一种近红外波段消热差光学镜头

摘要

本发明公开了一种近红外波段消热差光学镜头，采用匹兹万结构型式，它的工作波段为0.72μm~1.0μm；工作环境温度范围为-45℃～60℃；其结构为：沿光路入射方向，分别为孔径光阑，第一块、第二块、第三块、第四块和第五块透镜，透镜对应的折射率依次为n1=1.552，n2=1.755，n3=1.618，n4= n5=1.755；其中，第一块透镜与第二块透镜构成第一组双胶合镜组，第三块透镜与第四块透镜构成第二组双胶合镜组；两组双胶合镜组与第五块透镜的光焦度归一化的取值范围依次为0

权利要求

1.一种近红外波段消热差光学镜头，采用匹兹万结构型式，其特征在于：它的工作波段为0.72μm~1.0μm；工作环境温度范围为-45℃～60℃；包括两组双胶合透镜和一组单透镜，它们的光学表面均为球面；其结构为：沿光路入射方向，依次为孔径光阑，第一块透镜，其折射率n1=1.552，第二块透镜，其折射率n2=1.755，第三块透镜，其折射率n3=1.618，第四块透镜和第五块透镜，折射率n4= n5=1.755；其中，第一块透镜与第二块透镜构成第一组双胶合镜组，第三块透镜与第四块透镜构成第二组双胶合镜组；两组双胶合镜组与第五块透镜的光焦度依次为Φ1，Φ2，Φ3，Φ1为0.34，Φ2为1.075，Φ3为-1.35。

说明书

一种近红外波段消热差光学镜头

技术领域

[0001] 本发明涉及一种工作在近红外波段光学镜头，特别涉及一种工作于0.72μm～1.0μm波段消热差光学镜头，它可在-45℃～60℃环境温度范围内清晰成像。

背景技术

[0002] 光学镜头常工作于复杂温变环境中，温度的变化会造成光学材料折射率变化、光机材料形变，最终导致镜头像面发生热离焦，成像质量下降，这种由温度变化导致成像质量的差异称为热差。为在宽温变环境下得到好的成像质量，光学镜头需进行消热差研究与设计。目前，消热差方法主要有机电主动式、机械被动式和光学被动式。其中光学被动消热差方法通过匹配光学与结构材料的热差性能实现镜头消热差，具有重量小、无功耗、可靠性高等特点，成为光学系统消热差的首选方法。

[0003] 在本发明之前，公开号为CN102213821A的中国发明专利公开了一种近红外镜头，该镜头沿光轴从物方到像方依次包括四组镜片，第一镜片为负光焦度的弯月形镜片，凸面朝向物方，采用非球面；第二镜片为正或负光焦度的弯月形镜片，凸面朝向像方；第三镜片为正光焦度的双凸形、平凸形或弯月形镜片，平凸或弯月形时，凸面朝向物方；第四镜片为正光焦度的镜片，采用非球面。该镜头的镜片多为采用非球面加工，难度大，成本高。目前，采用光学被动式消热差方法，提供一种工作于近红外波段且镜片面型为球面镜的光学镜头未见报道。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种温度适应性强，能有效消除温度变化影响、结构简单、成本低廉的工作于可见近红外波段的光学镜头。

[0005] 实现本发明目的的技术方案是提供一种近红外波段消热差光学镜头，采用匹兹万结构型式，它的工作波段为0.72μm～1.0μm；工作环境温度范围为-45℃～60℃；包括两组双胶合透镜和一组单透镜，它们的光学表面均为球面；其结构为：沿光路入射方向，依次为孔径光阑，第一块透镜，其折射率n1=1.552，第二块透镜，其折射率n2=1.755，第三块透镜，其折射率n3=1.618，第四块透镜和第五块透镜，折射率n4= n5=1.755；其中，第一块透镜与第二块透镜构成第一组双胶合镜组，第三块透镜与第四块透镜构成第二组双胶合镜组；两组双胶合镜组与第五块透镜的光焦度依次为Φ1，Φ2，Φ3，归一化的取值范围为0<Φ1<0.5，1<Φ2<1.5，-1.5<Φ3<-1。

[0006] 与现有技术相比，本发明的特点是：采用匹兹万结构型式，通过匹配光学材料折射率的温度变化（dn/dt）、光学与机械材料的热膨胀系数，补偿各因素造成的热离焦量，使光学系统在温度变化范围较大的工作环境中保持好的成像质量；本发明提供的可见光近红外波段消热差光学镜头，其光学表面均为球面，具有结构简单，成像质量高等特点；采用光学消热差方法，在宽温度变化下具有良好成像性能，在军工和民用领域均有广泛应用前景。

附图说明

[0007] 图1为本发明实施例提供的可见光近红外波段消热差光学镜头的结构示意图；

[0008] 图2为本发明实施例提供的光学镜头的畸变曲线图；

[0009] 图3为本范明实施例提供的光学镜头的相对照度曲线；

[0010] 图4为本发明实施例提供的光学镜头在60℃时调制传递函数曲线图；

[0011] 图5为本发明实施例提供的光学镜头在20℃时调制传递函数曲线图；

[0012] 图6为本发明实施例提供的光学镜头在-20℃时调制传递函数曲线图；

[0013] 图7为本发明实施例提供的光学镜头在-45℃时调制传递函数曲线图；

[0014] 图1中： 1、沿光路入射方向的第一块透镜；2、沿光路入射方向的第二块透镜；3、沿光路入射方向的第三块透镜；4、沿光路入射方向的第四块透镜；5、沿光路入射方向的第五块透镜。

具体实施方式

[0015] 下面结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步的阐述。

[0016] 实施例1

[0017] 本实施例通过匹配光学材料折射率的温度变化（dn/dt）、光学与机械材料的热膨胀系数，补偿各因素造成的热离焦量，使光学系统在温度变化范围较大的工作环境中保持好的成像质量。光学消热差设计需满足式（1）～（3）三个方程，分别为光焦度分配方程、消色差方程与消热差方程：

[0018] （1）

[0019] （2）

[0020] （3）

[0021] 其中φi为透镜的光焦度，hi为近轴光线在透镜上的入射高度，φ为总光焦度。式中Ci为第i个透镜的色差系数。式中Ti为第i个透镜的热差系数，αL为镜筒材料的热膨胀系数，L为镜筒结构的总长度。通过求解上述方程，进行光学系统优化设计。

[0022] 本实施例的技术方案是提供一种可见光近红外消热差光学镜头，其设计参数为：工作波段为0.72μm～1.0μm，焦距为52.8mm，全视场角为5°，F数为2。

[0023] 参见附图1，它是本实施例所述的光学镜头的结构示意图。由图1可以看到，由两组双胶合透镜和一组单透镜构成，沿光路入射方向，分别是孔径光阑，第一块透镜1、第二块透镜2、第三块透镜3、第四块透镜4和第五块透镜5；其中第一块透镜1与第二块透镜2构成第一组双胶合镜组，第三块透镜3与第四块透镜4构成第二组双胶合镜组。

[0024] 本实施例提供的可见近红外消热差光学镜头各透镜组件的具体数据及采用的材料如表1所示。

[0025] 表1

[0026]

[0027] 三组折射镜组的光焦度依次为Φ1，Φ2，Φ3，

[0028] 归一化取值为Φ1=0.34，Φ2=1.075，Φ3=-1.35。

[0029] 参见附图2，它是本实施例所述消热差光学镜头的畸变曲线图，图中，横坐标为相对畸变值（单位%），纵坐标为归一化视场，由图2可见，相对畸变小于0.3%，能够保证成像不会失真。

[0030] 参见附图3，它是本实施例所述消热差光学镜头的相对照度曲线，图中横坐标为视场，纵坐标为相对照度值，由图中可见，红外系统的相对照度值大于98.1%。

[0031] 参见附图4～7，它是本实施例所述的光学镜头在环境温度分别为60℃、25℃、-10℃、-45℃条件下可见近红外系统的调制传递函数曲线图。由以上各图可见，在奈奎斯特频率90lp/mm处的MTF值均大于0.58。