一種新型長波紅外定焦鏡頭的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供一種新型長波紅外定焦鏡頭，沿光軸從物方至像方依次設置有三組透鏡，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，所述鏡頭滿足公式：0<FNO*f12*f3*(n1-1)/(f*f*R1)<1以及1*10-5<dn1/dT<5*10-5，f為整個光學系統的焦距；n1為第一透鏡材料的中心波長折射率；FNO為光學系統的F數；f12為第一透鏡和第二透鏡的組合焦距；f3為第三透鏡的焦距；R1為第一透鏡的凸面近似曲率半徑；dn1/dT為第一透鏡材料折射率溫度系數。本實用新型采用三種硫系玻璃材料，結構簡單、性能可靠、可應用于需要在寬溫度范圍內實現消熱差功能的紅外車載輔助和安防監控領域。
【專利說明】一種新型長波紅外定焦鏡頭
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種新型長波紅外定焦鏡頭，尤其是一種具有寬溫度范圍內消熱差性能，可廣泛應用于車載夜視和安防監控領域的長波紅外定焦鏡頭。
【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在軍用和民用領域均得到了廣泛的應用。由于紅外光學材料的折射率溫度系數較大，工作溫度的劇烈變化會對紅外光學系統有嚴重的影響，引起系統焦距變化、像面漂移、成像質量下降等問題。針對這些特殊應用領域的紅外光學系統必須進行消熱差設計，在設計的時候考慮溫度變化對系統成像質量的影響，使得紅外光學系統在一個較大的溫度范圍內均具有良好的成像質量。
[0003]在紅外光學系統的消熱差技術中，光學消熱差由于其結構簡單，性能可靠等特點得到廣泛的應用。但現有光學消熱差鏡頭方案存在以下問題，一是利用多種材料熱特性差異配合實現消熱差，該方案存在使用材料多，鏡頭數量較多，結構相對復雜，成本高等問題；二是采用利用衍射光學元件具有負消熱散的特性實現消熱差，該方案存在由于衍射面的衍射效率而導致光學系統透過率下降明顯的問題。
實用新型內容
[0004]本實用新型為了解決了上述光學消差系統中存在的問題，提供了一種新型長波紅外光學定焦鏡頭，該系統采用三片式結構，利用硫系玻璃具有較低的折射率溫度系數的特性，實現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]一種新型長波紅外光學定焦鏡頭，沿光軸從物方至像方依次設置有第一透鏡L1、第二透鏡L2和第三透鏡L3 ；
[0007]所述的第一透鏡為具有正屈光力并凸面向物側的彎月型透鏡；
[0008]所述的第二透鏡為具有負屈光力的透鏡；
[0009]所述的第三透鏡為具有正屈光力并凸面向像側的透鏡；
[0010]所述新型長波紅外定焦鏡頭滿足下列公式:
[0011]0〈FN0*fl2*f3*(nl-l)/(f*f*Rl)〈l 以及 l*l(T5〈dnl/dT〈5*l(T5
[0012]其中，f為整個光學系統的焦距；nl為第一透鏡材料的中心波長折射率；FN0為光學系統的F數；f 12為第一透鏡和第二透鏡的組合焦距；f3為第三透鏡的焦距；R1第一透鏡的凸面近似曲率半徑；dnl/dT為第一透鏡材料折射率溫度系數。
[0013]進一步地所述第三透鏡滿足下列的表達式:
[0014]l*l(T5〈dn3/dT〈5*l(T5
[0015]其中，n3為第一透鏡材料的中心波長折射率；dn3/dT為第一透鏡材料折射率溫度系數。
[0016]進一步地，所述第一透鏡和第二透鏡組成的組合焦距和光學系統焦距滿足下列的表達式:
[0017]l<fl2/f<7
[0018]其中，fl2為第一透鏡和第二透鏡的組合焦距；f為整個光學系統的焦距。
[0019]進一步地，所述第一透鏡和光學系統焦距滿足下列的表達式:
[0020]0<fl/f<l
[0021]其中，fl為第一透鏡焦距；f為整個光學系統的焦距。
[0022]進一步地，所述第二透鏡和光學系統焦距滿足下列的表達式:
[0023]-l<f2/f<0
[0024]其中，f2為第二透鏡焦距；f為整個光學系統的焦距。
[0025]進一步地，所述第三透鏡和光學系統焦距滿足下列的表達式:
[0026]0<f3/f<l
[0027]其中，f3為第三透鏡焦距；f為整個光學系統的焦距。
[0028]進一步地，所述鏡頭采用三種硫系玻璃材料，每一透鏡采用不同的硫系玻璃材料。
[0029]所述鏡頭的透鏡中均不含有衍射面結構。
[0030]本實用新型與現有技術相比，具有以下優勢和有益效果:
[0031]本實用新型通過采用三片透鏡的方案，無需采用衍射面結構而實現寬溫度范圍內的消熱差功能。較現有的光學消熱差方案具有以下優勢:與多種光學材料配比實現光學消熱差方案相比，本實用新型具有鏡頭鏡片數量少，鏡頭結構簡單的優點；與采用衍射光學元件實現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，具有系統透過率高的優點。本實用新型采用三種硫系玻璃，在材料成本上硫系玻璃具有明顯的優勢，而且硫系玻璃在大批量生產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】
[0032]通過下面結合附圖對其示例性實施例進行的描述，本實用新型上述特征和優點將會變得更加清楚和容易理解。
[0033]圖1是本實用新型所述的新型長波紅外定焦鏡頭的具體實施例的結構示意圖；
[0034]圖2是具體實施例的色差曲線圖(mm)；
[0035]圖3是具體實施例的像散曲線圖(mm)；
[0036]圖4是具體實施例的畸變曲線圖(％)；
[0037]圖5是具體實施例的MTF曲線圖。
【具體實施方式】
[0038]圖1是本實用新型所述的長波紅外定焦鏡頭的結構示意圖。
[0039]如圖1所示，所述長波紅外定焦鏡頭，其沿光軸從物側到像側依次設置有:具有正屈光力的第一透鏡LI,系統光闌St位于第一面上；具有負屈光力的第二透鏡L2 ;具有正屈光力的第三透鏡L3以及成像面100。入射光通過第一透鏡LI，進入第二透鏡L2和第三透鏡L3，最后會聚進入到成像面100之中。
[0040]其中，該紅外光學系統中第一透鏡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L3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。
[0041]從物側至像側，所述第一透鏡LI的兩面為Rl、R2，所述第二透鏡L2的兩面為R3、R4，所述第三透鏡L3的兩面為R5、R6，所述Zl指鏡頭的中心光軸，沿中心光軸上，所述第一透鏡LI的厚度為Dl，與第二透鏡L2的距離為D2，所述第二透鏡L2的厚度為D3，與第三透鏡L3的距離為D4，所述第三透鏡L3的厚度為D5，與與成像面100的距離為D6。
[0042]所述第一透鏡LI，第二透鏡L2，第三透鏡L3的材質均為硫系玻璃，在8?12 μ m具有良好的透過率，透明區域覆蓋三個大氣窗口。硫系玻璃折射率隨溫度變化系數dn/dT較小，在光學系統中采用硫系玻璃加上合理的光焦度分配可以實現良好的消熱差功能。在加工方式上硫系玻璃除了具有可拋光，可車削，最大特性還可以高精密模壓，在批量生產時具有極大的成本優勢。
[0043]本光學系統在設計時，為達到384*28825微米探測器的高分率像質要求，鏡頭光闌放置在第一透鏡LI的第一面上。所述新型長波紅外定焦鏡頭滿足下列公式:
[0044]0〈FN0*fl2*f3* (nl_l) / (f*f*Rl)〈I 以及 l*l(T5〈dnl/dT〈5*l(T5
[0045]其中，f為整個光學系統的焦距；nl為第一透鏡材料的中心波長折射率；FN0為光學系統的F數；f 12為第一透鏡和第二透鏡的組合焦距；f3為第三透鏡的焦距；R1第一透鏡的凸面近似曲率半徑；dnl/dT為第一透鏡材料折射率溫度系數。
[0046]進一步地，所述第三透鏡滿足下列的表達式:
[0047]l*10_5〈dn3/dT〈5*10_5
[0048]其中，n3為第一透鏡材料的中心波長折射率;dn3/dT為第一透鏡材料折射率溫度系數。
[0049]進一步地，所述第一透鏡和第二透鏡組成的組合焦距和光學系統焦距滿足下列的表達式:
[0050]l<fl2/f<7
[0051]其中，fl2為第一透鏡和第二透鏡的組合焦距；f為整個光學系統的焦距。
[0052]進一步地，所述第一透鏡和光學系統焦距滿足下列的表達式:
[0053]0<fl/f<l
[0054]其中，fl為第一透鏡焦距；f為整個光學系統的焦距。
[0055]進一步地，所述第二透鏡和光學系統焦距滿足下列的表達式:
[0056]-l<f2/f<0
[0057]其中，f2為第二透鏡焦距；f為整個光學系統的焦距。
[0058]進一步地，所述第三透鏡和光學系統焦距滿足下列的表達式:
[0059]0<f3/f<l
[0060]其中，f3為第三透鏡焦距；f為整個光學系統的焦距。
[0061]在本實施例中，該光學系統的焦距f=22mm，光圈數FNO=L I。第一透鏡LI的凸面近似曲率半徑Rl=17.04，第一透鏡LI的焦距f 1=13.35mm,第二透鏡L2的焦距為f2=-10.14mm，第三透鏡L3的焦距為f3=16.01mm，第一透鏡和第二透鏡的組合焦距fl2=102.143mm，第一透鏡的折射率 nl=2.7776 ；
[0062]FN0*fl2*f3*(nl_l)/(f*f*Rl)=0.39 ；
[0063]fl2/f=4.64 ；
[0064]fl/f=0.61 ；[0065]f2/f=-0.46 ；
[0066]f3/f=0.73 ；
[0067]dnl/dT=4.1*1(T5 ；
[0068]dn3/dT=3.6*1(T5 ；
[0069]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已將各種像差補正，足以滿足實用要求。
[0070]本實用新型光學系統參數請參見表一、表二。
[0071]表一、光學元件參數表
[0072]
【權利要求】
1.一種新型長波紅外定焦鏡頭，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，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；所述新型長波紅外定焦鏡頭滿足下列公式:
0〈FN0*fl2*f3*(nl-l)/(f*f*Rl)〈l 以及 l*l(T5〈dnl/dT〈5*l(T5 其中，f為整個光學系統的焦距；nl為第一透鏡材料的中心波長折射率；FNO為光學系統的F數；f 12為第一透鏡和第二透鏡的組合焦距；f3為第三透鏡的焦距；R1為第一透鏡的凸面近似曲率半徑；dnl/dT為第一透鏡的材料折射率溫度系數。
2.根據權利要求1所述的新型長波紅外定焦鏡頭，其特征在于:所述第三透鏡滿足下列的表達式:
l*10_5〈dn3/dT〈5*10_5 其中，n3為第一透鏡材料的中心波長折射率；dn3/dT為第一透鏡材料折射率溫度系數。
3.根據權利要求1所述的新型長波紅外定焦鏡頭，其特征在于:所述第一透鏡和第二透鏡組成的組合焦距和光學系統焦距滿足下列的表達式:
l<fl2/f<7 其中，Π2為第一透鏡和第二透鏡的組合焦距；f為整個光學系統的焦距。
4.根據權利要求1所述的新型長波紅外定焦鏡頭，其特征在于:所述第一透鏡的焦距和光學系統焦距滿足下列的表達式:
0<fl/f<l 其中，fl為第一透鏡的焦距為整個光學系統的焦距。
5.根據權利要求1所述的新型長波紅外定焦鏡頭，其特征在于:所述第二透鏡的焦距和光學系統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為整個光學系統的焦距。
6.根據權利要求1所述的新型長波紅外定焦鏡頭，其特征在于:所述第三透鏡的焦距和光學系統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為整個光學系統的焦距。
7.根據權利要求1所述的新型長波紅外定焦鏡頭，其特征在于:所述鏡頭采用三種硫系玻璃材料，每一透鏡米用不同的硫系玻璃材料。
8.根據權利要求1所述的新型長波紅外定焦鏡頭，其特征在于:所述鏡頭的透鏡中均不含有衍射面結構。
【文檔編號】G02B1/00GK203759346SQ201420159672
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年4月2日 優先權日:2014年4月2日
【發明者】任和齊, 朱光春 申請人:寧波舜宇紅外技術有限公司