一种车载红外夜视仪镜头

技术领域

本发明属于光学镜头技术领域，具体涉及一种车载红外夜视仪镜头。

背景技术

红外热成像仪由于其探测距离远，能够穿透烟雾沙尘，不受光线影响，白天夜晚均可使用，在电力、建筑、执法、消防、车载等行业应用广泛，尤其是成为汽车夜视系统的发展趋势。

但是当前车载红外热像仪由于价格较高，因此多用于高端车型，影响热像仪的应用范围。现有红外镜头存在如下问题：1)采用锗等昂贵晶体材料，且只能通过车削加工获得非球面或衍射面，镜头成本高，镜片加工效率低，难以批量化生产；2)红外镜头视场角较小，扩大视场角的同时会降低镜头分辨率，图像质量难以保证；3)采用较多片数的镜片方案，体型较大，成本高，且不能够消除宽温度范围内的热差。

发明内容

本发明的目的在于针对上述问题，提出一种车载红外夜视仪镜头，结构小型轻量化、成本低、分辨率高，且具有较好的宽温度适应性，适用范围广。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：

本发明提出的一种车载红外夜视仪镜头，包括沿光线入射方向依次设置的第一正弯月透镜L1和第二正弯月透镜L2，第二正弯月透镜L2的物侧面S3为衍射面，第一正弯月透镜L1的像侧面S2和第二正弯月透镜L2的物侧面S4均为非球面，第一正弯月透镜L1凸向物侧，第二正弯月透镜L2凸向像侧。

优选地，第一正弯月透镜L1和第二正弯月透镜L2均为硫系玻璃材料。

优选地，衍射面的相位分布满足下列表达式：

式中，Φ(r)为衍射面在镜片高度为r位置时的相位，M为衍射级次，r

优选地，非球面满足下列表达式：

式中，Z(r)为非球面沿光轴方向在镜片高度为r的位置时距非球面顶点的距离矢高；c＝1/R，R为镜面的近轴曲率半径；k为圆锥系数；A、B、C、D为高次非球面系数。

优选地，第一正弯月透镜L1和第二正弯月透镜L2之间的空气间隔为2.5mm。

优选地，车载红外夜视仪镜头的光学系统总长为21.5mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：仅使用两片镜片，通过采用“+、+”屈光度的光学结构，合理选择衍射面及非球面位置，达到以下效果：1)宽温度适应性：在-40℃～+85℃工作温度范围内，实现光学无热化；2)结构轻巧、透过率高、成本低廉：仅使用两片镜片，光学系统总长为21.5mm，镜片仅重7.8g，且部分镜片可采用模压方式加工，进一步降低加工成本；3)高分辨率：现有长波红外镜头分辨率一般为30lp/mm以下，该镜头分辨率可达50lp/mm，成像分辨率高，成像质量优良。

附图说明

图1为本发明的光学结构示意图；

图2为本发明的斑点图；

图3为本发明在常温下(20℃)的MTF图；

图4为本发明在低温下(-40℃)的MTF图；

图5为本发明在高温下(+85℃)的MTF图；

图6为本发明的场曲、畸变图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是在于限制本申请。

如图1-6所示，一种车载红外夜视仪镜头，包括沿光线入射方向依次设置的第一正弯月透镜L1和第二正弯月透镜L2，第二正弯月透镜L2的物侧面S3为衍射面，第一正弯月透镜L1的像侧面S2和第二正弯月透镜L2的物侧面S4均为非球面，第一正弯月透镜L1凸向物侧，第二正弯月透镜L2凸向像侧。

其中，如图1所示，本实施例的光线入射方向应理解为从左至右的方向，本实施例的车载红外夜视仪镜头仅使用两片镜片，使镜头的结构外型紧凑轻巧、透过率高、成本低廉，且通过采用“+、+”屈光度的光学结构，合理的选择非球面及衍射面的位置，在-40℃～+85℃工作温度范围内实现光学无热化，具有高分辨率、低畸变的优点，同时采用非球面镜片可以通过高次曲面的校正聚焦，从而克服像差达到清晰成像。

在一实施例中，第一正弯月透镜L1和第二正弯月透镜L2均为硫系玻璃材料。

其中，为使得镜头的结构外型紧凑轻巧、透过率高、成本低廉，且具有优异的抗冲击能力，第一正弯月透镜L1和第二正弯月透镜L2均选用硫系玻璃材料，并改进各镜片形状，如增大受力面积、改进曲面形状或厚度等。需要说明的是，在镜片材料的选择中，还可以采用其他玻璃材质，也可以采用塑料材质，玻璃材质的型号例如S-LAH55、N-SF15、M-LAC130等；塑料材质的型号例如E48R等，不同的镜片材料可满足不同光学系统的需求。

在一实施例中，衍射面的相位分布满足下列表达式：

式中，Φ(r)为衍射面在镜片高度为r位置时的相位，M为衍射级次，r

在一实施例中，非球面满足下列表达式：

式中，Z(r)为非球面沿光轴方向在镜片高度为r的位置时距非球面顶点的距离矢高；c＝1/R，R为镜面的近轴曲率半径；k为圆锥系数；A、B、C、D为高次非球面系数。

在一实施例中，第一正弯月透镜L1和第二正弯月透镜L2之间的空气间隔为2.5mm。

在一实施例中，车载红外夜视仪镜头的光学系统总长为21.5mm。

其中，本申请仅使用两片镜片，且第二正弯月透镜L2可采用模压方式加工，进一步降低加工成本。光学系统总长为21.5mm，镜片仅重7.8g，结构轻巧、透过率高、成本低廉，适用于大批量生产。

结合上述各实施例，得到本申请车载红外夜视仪镜头的优选参数如下表1所示。

表1光学元件参数表

参见图1，表1中L1为第一正弯月透镜，L2为第二正弯月透镜；S1为第一正弯月透镜L1的物侧面，S2为第一正弯月透镜L1的像侧面，S3为第二正弯月透镜L2的物侧面，S4为第二正弯月透镜L2的像侧面；R为透镜镜面的近轴曲率半径。

在第一正弯月透镜L1和第二正弯月透镜L2中，L2的S3面为衍射面，L1的S2面和L2的S4面为非球面，各镜面的非球面参数如表2所示。

表2非球面参数

表2中，K为圆锥系数；A、B、C、D为高次非球面系数。

非球面在满足上述参数时，同时满足下列表达式：

式中，Z(r)为非球面沿光轴方向在镜片高度为r的位置时距非球面顶点的距离矢高；c＝1/R，R表示镜面的近轴曲率半径；k为圆锥系数；A、B、C、D为高次非球面系数。

以上提及的衍射面相位分布满足下列表达式：

式中，Φ(r)为衍射面在镜片高度为r的位置时的相位；M为衍射级次；r

其衍射面参数如表3所示：

表3衍射面参数

由上述镜片构成的车载红外夜视仪镜头具有以下光学指标：

(1)焦距：f＝10mm；

(2)视场角范围：35.5°(H)*27.0°(V)；

(3)相对孔径：1:1.0；

(4)分辨率：640(H)*480(V)；

(5)像元大小：10*10um；

(6)工作温度：-40℃～+85℃；

(7)光学镜片重量：7.8g。

以上述车载红外夜视仪镜头为试验对象进行检测，试验步骤采用镜头检测的常规步骤，在此不再进行赘述，检测结果如下所示：

如图2所示，本实施例中斑点均方根(RMS)值不大于10.6um，小于艾里斑大小，满足成像要求。

如图3、4、5所示，本实施例镜头使用时匹配与现有技术中同等的红外探测器时，如640*480 10um非制冷长波红外探测器，分辨率可达50lp/mm，成像分辨率高，成像质量优良，且在特征频率50lp/mm下，常温20℃、低温-40℃、高温85℃的MTF均大于0.25，光学系统可实现光学无热化，MTF接近衍射频率，成像质量优良。

如图6所示，本实施例镜头光学系统全视场畸变小于0.62％，畸变低。

由上述光学指标和试验结果可得，本实施例提供的光学系统，使用了两片镜片，通过采用“+、+”屈光度的光学结构，合理的选择衍射面及非球面位置，使得镜头的结构外型紧凑轻巧、透过率高、成本低廉，且具有高分辨率、低畸变的优点。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请描述较为具体和详细的实施例，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。