一种高分辨率长波非制冷无热化长焦镜头
技术领域
本发明涉及光学镜头技术领域，尤其涉及一种高分辨率长波非制冷无热化长焦镜头。
背景技术
非制冷探测器具有低成本、小体积、低功耗等优点，广泛应用于安防监控、单兵武器、车载辅助驾驶仪等，市场需求大，前景广阔。随着红外光学技术的发展，红外探测器厂家推出了高分辨率长波非制冷探测器，比如1280*1024@12μm、1024*768@14μm等探测器，目前市场上的大部分非制冷无热化镜头只能匹配640*512@17μm、384*288@17μm等探测器，为了满足高分辨率的红外市场需求，需要设计匹配高分辨率探测器的非制冷无热化镜头。
目前的红外系统无热化设计一般有三种方法：光学被动式、机械主动式和机械被动式。其中机械主动式是利用测温系统反馈机械调焦，结构复杂且可靠性差；机械被动式是利用机械结构补偿高低温时焦面的位移，该方式加工精度要求高，装配困难；因此亟待一种成本低、可靠性高、能满足高分辨率红外市场需求的镜头。
发明内容
针对现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种高分辨率长波非制冷无热化长焦镜头，该镜头结构简单可靠，可以在高低温下工作，可以适用于户外监控、军用观瞄等设备。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种高分辨率长波非制冷无热化长焦镜头，包括从光学系统的物方至像方依次排列设置的弯月负透镜A、弯月正透镜B、弯月负透镜C、弯月正透镜D，所述弯月负透镜A、弯月正透镜B、弯月负透镜C、弯月正透镜D朝向物方的一面为凸面，弯月负透镜A、弯月正透镜B、弯月负透镜C、弯月正透镜D朝向像方的一面为凹面。
优选地，所述弯月负透镜A与弯月正透镜B的空气间隔为1mm，所述弯月正透镜B与弯月负透镜C的空气间隔为4mm，所述弯月负透镜C与弯月正透镜D的空气间隔为101.5mm。
优选地，所述弯月负透镜A、弯月正透镜B、弯月负透镜C、弯月正透镜D的厚度分别为6.4mm、15.5mm、5.5mm、10.5mm。
优选地，所述镜头焦距为f，从物方至像方的弯月负透镜A、弯月正透镜B、弯月负透镜C、弯月正透镜D的焦距分别为f1、f2、f3、f4，具有如下关系：-5＜f1/f＜-2.5，0.5＜f2/f＜1.5，-5＜f3/f＜-2.5，0.5＜f4/f＜1.5。
优选地，所述镜头满足如下参数：
镜头焦距f＝105mm；F数＝1.0；视场角：2ω≥10°；成像圆直径大于Φ19.6mm；工作波段范围:8μm～12μm；光学总长TTL≤155mm；光学后截距≥10.5mm。
优选地，该镜头适用于1280*1024@12μm非制冷长波红外探测器。
优选地，还包括平板保护玻璃，所述平板保护玻璃位于弯月正透镜D与IMA像面之间，所述平板保护玻璃与弯月正镜头D之间的距离为7mm。
优选地，所述弯月负透镜A、弯月正透镜B、弯月负透镜C、弯月正透镜D分别由锗、硫系玻璃、硫化锌、锗制成。
优选地，所述弯月负透镜A、弯月正透镜B、弯月负透镜C、弯月正透镜D从物方到像方的表面序号依次为S1～S8，表面S1～S8的曲率半径依次为R1～R8，满足如下要求：
105mm≤R1≤115mm，90mm≤R2≤100mm，88mm≤R3≤98mm，450mm≤R4≤470mm，315mm≤R5≤325mm，160mm≤R6≤170mm，35mm≤R7≤45mm，33mm≤R8≤43mm；
表面S1与表面S2之间的空气间隔为6.4mm，表面S2与表面S3之间的空气间隔为1mm，表面S3与表面S4之间的空气间隔为15.5mm，表面S4与表面S5之间的空气间隔为4mm，表面S5与表面S6之间的空气间隔为5.5mm，表面S6与表面S7之间的空气间隔为101.5mm，表面S7与表面S8之间的空气间隔为10.5mm；
表面S3、表面S4、表面S7为非球面，表面S3、表面S4、表面S7的非球面数据：
非球面表达式为：
其中，Z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距离非球面顶点的距离矢高；c为曲率半径，k为圆锥系数，a4、a6、a8、a10为非球面系数，在非球面数据中，E-n代表×10-n。
优选地，R1＝111.35mm，R2＝95.60mm，R3＝93.62mm，R4＝458.88mm，R5＝318.23mm，R6＝167.19mm，R7＝40.77mm，R8＝38.55mm。
本发明采用光学被动式设计，不需要增加调焦机构，通过匹配不同光学材料、不同参数的光学透镜，满足系统的光焦度需求、消色差需要以及消热差需求，相对于现有技术来说具有成本低、可靠性高的优点。
本发明的光学系统为无热化设计，在-40℃至50℃范围内均可以正常使用，能够匹配1280*1024@12μm非制冷长波红外探测器，弥补了高分辨率红外市场的空缺，满足了高分辨率探测器的需求；采用了三种红外材料组合以及三面非球面，实现了消热差、消色差兼顾，易于加工，结构简单可靠，工艺性良好。
本发明的高分辨率长波非制冷无热化长焦镜头相比其他镜头，其优势在于：
(1)本发明中弯月负透镜A、弯月正透镜B、弯月负透镜C、弯月正透镜D分别由锗、硫系玻璃、硫化锌、锗制成，硫系玻璃带有非球面，可以通过模压方式加工成型，能够降低成本；
(2)通过三种光学材料的匹配实现无热化，没有采用折/衍混合设计，降低了加工工艺要求；
(3)匹配1280*1024@12μm非制冷长波红外探测器，具有更高的分辨率，性能更好；
(4)靠近物方的弯月负透镜A为锗材料，通过镀DLC膜可以获得良好的保护效果。
附图说明
图1是本发明实施例1的光学系统示意图。
图2是实施例1的20℃下的MTF图。
图3是实施例1的-40℃下的MTF图。
图4是实施例1的50℃下的MTF图。
图5是实施例1的场曲图。
图6是实施例1的畸变图。
图7是实施例1的像面照度图。
图8是实施例1的能量集中度曲线图。
图中：1弯月负透镜A、2弯月正透镜B、3弯月负透镜C、4弯月正透镜D、5IMA像面、6平板保护玻璃。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的实施例。
实施例1
参见图1，一种高分辨率长波非制冷无热化长焦镜头，包括从光学系统的物方至像方依次排列设置的弯月负透镜A1、弯月正透镜B2、弯月负透镜C3、弯月正透镜D4，所述弯月负透镜A1、弯月正透镜B2、弯月负透镜C3、弯月正透镜D4朝向物方的一面为凸面，弯月负透镜A1、弯月正透镜B2、弯月负透镜C3、弯月正透镜D4朝向像方的一面为凹面。
所述弯月负透镜A1与弯月正透镜B2的空气间隔为1mm，所述弯月正透镜B2与弯月负透镜C3的空气间隔为4mm，所述弯月负透镜C3与弯月正透镜D4的空气间隔为101.5mm。
所述弯月负透镜A1、弯月正透镜B2、弯月负透镜C3、弯月正透镜D4的厚度分别为6.4mm、15.5mm、5.5mm、10.5mm。
所述镜头焦距为f，从物方至像方的弯月负透镜A1、弯月正透镜B2、弯月负透镜C3、弯月正透镜D4的焦距分别为f1、f2、f3、f4，具有如下关系：-5＜f1/f＜-2.5，0.5＜f2/f＜1.5，-5＜f3/f＜-2.5，0.5＜f4/f＜1.5。
所述镜头满足如下参数：
镜头焦距f＝105mm；F数＝1.0；视场角：2ω≥10°；成像圆直径大于Φ19.6mm；工作波段范围:8μm～12μm；光学总长TTL≤155mm；光学后截距≥10.5mm。
该镜头适用于1280*1024@12μm非制冷长波红外探测器。
本实施例还包括平板保护玻璃6，所述平板保护玻璃6位于弯月正透镜D4与IMA像面5之间，所述平板保护玻璃6与弯月正镜头D之间的距离为7mm。
所述弯月负透镜A1、弯月正透镜B2、弯月负透镜C3、弯月正透镜D4分别由锗、硫系玻璃、硫化锌、锗制成。
所述弯月负透镜A1、弯月正透镜B2、弯月负透镜C3、弯月正透镜D4从物方到像方的表面序号依次为S1～S8，表面S1～S8的曲率半径依次为R1～R8，满足如下要求：
R1＝111.35mm，R2＝95.60mm，R3＝93.62mm，R4＝458.88mm，R5＝318.23mm，R6＝167.19mm，R7＝40.77mm，R8＝38.55mm；
表面S1与表面S2之间的空气间隔为6.4mm，表面S2与表面S3之间的空气间隔为1mm，表面S3与表面S4之间的空气间隔为15.5mm，表面S4与表面S5之间的空气间隔为4mm，表面S5与表面S6之间的空气间隔为5.5mm，表面S6与表面S7之间的空气间隔为101.5mm，表面S7与表面S8之间的空气间隔为10.5mm；
表面S3、表面S4、表面S7为非球面。
表面S3、表面S4、表面S7的非球面数据：
非球面表达式为：
其中，Z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距离非球面顶点的距离矢高；c为曲率半径，k为圆锥系数，a4、a6、a8、a10为非球面系数，在非球面数据中，E-n代表×10-n。
本实施例在温度为20℃、-40℃、50℃下的光学传递函数曲线如图2～4所示，图中的10条曲线分别是针对像面高度为0mm、3mm、5mm、7mm、9.85mm处时的子午和弧矢调制传递函数曲线，其中横坐标表示线对/每毫米(lp/mm)的空间频率，纵坐标表示MTF值，曲线越高，表示成像质量越好，纵轴MODULUS OF THE OTF中OTF的全称为optical transferfunction，指光学传递函数，在本实施例中纵轴即为光学调制传递函数，也就是MTF，T为子午传递函数曲线，S为弧矢调制传递函数曲线。
如图2所示，通过该10条曲线可以看到本实施例的镜头在温度为20℃下，在波长8μm～12μm范围内，在1/2频(Nyquist frequency)条件下(本实施例的奈奎斯特频率为42lp/mm)，中心视场(像面高度为0mm)的子午和弧矢调制传递函数曲线＞0.35，其余大部分视场＞0.3。
如图3所示，通过该10条曲线可以看到本实施例的镜头在温度为-40℃下，在波长8μm～12μm范围内，在1/2频(Nyquist frequency)条件下(本实施例的奈奎斯特频率为42lp/mm)，中心视场(像面高度为0mm)的子午和弧矢调制传递函数曲线＞0.35，其余视场＞0.3。
如图4所示，通过该10条曲线可以看到本实施例的镜头在温度为50℃下，在波长8μm～12μm范围内，在1/2频(Nyquist frequency)条件下(本实施例的奈奎斯特频率为42lp/mm)，中心视场(像面高度为0mm)的子午和弧矢调制传递函数曲线＞0.35，其余大部分视场＞0.3。
本实施例的场曲图如图5所示，其中横坐标表示场曲，单位为毫米(MILLIMETER)，纵坐标表示归一化视场，曲线T为子午场曲曲线，S为弧矢场曲曲线，从图5中可以看出本实施例镜头的子午场曲和弧矢场曲曲值控制在-0.10mm～+0.10mm范围内。
本实施例的畸变图如图6所示，其中横纵标表示畸变的百分比值(PERCENT)，纵坐标表示归一化视场，从图6中可以看出本实施例镜头的畸变小于0.5％。
本实施例的像面照度图如图7所示，图中横坐标为光学系统的像高位置，纵坐标为归一化照度，曲线为系统的相对照度曲线，从图7可以看出，本实施例镜头的中心照度为1，没有能量损失；边缘照度＞0.9，故本实施例镜头的相对照度值＞0.9。
本实施例的能量集中度曲线图如图8所示，图中横坐标为偏移中心的半径值，纵坐标为归一化能量，曲线为系统的能量集中度曲线，从图8可以看出，本实施例镜头80％的能量均集中于15μm内，接近一个像元尺寸(12μm)，除边缘光线外的80％能量集中于12μm内，小于一个像元尺寸(12μm)，故本实施例镜头的能量集中度较好。
实施例2
一种高分辨率长波非制冷无热化长焦镜头，包括从光学系统的物方至像方依次排列设置的弯月负透镜A、弯月正透镜B、弯月负透镜C、弯月正透镜D，所述弯月负透镜A、弯月正透镜B、弯月负透镜C、弯月正透镜D朝向物方的一面为凸面，弯月负透镜A、弯月正透镜B、弯月负透镜C、弯月正透镜D朝向像方的一面为凹面。
所述弯月负透镜A与弯月正透镜B的空气间隔为1mm，所述弯月正透镜B与弯月负透镜C的空气间隔为4mm，所述弯月负透镜C与弯月正透镜D的空气间隔为101.5mm。
所述弯月负透镜A、弯月正透镜B、弯月负透镜C、弯月正透镜D的厚度分别为6.4mm、15.5mm、5.5mm、10.5mm。
所述镜头焦距为f，从物方至像方的弯月负透镜A、弯月正透镜B、弯月负透镜C、弯月正透镜D的焦距分别为f1、f2、f3、f4，具有如下关系：-5＜f1/f＜-2.5，0.5＜f2/f＜1.5，-5＜f3/f＜-2.5，0.5＜f4/f＜1.5。
所述镜头满足如下参数：
镜头焦距f＝105mm；F数＝1.0；视场角：2ω≥10°；成像圆直径大于Φ19.6mm；工作波段范围:8μm～12μm；光学总长TTL≤155mm；光学后截距≥10.5mm。
该镜头适用于1280*1024@12μm非制冷长波红外探测器。
本实施例还包括平板保护玻璃，所述平板保护玻璃位于弯月正透镜D与IMA像面之间，所述平板保护玻璃与弯月正镜头D之间的距离为7mm。
所述弯月负透镜A、弯月正透镜B、弯月负透镜C、弯月正透镜D分别由锗、硫系玻璃、硫化锌、锗制成。
所述弯月负透镜A、弯月正透镜B、弯月负透镜C、弯月正透镜D从物方到像方的表面序号依次为S1～S8，表面S1～S8的曲率半径依次为R1～R8，满足如下要求：
R1＝105mm，R2＝90mm，R3＝88mm，R4＝450mm，R5＝315mm，R6＝160mm，R7＝35mm，R8＝33mm；
表面S1与表面S2之间的空气间隔为6.4mm，表面S2与表面S3之间的空气间隔为1mm，表面S3与表面S4之间的空气间隔为15.5mm，表面S4与表面S5之间的空气间隔为4mm，表面S5与表面S6之间的空气间隔为5.5mm，表面S6与表面S7之间的空气间隔为101.5mm，表面S7与表面S8之间的空气间隔为10.5mm；
表面S3、表面S4、表面S7为非球面。
表面S3、表面S4、表面S7的非球面数据：
非球面表达式为：
其中，Z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距离非球面顶点的距离矢高；c为曲率半径，k为圆锥系数，a4、a6、a8、a10为非球面系数，在非球面数据中，E-n代表×10-n。
实施例3
一种高分辨率长波非制冷无热化长焦镜头，包括从光学系统的物方至像方依次排列设置的弯月负透镜A、弯月正透镜B、弯月负透镜C、弯月正透镜D，所述弯月负透镜A、弯月正透镜B、弯月负透镜C、弯月正透镜D朝向物方的一面为凸面，弯月负透镜A、弯月正透镜B、弯月负透镜C、弯月正透镜D朝向像方的一面为凹面。
所述弯月负透镜A与弯月正透镜B的空气间隔为1mm，所述弯月正透镜B与弯月负透镜C的空气间隔为4mm，所述弯月负透镜C与弯月正透镜D的空气间隔为101.5mm。
所述弯月负透镜A、弯月正透镜B、弯月负透镜C、弯月正透镜D的厚度分别为6.4mm、15.5mm、5.5mm、10.5mm。
所述镜头焦距为f，从物方至像方的弯月负透镜A、弯月正透镜B、弯月负透镜C、弯月正透镜D的焦距分别为f1、f2、f3、f4，具有如下关系：-5＜f1/f＜-2.5，0.5＜f2/f＜1.5，-5＜f3/f＜-2.5，0.5＜f4/f＜1.5。
所述镜头满足如下参数：
镜头焦距f＝105mm；F数＝1.0；视场角：2ω≥10°；成像圆直径大于Φ19.6mm；工作波段范围:8μm～12μm；光学总长TTL≤155mm；光学后截距≥10.5mm。
该镜头适用于1280*1024@12μm非制冷长波红外探测器。
本实施例还包括平板保护玻璃，所述平板保护玻璃位于弯月正透镜D与IMA像面之间，所述平板保护玻璃与弯月正镜头D之间的距离为7mm。
所述弯月负透镜A、弯月正透镜B、弯月负透镜C、弯月正透镜D分别由锗、硫系玻璃、硫化锌、锗制成。
所述弯月负透镜A、弯月正透镜B、弯月负透镜C、弯月正透镜D从物方到像方的表面序号依次为S1～S8，表面S1～S8的曲率半径依次为R1～R8，满足如下要求：
R1＝115mm，R2＝100mm，R3＝98mm，R4＝470mm，R5＝325mm，R6＝170mm，R7＝45mm，R8＝43mm；
表面S1与表面S2之间的空气间隔为6.4mm，表面S2与表面S3之间的空气间隔为1mm，表面S3与表面S4之间的空气间隔为15.5mm，表面S4与表面S5之间的空气间隔为4mm，表面S5与表面S6之间的空气间隔为5.5mm，表面S6与表面S7之间的空气间隔为101.5mm，表面S7与表面S8之间的空气间隔为10.5mm；
表面S3、表面S4、表面S7为非球面。
表面S3、表面S4、表面S7的非球面数据：
非球面表达式为：
其中，Z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距离非球面顶点的距离矢高；c为曲率半径，k为圆锥系数，a4、a6、a8、a10为非球面系数，在非球面数据中，E-n代表×10-n。
以上已经描述了本发明的实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的实施例。在不偏离所说明实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。
