一种测量用大视场光阑前置短波红外镜头

1.本发明涉及一种短波红外镜头，具体涉及一种测量用大视场光阑前置短波红外镜头。

背景技术：

2.短波红外波段的光在能见度较低的雾、雨、尘等条件下具有较高的透过率，且当物体燃烧温度较高(如森林火灾时树木燃烧)时，其在短波红外波段处的辐射能量则较强，因此采用短波红外成像对着火点进行探测及测量可大幅度提高探测距离，增强森林火灾中着火点的探测能力。
3.在对着火点进行大范围搜索时，往往需要短波红外设备具有大视场的特点，当短波红外设备内嵌于无人机内部，且需实现向斜下方前视搜索时，普通的短波红外镜头由于所需视场角大、斜视角度大，将导致镜头前端所需的保护窗尺寸要求非常大，使保护窗难以满足其使用需求。因此，研制一款斜视测量用，在满足大视场的同时，可极大缩小保护窗尺寸的短波红外镜头变得非常必要。

技术实现要素：

4.本发明目的在于解决现有红外镜头由于所需视场角大、斜视角度大，从而导致的镜头前端的保护窗尺寸要求过大，使保护窗难以满足使用需求的技术问题，而提出一种测量用大视场光阑前置短波红外镜头。
5.本发明技术方案为：
6.一种测量用大视场光阑前置短波红外镜头，其特殊之处在于：包括镜筒和设置在镜筒内的光学系统；
7.所述光学系统沿光传输方向依次设置保护窗、反射镜、光阑、透镜组件和滤光片；
8.所述透镜组件中各个透镜沿光传输方向依次为正光焦度的第一透镜、负光焦度的第二透镜、负光焦度的第三胶合透镜、正光焦度的第四透镜、正光焦度的第五透镜和负光焦度的第六胶合透镜；
9.所述透镜组件中各个透镜的焦距值满足：
10.1.4＜f1/f＜1.7
[0011]-1.1＜f2/f＜-0.9
[0012]-11＜f3/f＜_10
[0013]
2.5＜f4/f＜3.5
[0014]
1.5＜f5/f＜2.5
[0015]-19＜f6/f＜-17
[0016]
其中，f1为第一透镜的焦距值，f2为第二透镜的焦距值，f3为第三胶合透镜的焦距值，f4为第四透镜的焦距值，f5为第五透镜的焦距值，f6为第六胶合透镜的焦距值，f为透镜组件的总焦距值。
[0017]
进一步地，定义，光传输进透镜组件一侧为物方，光传输出滤光片一侧为像方；
[0018]
所述第三胶合透镜包括第一子透镜和第二子透镜，第一子透镜为正光焦度的透镜，第一子透镜像方一侧为第一凸弧面；第二子透镜为负光焦度的透镜，第二子透镜物方一侧为第一凹弧面，第一凸弧面与第一凹弧面匹配并胶合；第一子透镜和第二子透镜的焦距满足：
[0019]-0.2＜f
31
/f3＜-0.1
[0020]
0.1＜f
32
/f3＜0.3
[0021]
其中，f
31
为第一子透镜的焦距值，f
32
为第二子透镜的焦距值；
[0022]
所述第六胶合透镜包括第三子透镜和第四子透镜，第三子透镜为正光焦度的透镜，第三子透镜像方一侧为第二凸弧面；第四子透镜为负光焦度的透镜，第四子透镜物方一侧为第二凹弧面，第二凸弧面与第二凹弧面匹配并胶合；第三子透镜和第四子透镜的焦距满足：
[0023]-0.3＜f
61
/f6＜-0.1
[0024]
0.02＜f
62
/f6＜0.15
[0025]
其中，f
61
为第三子透镜的焦距值，f
62
为第四子透镜的焦距值。
[0026]
进一步地，所述第一透镜、第二透镜、第二子透镜和第四子透镜的材料为重火石玻璃，第一子透镜的材料为重磷冕玻璃，第四透镜的材料为镧冕玻璃，第五透镜和第三子透镜的材料为重镧火石玻璃。
[0027]
进一步地，所述光阑为孔径光阑，设置在第一透镜和反射镜之间，孔径光阑至第一透镜轴向距离为0mm～20mm，孔径光阑至反射镜的轴向距离为5mm～15mm，用于限制入射光能量；
[0028]
所述孔径光阑的孔径范围为2.5mm～4mm。
[0029]
进一步地，所述第一透镜为正光焦度弯向物方的弯月透镜，第二透镜为负光焦度弯向物方的弯月透镜；
[0030]
所述第三胶合透镜为负光焦度胶合面弯向物方的透镜，其中，第一子透镜为正光焦度的平凸透镜，第二子透镜为负光焦度弯向物方的弯月透镜；
[0031]
所述第四透镜为正光焦度弯向物方的弯月透镜，第五透镜为正光焦度的双凸透镜；
[0032]
所述第六胶合透镜为负光焦度胶合面弯向物方的透镜，其中，第三子透镜为正光焦度双凸透镜，第四子透镜为负光焦度双凹透镜。
[0033]
进一步地，所述第二透镜、第五透镜与第四透镜像方一侧表面均为偶次非球面，偶次非球面用于减少光传输过程中的像差。
[0034]
进一步地，所述第一透镜至第二透镜的轴向距离为0.5mm～2mm，第二透镜至第三胶合透镜轴向距离为0.2mm～1mm，第三胶合透镜至第四透镜轴向距离为0.2mm～1mm，第四透镜至第五透镜轴向距离为0.2mm～1mm，第五透镜至第六胶合透镜轴向距离为0.2mm～1mm，第六胶合透镜至滤光片的轴向间隔为1.5mm～3mm。
[0035]
进一步地，所述第一透镜的中心厚度为1.5mm～2.5mm，第二透镜的中心厚度为1mm～1.5mm，第一子透镜的中心厚度为5mm～7mm，第二子透镜的中心厚度为1mm～2mm，第四透镜的中心厚度为5mm～7mm，第五透镜的中心厚度为5mm～7mm，第三子透镜的中心厚度为
5.5mm～6.5mm，第四子透镜的中心厚度为1mm～2mm。
[0036]
进一步地，所述透镜组件中各个透镜沿光传输方向，相邻透镜的轴向距离依次为1.25mm、0.3mm、0.3mm、0.3mm和0.31mm，第六胶合透镜至滤光片的轴向距离为2.2mm；
[0037]
所述透镜组件中各个透镜及子透镜沿光传输方向，中心厚度依次为2mm、1.2mm、6.06mm、1.2mm、6.86mm、6.26mm、6.28mm和1.2mm。
[0038]
进一步地，所述保护窗是光入射面和光出射面平行的平板玻璃；
[0039]
所述反射镜为平面反射镜，用于改变光线传播方向；
[0040]
所述滤光片透过波段为900nm～1700nm；
[0041]
保护窗至反射镜轴向距离为20mm～50mm，胶合镜至滤光片的轴向距离为1.5mm～3mm，滤光片距像面轴向距离为3mm～6mm；
[0042]
所述保护窗与光轴夹角为20
°
～90
°
，反射镜的法线与光轴夹角为20
°
～70
°
。
[0043]
本发明的有益效果：
[0044]
1、本发明采用光阑前置设计，配合反射镜折转光路，在短波红外成像装置嵌入无人机内部时，缩短与保护窗的距离，实现对目标的斜下方前视成像，同时极大缩减保护窗尺寸。
[0045]
2、本发明短波红外镜头的视场角大，空间分辨率达到100lp/mm，具有大视场、大相对孔径、高分辨率的特点。
[0046]
3、本发明透镜组件的各个透镜玻璃材料结合透镜焦距值的比例关系，在-40℃～60℃温度下实现被动无热化设计，环境温度发生变化时，镜头像质不发生变化，提高了不同使用场景下镜头的稳定性。
[0047]
4、本发明透镜组件中的第二透镜、第四透镜与第五透镜像方一侧表面均为偶次非球面，以减少光传输过程中的像差。
附图说明
[0048]
图1为本发明测量用大视场光阑前置短波红外镜头实施例的光路示意图；
[0049]
图2为本发明测量用大视场光阑前置短波红外镜头实施例在温度20℃，空间频率100lp/mm内的mtf曲线图；
[0050]
图3为本发明测量用大视场光阑前置短波红外镜头实施例在温度60℃，空间频率100lp/mm内的mtf曲线图；
[0051]
图4为本发明测量用大视场光阑前置短波红外镜头实施例在温度-40℃，空间频率100lp/mm内的mtf曲线图。
[0052]
附图标记如下：
[0053]
1-第一透镜，2-第二透镜，3-第三胶合透镜，31-第一子透镜，32-第二子透镜，4-第四透镜，5-第五透镜，6-第六胶合透镜，61-第三子透镜，62-第四子透镜，7-滤光片，8-光阑，9-反射镜，10-保护窗。
具体实施方式
[0054]
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的
情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
[0055]
此处所称的“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。此外，本发明使用的术语“第一、第二、第三或第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0056]
本实施例中，定义：光传输入透镜组件一侧为物方，光传输出滤光片7一侧为像方；轴向距离为沿透镜组件光轴方向上的距离。
[0057]
参见图1，本实施例提供一种测量用大视场光阑前置短波红外镜头，该镜头包括镜筒和设置在镜筒内的光学系统；该测量用大视场光阑前置短波红外镜头焦距为8.7mm，相对孔径为1/2.8，视场角为48
°
，可匹配1280
×
1024面阵、像元尺寸5μm的短波红外成像芯片构成的红外探测器，畸变为4.8％，工作波段为900nm～1700nm，可内嵌于无人机体内部实现对目标的斜下方前视成像。
[0058]
光学系统沿光传输方向依次设置保护窗10、反射镜9、光阑8、透镜组件和滤光片7，像面与1280
×
1024面阵、像元尺寸5μm短波红外探测器匹配，红外探测器的成像面位于透镜组件的像面上；保护窗10是光入射面和光出射面平行的平板玻璃，保护窗10与光轴夹角为27.5
°
；反射镜9为平面反射镜，用于改变光线传播方向，反射镜9的法线与光轴夹角为40
°
；滤光片7透过波段为900nm～1700nm；保护窗10的中心厚度为10mm，反射镜9的中心厚度为2mm，滤光片的中心厚度为1mm；保护窗10至反射镜9轴向距离为30mm，胶合镜6至滤光片7的轴向距离为2.2mm，滤光片7距像面轴向距离为4mm。
[0059]
光阑8为孔径光阑，设置在第一透镜1和反射镜9之间，孔径光阑至第一透镜1轴向距离为0mm～20mm，优选的，孔径光阑至第一透镜1轴向距离为0mm～10mm；本实施例中孔径光阑至第一透镜1轴向距离为3.8mm；孔径光阑至反射镜9的轴向距离为8mm，用于限制入射光能量，将孔径光阑设置在第一透镜1之前，缩短与保护窗的距离，从而减小保护窗10尺寸；孔径光阑的孔径为3.1mm。
[0060]
透镜组件中各个透镜沿光传输方向依次为正光焦度的第一透镜1、负光焦度的第二透镜2、负光焦度的第三胶合透镜3、正光焦度的第四透镜4、正光焦度的第五透镜5和负光焦度的第六胶合透镜6；其中，第三胶合透镜3包括第一子透镜31和第二子透镜32，第一子透镜31为正光焦度的透镜，第一子透镜31像方一侧为第一凸弧面；第二子透镜32为负光焦度的透镜，第二子透镜32物方一侧为第一凹弧面，第一凸弧面与第一凹弧面匹配并胶合；第六胶合透镜6包括第三子透镜61和第四子透镜62，第三子透镜61为正光焦度的透镜，第三子透镜61像方一侧为第二凸弧面；第四子透镜62为负光焦度的透镜，第四子透镜62物方一侧为第二凹弧面，第二凸弧面与第二凹弧面匹配并胶合。
[0061]
第一透镜1至第二透镜2的轴向距离为1.25mm，第二透镜2至第三胶合透镜3轴向距离为0.3mm，第三胶合透镜3至第四透镜4轴向距离为0.3mm，第四透镜4至第五透镜5轴向距离为0.3mm，第五透镜5至第六胶合透镜6轴向距离为0.31mm，第六胶合透镜6至滤光片7的轴向间隔为2.2mm。
[0062]
第一透镜1的中心厚度为2mm，第二透镜2的中心厚度为1.2mm，第一子透镜31的中心厚度为6.06mm，第二子透镜32的中心厚度为1.2mm，第四透镜4的中心厚度为6.86mm，第五透镜5的中心厚度为6.26mm，第三子透镜61的中心厚度为6.28mm，第四子透镜62的中心厚度为1.2mm。
[0063]
透镜组件中各个透镜的焦距值满足：
[0064]
1.4＜f1/f＜1.7
[0065]-1.1＜f2/f＜-0.9
[0066]-11＜f3/f＜_10
[0067]
2.5＜f4/f＜3.5
[0068]
1.5＜f5/f＜2.5
[0069]-19＜f6/f＜_17
[0070]-0.2＜f
31
/f3＜-0.1
[0071]
0.1＜f
32
/f3＜0.3
[0072]-0.3＜f
61
/f6＜-0.1
[0073]
0.02＜f
62
/f6＜0.15
[0074]
其中，f1为第一透镜1的焦距值，f2为第二透镜2的焦距值，f3为第三胶合透镜3的焦距值，f4为第四透镜4的焦距值，f5为第五透镜5的焦距值，f6为第六胶合透镜6的焦距值，f
31
为第一子透镜31的焦距值，f
32
为第二子透镜32的焦距值，f
61
为第三子透镜61的焦距值，f
62
为第四子透镜62的焦距值，f为透镜组件的总焦距值。
[0075]
第一透镜1、第二透镜2、第二子透镜32和第四子透镜62的材料为重火石玻璃，第一子透镜31的材料为重磷冕玻璃，第四透镜4的材料为镧冕玻璃，第五透镜5和第三子透镜61的材料为重镧火石玻璃。
[0076]
具体的，第一透镜1为正光焦度弯向物方的弯月透镜，其材料为hzf88；第二透镜2为负光焦度弯向物方的弯月透镜，其材料为hzf88；第三胶合透镜3为负光焦度胶合面弯向物方的透镜，其中第一子透镜31为正光焦度的平凸透镜，，其材料为hzpk1a，第二子透镜32为负光焦度弯向物方的弯月透镜，其材料为hzf88；第四透镜4为正光焦度弯向物方的弯月透镜，其材料为hlak53a；第五透镜45为正光焦度双凸透镜，其材料为hzlaf4la；第六胶合透镜6为负光焦度胶合面弯向物方的透镜，其中第三子透镜61为正光焦度的双凸透镜，其材料为hzlaf4la，第四子透镜62为负光焦度的双凹透镜，其材料为hzf88。
[0077]
通过各个透镜玻璃材料的选择，与各个透镜焦距值满足的比例关系，实现短波红外镜头在环境温度-40℃～60℃内实现了被动无热化设计，环境温度发生变化时，镜头像质不发生变化。
[0078]
第二透镜2、第五透镜5及第四透镜4像方一侧表面均为偶次非球面，偶次非球面用于减少光传输过程中的像差，具体的非球面系数如表1所示：
[0079]
表1
[0080]
序号4阶6阶8阶10阶第二透镜3.029891e-4-3.304940e-61.184017e-7-4.064758e-9第四透镜8.635149e-5-6.694195e-72.493673e-9-5.887025e-12第五透镜6.875643e-5-7.856077e-83.528089e-10-8.990734e-13
[0081]
将本实施例设计的测量用大视场光阑前置短波红外镜头分别在20℃、60℃、-40℃条件下，在空间频率100lp/mm内，采用调制传递函数法进行分析，参见图2-图4为获得对应温度下的mtf传递函数曲线图，根据图中所示，在20℃、60℃、-40℃下，各视场角的传递函数均接近衍射极限，像质良好，在环境温度-40℃～60℃内实现了被动无热化设计。
[0082]
以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴。

技术特征：

1.一种测量用大视场光阑前置短波红外镜头，其特征在于：包括镜筒和设置在镜筒内的光学系统；所述光学系统沿光传输方向依次设置保护窗(10)、反射镜(9)、光阑(8)、透镜组件和滤光片(7)；所述透镜组件中各个透镜沿光传输方向依次为正光焦度的第一透镜(1)、负光焦度的第二透镜(2)、负光焦度的第三胶合透镜(3)、正光焦度的第四透镜(4)、正光焦度的第五透镜(5)和负光焦度的第六胶合透镜(6)；所述透镜组件中各个透镜的焦距值满足：1.4<f1/f<1.7-1.1<f2/f<-0.9-11<f3/f<-102.5<f4/f<3.51.5<f5/f<2.5-19<f6/f<-17其中，f1为第一透镜(1)的焦距值，f2为第二透镜(2)的焦距值，f3为第三胶合透镜(3)的焦距值，f4为第四透镜(4)的焦距值，f5为第五透镜(5)的焦距值，f6为第六胶合透镜(6)的焦距值，f为透镜组件的总焦距值。2.根据权利要求1所述的测量用大视场光阑前置短波红外镜头，其特征在于：定义，光传输进透镜组件一侧为物方，光传输出滤光片(7)一侧为像方；所述第三胶合透镜(3)包括第一子透镜(31)和第二子透镜(32)，第一子透镜(31)为正光焦度的透镜，第一子透镜(31)像方一侧为第一凸弧面；第二子透镜(32)为负光焦度的透镜，第二子透镜(32)物方一侧为第一凹弧面，第一凸弧面与第一凹弧面匹配并胶合；第一子透镜(31)和第二子透镜(32)的焦距满足：-0.2<f
31
/f3<-0.10.1<f
32
/f3<0.3其中，f
31
为第一子透镜(31)的焦距值，f
32
为第二子透镜(32)的焦距值；所述第六胶合透镜(6)包括第三子透镜(61)和第四子透镜(62)，第三子透镜(61)为正光焦度的透镜，第三子透镜(61)像方一侧为第二凸弧面；第四子透镜(62)为负光焦度的透镜，第四子透镜(62)物方一侧为第二凹弧面，第二凸弧面与第二凹弧面匹配并胶合；第三子透镜(61)和第四子透镜(62)的焦距满足：-0.3<f
61
/f6<-0.10.02<f
62
/f6<0.15其中，f
61
为第三子透镜(61)的焦距值，f
62
为第四子透镜(62)的焦距值。3.根据权利要求2所述的测量用大视场光阑前置短波红外镜头，其特征在于：所述第一透镜(1)、第二透镜(2)、第二子透镜(32)和第四子透镜(62)的材料为重火石玻璃，第一子透镜(31)的材料为重磷冕玻璃，第四透镜(4)的材料为镧冕玻璃，第五透镜(5)和第三子透镜(61)的材料为重镧火石玻璃。4.根据权利要求3所述的测量用大视场光阑前置短波红外镜头，其特征在于：所述光阑(8)为孔径光阑，设置在第一透镜(1)和反射镜(9)之间，孔径光阑至第一透镜
(1)轴向距离为0mm～20mm，孔径光阑至反射镜(9)的轴向距离为5mm～15mm，用于限制入射光能量；所述孔径光阑的孔径范围为2.5mm～4mm。5.根据权利要求1-4任一所述的测量用大视场光阑前置短波红外镜头，其特征在于：所述第一透镜(1)为正光焦度弯向物方的弯月透镜，第二透镜(2)为负光焦度弯向物方的弯月透镜；所述第三胶合透镜(3)为负光焦度胶合面弯向物方的透镜，其中，第一子透镜(31)为正光焦度的平凸透镜，第二子透镜(32)为负光焦度弯向物方的弯月透镜；所述第四透镜(4)为正光焦度弯向物方的弯月透镜，第五透镜(5)为正光焦度的双凸透镜；所述第六胶合透镜(6)为负光焦度胶合面弯向物方的透镜，其中，第三子透镜(61)为正光焦度双凸透镜，第四子透镜(62)为负光焦度双凹透镜。6.根据权利要求5所述的测量用大视场光阑前置短波红外镜头，其特征在于：所述第二透镜(2)、第五透镜(5)与第四透镜(4)像方一侧表面均为偶次非球面，偶次非球面用于减少光传输过程中的像差。7.根据权利要求6所述的测量用大视场光阑前置短波红外镜头，其特征在于：所述第一透镜(1)至第二透镜(2)的轴向距离为0.5mm～2mm，第二透镜(2)至第三胶合透镜(3)轴向距离为0.2mm～1mm，第三胶合透镜(3)至第四透镜(4)轴向距离为0.2mm～1mm，第四透镜(4)至第五透镜(5)轴向距离为0.2mm～1mm，第五透镜(5)至第六胶合透镜(6)轴向距离为0.2mm～1mm，第六胶合透镜(6)至滤光片(7)的轴向间隔为1.5mm～3mm。8.根据权利要求7所述的测量用大视场光阑前置短波红外镜头，其特征在于：所述第一透镜(1)的中心厚度为1.5mm～2.5mm，第二透镜(2)的中心厚度为1mm～1.5mm，第一子透镜(31)的中心厚度为5mm～7mm，第二子透镜(32)的中心厚度为1mm～2mm，第四透镜(4)的中心厚度为5mm～7mm，第五透镜(5)的中心厚度为5mm～7mm，第三子透镜(61)的中心厚度为5.5mm～6.5mm，第四子透镜(62)的中心厚度为1mm～2mm。9.根据权利要求8所述的测量用大视场光阑前置短波红外镜头，其特征在于：所述透镜组件中各个透镜沿光传输方向，相邻透镜的轴向距离依次为1.25mm、0.3mm、0.3mm、0.3mm和0.31mm，第六胶合透镜(6)至滤光片(7)的轴向距离为2.2mm；所述透镜组件中各个透镜及子透镜沿光传输方向，中心厚度依次为2mm、1.2mm、6.06mm、1.2mm、6.86mm、6.26mm、6.28mm和1.2mm。10.根据权利要求9所述的测量用大视场光阑前置短波红外镜头，其特征在于：所述保护窗(10)是光入射面和光出射面平行的平板玻璃；所述反射镜(9)为平面反射镜，用于改变光线传播方向；所述滤光片(7)透过波段为900nm～1700nm；保护窗(10)至反射镜(9)轴向距离为20mm～50mm，胶合镜(6)至滤光片(7)的轴向距离为1.5mm～3mm，滤光片(7)距像面轴向距离为3mm～6mm；所述保护窗(10)与光轴夹角为20
°
～90
°
，反射镜(9)的法线与光轴夹角为20
°
～70
°
。

技术总结

本发明涉及一种测量用大视场光阑前置短波红外镜头，以解决现有红外镜头视场角大、斜视角度大，从而导致的镜头前端的保护窗过大无法满足使用需求的技术问题。该红外镜头包括镜筒、设置在镜筒内的光学系统；光学系统沿光传输方向依次设置保护窗、反射镜、光阑、透镜组件和滤光片；透镜组件沿光传输方向依次为正光焦度的第一透镜、负光焦度的第二透镜、负光焦度的第三胶合透镜、正光焦度的第四透镜、正光焦度的第五透镜和负光焦度的第六胶合透镜。度的第五透镜和负光焦度的第六胶合透镜。度的第五透镜和负光焦度的第六胶合透镜。