一种超紧凑大视场宽光谱无热化锥形镜头光学结构的制作方法

本发明属于光学镜头成像技术领域，尤其涉及一种超紧凑大视场宽光谱无热化锥形镜头光学结构。

背景技术：

目前，在一些飞行器中需配备各类摄像头，用于观察地面和外部环境。由于飞行器内部元器件众多，预留给镜头的空间尺寸极为有限，且对于镜头的外形尺寸有特定的要求，以便集成到飞行器系统结构中。飞行器飞行时速度较快，会存在高过载的情况，有时会达到1000g以上，在此情况下镜片很容易受力碎裂，丧失成像功能，因此需要有抗高过载的光学和机械结构设计。另外在飞行时，处于高低温变化和日夜交替的环境，在地面附近飞行时处于沙尘等环境中，迫切需求一款能适用于上述复杂多变环境的镜头，使得成像清晰稳定。

综上，各方面限制条件较多。例如：1）尺寸较紧凑，整体长度不大于46mm；2）镜片第一面曲率半径限制为25mm，镜头外形为锥形形状；3）宽光谱：450-850nm，以便日夜共用；4）大视场：全视场角50°；5）像方远心，最大视场的cra角度小于5°，在振动等情况下不必过于担心像面离焦；6）全球面：所有镜片均为球面玻璃；7）高过载：≥1000g；8）无热化：-45~+65℃。该情况下对镜头的光学和机械结构设计，镜片材料的选取，厚度，光焦度的设计，镜片的加工精度和装配工艺等都提出了极为严格的要求，对镜片的厚度直径比需综合考虑，防止在高过载情况下镜片破裂，第一透镜的第一面需镀特殊的保护膜，使得镜头具有防尘，防水，防霉菌的功能。

目前市面上大视场无热化的可见光（450~650nm）镜头较多，但能同时满足上述超紧凑、大视场、宽光谱、无热化、全球面、抗高过载的锥形镜头尚无，本发明提供了一款能满足上述较多条件限制和复杂应用环境的镜头光学结构，填补了市场空白。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：目前市面上大视场无热化的可见光（450~650nm）镜头较多，但能同时满足上述超紧凑、大视场、宽光谱、无热化、全球面、抗高过载的锥形镜头尚无。

解决以上问题及缺陷的难度为：限制条件较多，应用环境复杂。

解决以上问题及缺陷的意义为：提供了一款满足上述较多条件限制和复杂应用环境的镜头光学结构，填补了市场空白。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种超紧凑大视场宽光谱无热化锥形镜头光学结构。本发明中镜头成像清晰稳定，视场大、光谱范围宽可日夜共用、具有抗高过载和高低温适应性，且防尘，防水，防霉菌等，满足了该领域的特殊应用需求。

本发明是这样实现的，一种超紧凑大视场宽光谱无热化锥形镜头光学结构，所述超紧凑大视场宽光谱无热化锥形镜头光学结构设置有：第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜、保护玻璃和像面；

第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜、保护玻璃和像面依次同轴排列，且透镜光焦度分别为负、正、正、正、正、负、正、负、正。

进一步，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜均为球面镜；

第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜的厚度直径比大于或等于0.12；

所述超紧凑大视场宽光谱无热化锥形镜头光学结构整体长度为46mm，且第一透镜第一面曲率半径r1固定为25mm，镜头整体外形为锥形。

进一步，所述第一透镜和第二透镜组成双胶合镜，第五透镜、第六透镜和第七透镜组成三胶合镜。

进一步，所述第一透镜为负透镜，呈凸凹式结构，光焦度绝对值为0.04-0.05，通光孔径为12mm-14mm，厚度为1mm-2mm，r1为25mm，r2为7mm-9mm。

进一步，所述第二透镜为正透镜，呈弯月式结构，光焦度绝对值为0.03-0.04，通光孔径为10mm-12mm，厚度为2mm-3mm，r1为7mm-9mm，r2为8mm-10mm。

进一步，所述第三透镜为正透镜，呈弯月式结构，光焦度绝对值为0.004-0.006，通光孔径为8mm-10mm，厚度为2mm-4mm，r1为12mm-14mm，r2为12mm-14mm。

进一步，所述第四透镜为正透镜，呈平凸结构，光焦度绝对值为0.07-0.09，通光孔径为5mm-7mm，厚度为2mm-4mm，r1为9mm-11mm，r2为88mm-90mm；第五透镜为正透镜，呈凸凹式结构，光焦度绝对值为0.08-0.1，通光孔径为6mm-8mm，厚度为2mm-4mm，r1为25mm-27mm，r2为5mm-7mm。

进一步，所述第六透镜为负透镜，呈双凹式结构，光焦度绝对值为0.2-0.3，通光孔径为7mm-10mm，厚度为1mm-3mm，r1为5mm-7mm，r2为5mm-7mm；

第七透镜为正透镜，呈双凸式结构，光焦度绝对值为0.1-0.2，通光孔径为9mm-11mm，厚度为5mm-7mm，r1为5mm-7mm，r2为15mm-17mm。

进一步，所述第八透镜为负透镜，呈弯月式结构，光焦度绝对值为0.03-0.04，通光孔径为10mm-15mm，厚度为4mm-6mm，r1为5mm-7mm，r2为9mm-11mm；

第九透镜为正透镜，呈双凸式结构，光焦度绝对值为0.04-0.05，通光孔径为18mm-20mm，厚度为5mm-7mm，r1为35mm-39mm，r2为49mm-53mm。

进一步，所述保护玻璃为熔融石英，通光孔径为23mm，厚度为2mm-3mm。第一透镜的第一面镀三防膜。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：

本发明结构紧凑，系统整体长度只有46mm，且第一透镜第一面曲率半径r1固定为25mm，镜头整体外形为锥形，流畅的气动外形有助于总体集成和减小飞行器飞行时的空气阻力；

本发明的视场较大。在较小的长度尺寸（totr=46mm）限制下，实现了大视场（全视场角50°），可适配1英寸及以下的探测器；且畸变较小，全视场内畸变小于2%，具有良好的成像质量。

本发明的光谱范围较宽，波段为450nm~850nm，可获取更多的色彩信息，画质更接近物体本身，且夜晚无可见光照明时可接收近红外光，环境适用性更广；可适配黑白或彩色探测器。

本发明具有抗高过载（≥1000g）的光学结构设计，所有镜片的厚度直径比大于或等于0.12；光学系统的结构、镜片的材料、厚度、光焦度选取合理，能清晰稳定成像。

本发明可适应较大的温度范围（-45~+65℃），在此温度范围内可以清晰、稳定成像，无需重新调焦，可靠性高。

本发明的镜片曲面均为球面，加工、装配、检测技术成熟，成本较低。

本发明的f#为4，相对照度均匀，无渐晕，相对照度≥80%；像面上最大视场处的主光线入射角cra控制在5°以内，像方远心，防止在振动等情况下像面离焦造成的成像模糊，系统具有更高的可靠性。

本发明的后焦距bfl（第九透镜后表面中心到像面的距离）较大，bfl=7.58mm，方便调试。

附图说明

图1是本发明实施例提供的超紧凑大视场宽光谱无热化锥形镜头光学结构示意图；

图中：1、第一透镜；2、第二透镜；3、第三透镜；4、第四透镜；5、第五透镜；6、第六透镜；7、第七透镜；8、第八透镜；9、第九透镜；10、保护玻璃；11、像面。

图2是本发明实施例提供的畸变图。

图3是本发明实施例提供的-45~+65℃条件下的成像质量示意图。

图中：图（a）、25℃下的弥散斑半径和mtf曲线图；图（b）、65℃下的弥散斑半径和mtf曲线图；图（c）、-45℃下的弥散斑半径和mtf曲线图。

图4是本发明实施例提供的相对照度曲线示意图。

图5是本发明实施例提供的主光线入射角cra示意图。

图6是本发明实施例提供的光学系统点列图。

图7是本发明实施例提供的光学调制传递函数（mtf）曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种超紧凑大视场宽光谱无热化锥形镜头光学结构，下面结合附图对本发明作详细的描述。

本发明提供的超紧凑大视场宽光谱无热化锥形镜头光学结构业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的超紧凑大视场宽光谱无热化锥形镜头光学结构仅仅是一个具体实施例而已。

如图1所示，本发明实施例提供的超紧凑大视场宽光谱无热化锥形镜头光学结构设置有第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7、第八透镜8、第九透镜9、保护玻璃10和像面11；第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7、第八透镜8、第九透镜9、保护玻璃10和像面11依次同轴排列，且透镜光焦度分别为负、正、正、正、正、负、正、负、正；其中，第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7、第八透镜8、第九透镜9均为球面镜。第一透镜1和第二透镜2组成双胶合镜，第五透镜5、第六透镜6和第七透镜7组成三胶合镜；第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7、第八透镜8、第九透镜9的厚度直径比大于或等于0.12。

第一透镜1为负透镜，呈凸凹式结构，光焦度绝对值为0.04-0.05，通光孔径为12mm-14mm，厚度为1mm-2mm，r1为25mm，r2为7mm-9mm；第二透镜2为正透镜，呈弯月式结构，光焦度绝对值为0.03-0.04，通光孔径为10mm-12mm，厚度为2mm-3mm，r1为7mm-9mm，r2为8mm-10mm；第三透镜3为正透镜，呈弯月式结构，光焦度绝对值为0.004-0.006，通光孔径为8mm-10mm，厚度为2mm-4mm，r1为12mm-14mm，r2为12mm-14mm；第四透镜4为正透镜，呈平凸结构，光焦度绝对值为0.07-0.09，通光孔径为5mm-7mm，厚度为2mm-4mm，r1为9mm-11mm，r2为88mm-90mm；第五透镜5为正透镜，呈凸凹式结构，光焦度绝对值为0.08-0.1，通光孔径为6mm-8mm，厚度为2mm-4mm，r1为25mm-27mm，r2为5mm-7mm；第六透镜6为负透镜，呈双凹式结构，光焦度绝对值为0.2-0.3，通光孔径为7mm-10mm，厚度为1mm-3mm，r1为5mm-7mm，r2为5mm-7mm；第七透镜7为正透镜，呈双凸式结构，光焦度绝对值为0.1-0.2，通光孔径为9mm-11mm，厚度为5mm-7mm，r1为5mm-7mm，r2为15mm-17mm；第八透镜8为负透镜，呈弯月式结构，光焦度绝对值为0.03-0.04，通光孔径为10mm-15mm，厚度为4mm-6mm，r1为5mm-7mm，r2为9mm-11mm；第九透镜9为正透镜，呈双凸式结构，光焦度绝对值为0.04-0.05，通光孔径为18mm-20mm，厚度为5mm-7mm，r1为35mm-39mm，r2为49mm-53mm；保护玻璃10为在熔融石英，通光孔径为23mm，厚度为2mm-3mm。

下面结合仿真实验对本发明的技术方案作进一步的描述。

本发明结构紧凑，系统整体长度只有46mm，且镜片第一面曲率半径固定为25mm，整体外形为锥形，流畅的气动外形有助于总体集成和减小飞行器飞行时的空气阻力；

本发明视场较大。在较小的系统长度（totr=46mm）限制下，实现了大视场（全视场角50°），可适配1英寸及以下的探测器；且畸变较小，全视场内畸变小于2%（如图2所示），具有良好的成像质量。

本发明的光谱范围较宽，波段为450nm~850nm，可获取更多的色彩信息，画质更接近物体本身，且夜晚无可见光照明时可接收近红外光，环境适用性更广；可适配黑白或彩色探测器。

本发明具有抗高过载（≥1000g）的结构设计，所有镜片的厚度直径比大于或等于0.12；光学系统的结构、镜片的材料、厚度、光焦度选取合理，能清晰稳定成像。

本发明可适应较大的温度范围（-45~+65℃），在此温度范围内可以清晰、稳定成像，无需重新调焦，可靠性高（如图3所示不同温度下的弥散斑半径rms和mtf曲线图）。

本发明的镜片曲面均为球面，加工、装配、检测技术成熟，成本较低。

本发明的f#为4，相对照度均匀（如图4所示），无渐晕，相对照度≥80%；像面上最大视场处的主光线入射角cra控制在5°以内（如图5所示），像方远心，防止在振动等情况下像面离焦造成的成像模糊，系统具有更高的可靠性。

本发明的后焦距bfl（第九透镜后表面中心到像面的距离）较大，bfl=7.58mm，方便对焦调试。

如图6所示，本发明提供的光学系统点列图，全视场的弥散斑半径rms接近艾里斑，成像质量较高。

如图7所示，本发明提供的光学调制传递函数（mtf）曲线图，在145lp/mm处，0.7视场mtf≥0.35，成像质量较高。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。