图18为实施例二定焦镜头在85度时像散示意图。
[0053]
图19为实施例二定焦镜头在85度时畸变示意图。
[0054]
图20为实施例二定焦镜头在85度时rayfan示意图。
[0055]
图21为实施例二定焦镜头在85度时mtf示意图。
[0056]
图中标记：l1.第一透镜、l2.第二透镜、l3.第三透镜、k.光圈、l4.第四透镜、l5.硅窗口。
具体实施方式
[0057]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。
[0058]
实施例一：
[0059]
本发明包括由物侧至镜侧依次设置的第一透镜l1、第二透镜l2、第三透镜l3、光阑k、第四透镜l4、硅窗口l5和探测器，第一透镜l1和第三透镜l3为负透镜，第二透镜l2和第四透镜l4为正透镜。
[0060]
将光阑k置于第透镜k3和第四透镜k4之间，能够保证较大光通量以及高质量成像效果。
[0061]
第一透镜l1物侧面和镜侧面分别为凸面和凹面，第二透镜l2物侧面和镜侧面分别为凸面和凹面，第三透镜l3透镜物侧面和镜侧面分别为凹面和凸面，第四透镜l4物侧面和镜侧面均为凸面。第一透镜l1设置为弯月透镜能够尽可能实现大视场角，提高定焦镜头的摄像范围。
[0062]
第一透镜l1、第二透镜l2和第三透镜l3均采用锗玻璃，第四透镜l4采用硫系玻璃，硫系材料的玻璃能够保证镜头的无热化，使之能够适应
‑
40℃～85℃温差范围内的外部环境。
[0063]
第一透镜l1、第二透镜l2和第三透镜l3均为球面透镜，第四透镜l4为非球面透镜，通过非球面镜片充分校正成像时出现的像差，从而提升镜头的成像质量。
[0064]
非球面透镜满足以下条件：
[0065][0066]
公式(1)中相关参数含义如下：
[0067]
x
‑
非球面的深度，单位为mm；
[0068]
y
‑
从光轴到透镜面的距离，即高度，单位为mm；
[0069]
c
‑
镜片曲率半径﹐c＝1/r；
[0070]
k
‑
圆锥常数；
[0071]
b﹑c﹑d﹑e﹑f﹑g﹑h
‑
非球面镜片系数。
[0072]
第一透镜l1至第四透镜l4的焦距满足以下条件：
[0073]
0.7＜∣f1/f
123
∣＜1
ꢀꢀ
(2)
[0074]
1.9＜∣f2/f
123
∣＜2.2
ꢀꢀ
(3)
[0075]
1.9＜∣f3/f
123
∣＜2.2
ꢀꢀ
(4)
[0076]
1.5＜∣f
123
/f∣＜2
ꢀꢀ
(5)
[0077]
1.4＜∣f1/f∣＜1.6
ꢀꢀ
(6)
[0078]
1.8＜∣f4/f∣＜2.2
ꢀꢀ
(7)
[0079]
公式(2)至(7)中，f1为第一透镜l1焦距，f2为第二透镜l2焦距，f3为第三透镜l3焦距，f4为第四透镜l4焦距，f
123
为第一透镜l1、第二透镜l2和第三透镜l3的组合焦距。f为镜头光学系统焦距。
[0080]
透镜的焦距由透镜的前、后两个表面的结构决定，透镜的焦距反映了透镜的前、后两个表面组合后的整体情况，为透镜的一个结构参数，满足上述限制条件的镜头，可有效保证镜头参数和校正高低温解析的变化量。
[0081]
本实施例中，优选第一透镜l1至第四透镜l4的焦距取值满足以下条件：∣f1/f
123
∣＝0.86，∣f2/f
123
∣＝2.06，∣f3/f
123
∣＝2.09，∣f
123
/f∣＝1.78，∣f1/f∣＝1.53，∣f4/f∣＝2.02。
[0082]
为了保证视角的同时又能保证第一透镜l1的大小，第一透镜l1像方曲率半径r2满足以下条件：∣r2∣＜4，本实施例中，优选为∣r2∣＝3.54。
[0083]
为了进一步证明本发明的效果，下面结合具体实验数据进行验证。
[0084]
本实施例采用的基本透镜数据如表1所示：
[0085]
表1：
[0086]
面编号曲率半径r面间隔d材料第一透镜l1物面8.140.74锗玻璃第一透镜l1像面3.545.00 第二透镜l2物面10.891.10锗玻璃第二透镜l2像面27.752.92 第三透镜l3物面
‑
5.350.75锗玻璃第三透镜l3像面
‑
8.54
‑
0.10 光澜k面无限大0.36 第四透镜l4物面11.512.15硫系玻璃第四透镜l4像面
‑
9.474.00 硅窗无限大0.60硅玻璃探测器像面无限大5.20 [0087]
曲率半径r表示了对应面的曲率半径值，单位为mm，面间隔d表示了对应面的镜片肉厚或镜片之间的间隔数值，单位为mm。
[0088]
非球面镜片系数具体参数如表2所示：
[0089]
表2：
[0090] 第四透镜l4物面第四透镜l4像面k
‑
9.9
‑
0.95b
‑
0.000650.00035c
‑
0.0000052
‑
0.000014d0.00000024
‑
0.0000045e
‑
0.000000580.0000000072f0.0000000410.000000035g0.00000000360.0000000016h
‑
0.00000000059
‑
0.00000000047
[0091]
光学系统参数如表3所示：
[0092]
表3：
[0093]
ffno.2ωttl1.551.1161
°
17.9
[0094]
表3中，近轴焦距f的单位为mm，fno.为光圈大小，视角2ω中的ω表示半视角，光学总长ttl的单位为mm。
[0095]
将本实施例的红外定焦镜头在常温下进行试验，记录相差图，图2至图5为常温下的球差图、象散图、畸变图、rayfan图和mtf图。
[0096]
由于环境温度会导致镜片的温度变低或变高，因此，再将本实施例的红外定焦镜头在高温85℃环境下进行试验，记录像差图，图7至图11为高温85℃时广角端的球差图、象散图、畸变图、rayfan图和mtf图。
[0097]
由表3及图2至图11可看出，本实施例的红外定焦镜头在
‑
40℃～85℃温差范围内各种像差均得到良好的校正，且相较现有红外定焦镜头成本更低，适用于大角度红外热成像设备，且具有优良发展前景。
[0098]
实施例二：
[0099]
本实施例与实施例一的区别在于，第一透镜l1、第二透镜l2、第三透镜l3均为锗球面透镜，第四透镜l4为硫系衍射面透镜，l4r1面为非球面，l4r2面为衍射面，即第四透镜l4的物面为非球面，第四透镜l4的像面为衍射面。
[0100]
本实施例采用的基本透镜数据如表4所示：
[0101]
表4：
[0102]
面编号曲率半径r面间隔d材料第一透镜l1物面8.100.74锗玻璃第一透镜l1像面3.505.00 第二透镜l2物面10.901.10锗玻璃第二透镜l2像面27.752.92 第三透镜l3物面
‑
5.340.75锗玻璃第三透镜l3像面
‑
8.53
‑
0.10 光澜k面无限大0.36 第四透镜l4物面11.502.15硫系玻璃
第四透镜l4像面
‑
9.464.00 硅窗无限大0.60硅玻璃探测器像面无限大5.20 [0103]
非球面镜片系数具体参数如表5所示：
[0104]
表5：
[0105] 第四透镜l4物面第四透镜l4像面k
‑
9.9
‑
0.95b
‑
0.000640.00034c
‑
0.0000052
‑
0.000014d0.00000024
‑
0.0000044e
‑
0.000000580.0000000071f0.000000040.000000035g0.00000000360.0000000016h
‑
0.00000000059
‑
0.00000000047
[0106]
光学系统参数如表6所示：
[0107]
表6：
[0108]
ffno.2ωttl1.541.1161.3
°
17.8
[0109]
将本实施例的红外定焦镜头在常温下进行试验，记录的相差图。图12
‑
图16为常温下的球差图、象散图、畸变图、rayfan图和mtf图。
[0110]
由于环境温度会导致镜片的温度变低或变高，再将本实施例的红外定焦镜头在高温85℃环境下进行试验，记录像差图。图17
‑
图21为高温85℃时广角端的球差图、象散图、畸变图、rayfan图和mtf图。
[0111]
由表6和附图12
‑
21可看出，本实施例的红外定焦镜头的各种像差均得到良好的校正，可适用于红外热成像设备。
[0112]
应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处描述和附图中示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
[0113]
因此，对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。
[0114]
需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。