一种超短焦消热差红外镜头的制作方法

1.本发明属于红外光学技术领域，特别涉及一种超短焦消热差红外镜头。


背景技术：

2.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。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。
3.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。
4.因此在确保无热化的同时，如何实现短焦并保证解像良好是现阶段该领域亟待解决的难题。


技术实现要素：

5.为了解决以上问题，本发明提供一种超短焦消热差红外镜头，具体技术方案如下。
6.一种超短焦消热差红外镜头，包括从物方到像方依次设置的第一透镜和第二透镜，第一透镜为负光焦度透镜，第二透镜为正光焦度透镜；沿光轴从物方到像方，第一透镜的两面依次为第一物侧面和第一像侧面，第二透镜的两面依次为第二物侧面和第二像侧面，第一像侧面和第二物侧面均为二元面，第一物侧面和第二像侧面均为非球面。
7.优选的，第一物侧面和第二像侧面的非球面均满足以下公式，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。
8.优选的，所述第一透镜和所述第二透镜均为irg206材料。
9.优选的，所述第一透镜的第一物侧面s1的拟合曲率半径为-31.637mm，第一像侧面s2的拟合曲率半径为7.638mm，第二透镜的第二物侧面s3的拟合曲率半径为7.736mm，第二像侧面的拟合曲率半径s4为-10.031mm。
10.优选的，所述第一透镜的中心厚度为2mm，第二透镜的中心厚度为4.184mm。
11.优选的，所述第一透镜和第二透镜之间设置有光阑，第一透镜和光阑之间的距离为3.116mm，光阑和第二透镜之间的距离为0.498mm。
12.优选的，所述第一像侧面为二元面，其表达式为
其中，m为衍射级次，衍射级次为1，b1、b2、b3为二元面位相系数，对于第一像侧面，b1=5.62，b2=4.04，b3=1.14，归化半径ρ为1.8。
13.优选的，所述第二物侧面为二元面，其表达式为其中，m为衍射级次，衍射级次为1，b1、b2、b3为二元面位相系数，对于第二物侧面，b1=-22.625，b2=8.921，b3=-2.174，归化半径ρ为3.3。
14.优选的，所述镜头的工作波段为8μm-12μm，f数为1.0，水平视场角为90
°
，竖直视场角为60
°
。
15.本发明的技术方案与现有技术相比具有以下有益效果：本发明提供的红外消热差镜头共采用两个透镜，透镜数量较少，通过合理的光焦度分配，结合非球面以及二元面的设计，使其能够适用于长波红外波段，具有大视场，短焦距视场的覆盖率广，且焦距可以短至1.9mm，mtf在常温下全视场的平均mtf＞0.30@42lp/mm。本发明提供的红外镜头热稳定性强，能够满足-40℃至80℃工作温度的需求，适用于像元数为256
×
192，像元大小为12μm的靶面探测器。
附图说明
16.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。
17.图1为本发明具体实施方式中红外消热差镜头的光路图；图2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spot图；图4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spot图；图6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spot图。
18.图号：1、第一透镜；2、光阑；3、第二透镜；4、硅保护窗口；5探测器像面。
具体实施方式
19.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。
20.如说明书附图1所示，本实施例提供超短焦消热差红外镜头，包括了两个透镜，沿光轴从物侧至像侧，依次包括第一透镜1和第二透镜3。第一透镜1为具有负光焦度、第二透镜3具有正光焦度。
21.其中，两个透镜的参数如表1所示。
22.所述第一透镜的第一物侧面s1的拟合曲率半径为-31.637mm，第一像侧面s2的拟合曲率半径为7.638mm，第二透镜的第二物侧面s3的拟合曲率半径为7.736mm，第二像侧面的拟合曲率半径s4为-10.031mm。所述第一透镜1的中心厚度为2mm，第二透镜3的中心厚度为4.184mm。所述第一透镜1和第二透镜3之间设置有光阑2，第一透镜1和光阑2之间的距离为3.116mm，光阑2和第二透镜3之间的距离为0.498mm。所述第一透镜1和所述第二透镜2均为irg206材料。
23.表1 第一透镜和第二透镜参数作为本发明的较佳实施例，第一物侧面s1和第二像侧面s4均为非球面，且满足以下公式，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，各透镜非球面数据如表2所示。
24.表2 各透镜非球面系数数据其中，第一像侧面s2为二元面，其表达式为，m为衍射级次，衍射级次为1，b1、b2、b3为二元面位相系数，对于第一像侧面，b1=5.62，b2=4.04，b3=1.14，归化半径ρ为1.8。
25.第二物侧面s3为二元面，其表达式为，其中，m为衍射级次，衍射级次为1，b1、b2、b3为二元面位相系数，对于第二物侧面，b1=-22.625，b2=8.921，b3=-2.174，归化半径ρ为3.3。
26.本实施例中镜头通过将两片透镜的材质均设置为硫系玻璃，以及两个透镜的光焦度、非球面以及二元面的合理设计，经实验在-40℃~80℃的温度范围内，均具有较好的成像质量，热稳定性强。
27.图2、图4、图6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3、图5、图7分别为消热差红外镜头在20℃、-40℃、80℃工作环境的spot图。从图2至图7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。因此，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，且热稳定性强。
28.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。
29.工作波段：8μm-12μm；焦距：f
′
=1.9mm；分辨率：256
×
192 12μm；f数：1.0；水平视场角：90
°
，竖直视场角：60
°
；本实施例提供的红外消热差镜头共采用两个透镜，红外消热差镜头共采用两个透镜，透镜数量较少，通过合理的光焦度分配，结合非球面以及二元面的设计，使其能够适用于长波红外波段，具有大视场，短焦距视场的覆盖率广，且焦距可以短至1.9mm，mtf在常温下全视场的平均mtf＞0.30@42lp/mm。本发明提供的红外镜头热稳定性强，能够满足-40℃至80℃工作温度的需求，适用于像元数为256
×
192，像元大小为 12μm的靶面探测器。
30.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。