一種大口徑消熱差長波紅外鏡頭的制作方法

本發明涉及一種大口徑消熱差長波紅外鏡頭，尤其是一種在寬溫度范圍內具有光學被動消熱差性能可廣泛適用于車載夜視和安防監控領域的長波紅外鏡頭。
背景技術：
：長波非制冷型熱像儀由于具有結構緊湊、功耗小、成本低等優點，廣泛應用于車載、安防等領域。但是由于非制冷型熱像儀的熱敏感度低，要求紅外鏡頭具有口徑大，透過率高的特點。然而紅外晶體材料的吸收率和反射率都高于普通玻璃材料，因此隨著透鏡數的增加，長波紅外系統的透過率會大幅度降低，影響成像質量。在現有公開技術中，一般長波紅外鏡頭采用3片到5片透鏡方案，如文獻1(cn103852863a)和文獻2(cn103809271b)所公開的紅外光學鏡頭中，由于分別采用3片和5片紅外晶體材料所構成，因而不利于獲得明亮的圖像。另一方面，長波紅外鏡頭由于用途特殊，需要經受非常大的環境溫度變化。當環境溫度從-40℃到+60℃變化中，由于光學、機械材料的熱脹冷縮以及光學材料的溫度折射系數變化使透鏡屈光力發生變化，產生離焦，使成像質量劣化。例如文獻3(cn104459949a)中雖然采用2片透鏡設計了大口徑長波紅外鏡頭，但是由于沒有考慮到溫度變化所造成的像質劣化，因此不適用于寬溫度范圍的環境使用。因此需要一種長波紅外鏡頭，在設計時采用消熱差技術使其在寬溫度范圍內工作時不發生像面漂移，保證良好的成像質量。技術實現要素：本發明中，為了解決上述長波紅外鏡頭中存在的問題點，其目的在于提供一種大口徑長波紅外鏡頭，既滿足透鏡數少，透過率高，又能在寬溫度范圍內實現系統被動消熱差特性滿足成像質量要求。為了解決上述課題且達到目的，本發明的大口徑消熱差長波紅外鏡頭，從物體側起順次配置如下光學元件：第一透鏡組、第二透鏡組，所述第一透鏡組為凸面朝向物方側的具有負屈光力的彎月形透鏡，所述第二透鏡組為凸面朝向像方側的具有正屈光力的彎月形透鏡，所述鏡頭滿足下述條件式1×10-5<dn1/dt-dn2/dt<1×10-4(1)其中，dn1/dt為所述第一透鏡材料的折射率溫度系數，dn2/dt為所述第二透鏡材料的折射率溫度系數。條件式(1)是用于使整個鏡頭在溫度變化時，第一透鏡和第二透鏡的屈光力在一定范圍內變化。當小于條件(1)的下限時，第一透鏡和第二透鏡屈光力的變化差值過小，不利于校正由機械間隔變化而引起的像面偏移。當大于條件式(1)的上限時，則會造成第一透鏡和第二透鏡的屈光力變化過大，產生球差和慧差造成整個系統的成像性能低下。優選地，所述第一透鏡組滿足下述條件式-50<α1-dn1/dt/(n1-1)<5(2)其中，α1為所述第一透鏡材料的熱膨脹系數，n1為所述第一透鏡材料的折射率。條件式(2)是用于使第一透鏡組在溫度變化時，像面在一定范圍內移動。當小于條件式(2)的下限時，像面位置的前移量太大，造成整個系統的成像性能低下。當大于條件式(2)的上限時，像面位置后移無法補償機械結構所引起的像面移動，造成整個系統的成像性能低下。優選地，本發明的大口徑消熱差長波紅外鏡頭滿足第一透鏡組和第二透鏡組采用硫系玻璃材料。硫系玻璃的折射率溫度系數遠遠小于鍺等紅外材料，因此利用硫系玻璃能夠有效抑制由溫差變化所引起的像面移動。優選地，所述第一透鏡組的焦距和光學系統的焦距滿足下述條件式-4<f1/f<-1(3)其中，f1為所述第一透鏡組的焦距，f為整個光學系統的焦距。條件式(3)是用于使整個鏡頭的尺寸小型化的條件。當小于條件式(3)的下限時，由于第一透鏡組的屈光力過小，造成整個系統尺寸過大。當大于條件式(3)的上限時，由于第一透鏡組的屈光力過大，產生的球差難以校正，造成整個系統的成像性能低下。優選地，所述第一透鏡組靠近像側面和所述第二透鏡組靠近物側面含有衍射面結構。衍射面結構不僅能夠校正色差和二級光譜，也能夠減輕溫度所引起的焦點變化，因為在透鏡面上設置衍射面結構能夠更好地獲得畫質良好的長波紅外圖像。根據本發明所起到的效果是：提供一種大口徑消熱差長波紅外鏡頭，在寬溫度范圍內能夠無需調焦滿足高質量成像，具有鏡片數量少，結構簡單，透過率高的優點。另一方面，硫系玻璃在大批量生產中可以采用精密模壓，非球面和衍射面結構的加工難度大為降低，可以減輕鏡頭加工成本，具有廣泛的應用前景。附圖說明圖1是本發明實施例1的沿光軸的剖面圖。圖2是本發明實施例1的諸像差圖。圖3是本發明實施例1在20℃的光學傳遞函數曲線圖。圖4是本發明實施例1在-40℃的光學傳遞函數曲線圖。圖5是本發明實施例1在60℃的光學傳遞函數曲線圖。圖6是本發明實施例2的沿光軸的剖面圖。圖7是本發明實施例2的諸像差圖。圖8是本發明實施例2在20℃的光學傳遞函數曲線圖。圖9是本發明實施例2在-40℃的光學傳遞函數曲線圖。圖10是本發明實施例2在60℃的光學傳遞函數曲線圖。圖11是本發明實施例3的沿光軸的剖面圖。圖12是本發明實施例3的諸像差圖。圖13是本發明實施例3在20℃的光學傳遞函數曲線圖。圖14是本發明實施例3在-40℃的光學傳遞函數曲線圖。圖15是本發明實施例3在60℃的光學傳遞函數曲線圖。圖16是本發明實施例4的沿光軸的剖面圖。圖17是本發明實施例4的諸像差圖。圖18是本發明實施例4在20℃的光學傳遞函數曲線圖。圖19是本發明實施例4在-40℃的光學傳遞函數曲線圖。圖20是本發明實施例4在60℃的光學傳遞函數曲線圖。符號說明：g11g21g31g41第一透鏡組；g12g22g32g42第二透鏡組；img成像面；st孔徑光闌。具體實施方式以下，基于附圖詳細說明本發明的大口徑消熱差長波紅外鏡頭的實施例。在透鏡數據中，折射率及焦距為在波長10μm下的值。其中，光學鏡頭相關數值中，長度的單位為mm時，將省略示出其單位。實施例1圖1所示為本發明實施例1沿光軸的剖面圖。該鏡頭從物體側順次配置有具有負屈光力的第一透鏡g11、位于第一透鏡像側的孔徑光闌st，具有正屈光力的第二透鏡g12，以及成像面img。表1列出了本發明實施例1的具體透鏡數據。表1所示的透鏡數據如下：在各透鏡的每個面編號(si)均列出各透鏡的類型、曲率半徑(ri)、面間隔(di)，折射率，有效半徑。另外，若透鏡面為非球面時，在面型一欄內填入“asp”,若透鏡面為衍射結構面時，在面型一欄內填入“doe”。此外，這些事項在表4，表7，表10中也同樣。以下，示出關于實施例1的長波紅外鏡頭的各種數值數據。表1光學系統的基本數據面編號類型曲率半徑間隔材料折射率有效半徑1asp42.8502.82.496515.7842asp，doe17.4193.2854.3213stinf6.554.9654asp，doe-60.288062.6088711.7115asp-14.257510.8466inf11.3657.9327img4.5對于表1中所示的非球面，表2示出具體非球面數據。非球面形狀的表達式用下面的方程式表示，其中，垂直于光軸的高度為h，以透鏡面頂部為原點時高度h在光軸方向的矢位量為x(h)，面頂部曲率半徑為r，圓錐系數為k，a,b,c,d,e為高次非球面系數。此外，這些事項在表5，表8，表11中也同樣。表2非球面數據面編號kbcde1+0.0+5.8075e-04-1.3271e-06-3.2958e-08+8.5009e-102+11.437+7.3476e-04+1.3398e-05-3.7443e-07+6.0696e-094+0.0-4.9123e-05-1.6440e-09+8.7797e-10-2.3638e-125-1.370-4.3098e-05-9.7202e-08-5.6039e-11-4.2441e-13對于表1中所示的衍射面，表3示出具體衍射面數據。衍射面結構是，根據光程差函數φ(h)的分布，每當光程差為設計波長λ的2π整數倍時，在基板面形成剖面為鋸齒狀的環形光闌面。因此，將衍射面的形狀通過下述光程差函數φ(h)和相對于附加衍射光學元見面的基準面的切削量(dz)的方程式來定義。其中，c1～c5為衍射面系數，n為基板的折射率。對于表1所示的衍射結構面，表3列出其衍射系數。此外，這些事項在表6，表9、表12頁同樣。表3衍射面數據面編號c1c2c3c4c52+0.0007+6.76589e-05-1.26945e-05+9.47837e-07-2.24955e-084-0.0009+1.20955e-06-1.19007e-08+1.50644e-10-5.29248e-13實施例2圖6所示為本發明實施例2沿光軸的剖面圖。該鏡頭從物體側順次配置有具有負屈光力的第一透鏡g21、位于第一透鏡像側的孔徑光闌st，具有正屈光力的第二透鏡g22，以及成像面img。表4列出了本發明實施例2的具體透鏡數據，表5列出非球面系數，表6列出衍射面系數。。以下，示出關于實施例2的長波紅外鏡頭的各種數值數據。表4光學系統的基本數據面編號類型曲率半徑間隔材料折射率有效半徑1asp9.6042.802.7787.4912asp，doe6.9744.7476.3233stinf2.2396.2564asp，doe906.11949.2582.60908.0345asp-19.786510.1406inf10.9577.7477img4.5表5非球面數據面編號kbcde1+1.0000-1.08930e-04-1.64362e-06-3.51570e-08-1.44863e-112-0.5583+3.58933e-04-3.64403e-06-1.47535e-07+1.82643e-094+1.0000-5.22981e-05-2.19173e-07+6.97727e-10-8.83749e-125-0.5817-4.24073e-05-5.48258e-08-2.36760e-10-8.53447e-13表6衍射面數據面編號c1c2c3c4c52+0.0004-1.12662e-05+1.22851e-06-3.68934e-08+3.80916e-104-0.0009+7.47619e-07-1.25142e-07+2.34275e-09-1.47419e-11實施例3圖11所示為本發明實施例3沿光軸的剖面圖。該鏡頭從物體側順次配置有具有負屈光力的第一透鏡g31、位于第一透鏡像側的孔徑光闌st，具有正屈光力的第二透鏡g32，以及成像面img。表7列出了本發明實施例3的具體透鏡數據，表8列出非球面系數，表9列出衍射面系數。。以下，示出關于實施例3的長波紅外鏡頭的各種數值數據。表7光學系統的基本數據面編號類型曲率半徑間隔材料折射率有效半徑1asp9.8742.802.78677.2782asp，doe7.2464.6566.2943stinf2.3446.2084asp，doe-338.38999.1792.7787.5745asp-20.694510.0526inf11.0217.5387img4.5表8非球面數據面編號kbcde1+1.0000-9.51287e-05-1.42803e-06-3.40230e-08+9.16346e-132-0.6279+3.66325e-04-3.26837e-06-1.38851e-07+1.61113e-094+1.0000-5.19241e-05-2.20892e-07+6.99638e-10-8.13926e-125-0.6427-4.21188e-05-4.65496e-08-2.36610e-10-5.26118e-13表9衍射面數據面編號c1c2c3c4c52+0.0004-1.26783e-05+1.29773e-06-3.87636e-08+4.01265e-104-0.0010+1.11002e-06-1.55068e-07+2.86278e-09-1.81231e-11實施例4圖16所示為本發明實施例4沿光軸的剖面圖。該鏡頭從物體側順次配置有具有負屈光力的第一透鏡g41、位于第一透鏡像側的孔徑光闌st，具有正屈光力的第二透鏡g42，以及成像面img。表10列出了本發明實施例4的具體透鏡數據，表11列出非球面系數，表12列出衍射面系數。接著，表13示出了實施例1～4中整個系統的焦距f，上述條件式(1)～(3)的值表10光學系統的基本數據面編號類型曲率半徑間隔材料折射率有效半徑1asp9.6792.802.6037.2782asp，doe6.9414.6256.2943stinf2.7916.2084asp，doe-351.78499.1692.77807.5745asp-19.859510.0526inf10.6157.5387img4.5表11非球面數據面編號kbcde1+1.0000-1.07213e-04-1.60854e-06-3.55677e-08-2.88459e-122-0.5403+3.82537e-04-3.08296e-06-1.41118e-07+1.67223e-094+1.0000-6.12634e-05-2.55777e-07+2.18099e-10+4.86225e-125-0.5297-4.34703e-05-4.96126e-08-2.59862e-10+7.68089e-14表12衍射面數據面編號c1c2c3c4c52+0.0004-9.98934e-06+1.38309e-06-4.69471e-08+5.72929e-104-0.0010+2.63072e-06-1.97163e-07+3.26230e-09-1.82534e-11表13條件式數據實施例1實施例2實施例3實施例4焦距f10.015.3215.2614.21條件式(1)4.74e-051.23e-057.06e-052.70e-05條件式(2)-31.402.67-44.48-22.99條件式(3)-2.04-3.05-3.05-2.82需要注意的是，上述表格中的具體參數僅僅是例示性的，各透鏡的參數不限于由上述各數值實施例所示出的值，可以采用其他的值，都可以達到類似的技術效果。雖然上面描述了本發明的原理以及具體實施方式，但是，在本發明的上述教導下，本領域技術人員可以在上述實施例的基礎上進行各種改進和變形，而這些改進或者變形落在本發明的保護范圍內。本領域技術人員應該明白，上述的具體描述只是為了解釋本發明的目的，并非用于限制本發明。本發明的保護范圍由權利要求及其等同物限定。當前第1頁12