CN110955032B - 大靶面高分辨率光学无热化镜头及其工作方法 - Google Patents
大靶面高分辨率光学无热化镜头及其工作方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种大靶面高分辨率光学无热化镜头，发明大靶面高分辨率光学无热化镜头由四片镜片构成，其光学系统沿着物面到像面依次有：弯月负透镜A，弯月正透镜B，弯月负透镜C，双凸正透镜D；此光学系统为大靶面高分辨率光学无热化设计，匹配1280*1024@12um非制冷长波红外探测器；采用两种红外材料组合的折/衍混合光学系统设计，并结合使用三面非球面校正系统像差，实现在高低温的环境下正常使用。该系统结构简单，工艺性良好，易于加工。
Description
技术领域：
本发明涉及一种光学镜头，特别是一种大靶面高分辨率光学无热化镜头及其工作方法。
背景技术：
随着红外光学的发展，各领域均对红外镜头提出更高的要求，与制冷型探测器相比，虽然非制冷探测器在温度分辨率等灵敏度方面还有很大的差距，但是非制冷探测器也具有一些突出的优势，如无需对探测器进行制冷，器件成本低、功耗小、重量轻、小型化、启动快、使用方便灵活，性价比高，非制冷镜头也因其成本低，结构简单，市场需求量在日益增加。
现如今高性能、大面阵非制冷红外焦平面芯片及器件发展快速，红外探测器厂家也不断推出更大靶面、更高分辨率的探测器，如1024x768@14um、1280x1024@12um等大靶面高分辨率探测器，而目前市面上大部分长波非制冷红外镜头都只能匹配384x288@17um、@25um或640x512@17um等探测器，为了满足红外镜头更高分辨率的市场需求，需要设计匹配高分辨率探测器的镜头。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种大靶面高分辨率光学无热化镜头及其工作方法，该大靶面高分辨率光学无热化镜头的光学结构简单、易于加工，并且在-40℃~+80℃的温度范围内能保持画面清晰，可适用于户外摄像监控设备。
本发明大靶面高分辨率光学无热化镜头，其特征在于：所述镜头的光学结构包括四片镜片，从物面至像面依次为：弯月负透镜A、弯月正透镜B、弯月负透镜C和双凸正透镜D；弯月负透镜A、弯月正透镜B和弯月负透镜C朝向物侧的一面为凸面，弯月负透镜A、弯月正透镜B和弯月负透镜C朝向像侧的一面为凹面；弯月负透镜A、弯月正透镜B、弯月负透镜C和双凸正透镜D从物面至像面四片镜片的间距如下：弯月负透镜A与弯月正透镜B的空气间隔为1.20mm；弯月正透镜B与弯月负透镜C的空气间隔为44.03mm；弯月负透镜C与双凸正透镜D的空气间隔为4.15mm；弯月负透镜A、弯月正透镜B、弯月负透镜C和双凸正透镜D的厚度分别为5.3 mm、7.36 mm、9.0 mm和5.79 mm，设定镜头焦距为f，从物面至像面的各光学镜片焦距依次为f1、f2、f3和f4，相互具有如下的关系：-6<f1/f<-2，0.5<f2/f<2.0，-25<f3/f<-20，0.5<f4/f<5。
进一步的，上述光学结构的具体性能参数为：（1）焦距：EFFL=55mm，（2）F数=1.0，（3）视场角：2w≥20°，（4）成像圆直径大于Ф19.6，（6）工作光谱范围：8um～12um，（7）光学总长TTL≤88mm，光学后截距≥10mm，（8）该镜头适用于1280*1024，12um非制冷长波红外探测器。
进一步的，上述光学结构的平行平板位于双凸正透镜D镜片后方8.86 mm处，且位于IMA项目之前。
进一步的，上述弯月负透镜A、弯月正透镜B、弯月负透镜C和双凸正透镜D分别由锗、硫系玻璃、锗和锗制成。
进一步的，上述弯月负透镜A、弯月正透镜B、弯月负透镜C和双凸正透镜D的参数表
| 表面序号 | 曲率半径(mm) | 间隔(mm) | 材料 | 备注 |
| S1 | 61.9763 | 5.3 | 锗 | |
| S2 | 54.0957 | 1.2 | 衍射面 | |
| S3 | 48.3391 | 7.36 | 硫系玻璃 | 非球面 |
| S4 | 75.3284 | 44.03 | ||
| S5 | 33.0859 | 9.0 | 锗 | 非球面 |
| S6 | 26.0768 | 4.15 | ||
| S7 | 220.3073 | 5.79 | 锗 | 非球面 |
| S8 | -338.5532 | 8.86 |
其中非球面及衍射面的相关数据
| 衍射面S2 | 1.121E-008 | -8.512E-011 | 2.760E-013 | -1.501E-016 |
| 非球面S3 | -1.503E-007 | -1.893E-010 | 4.062E-013 | -2.536E-016 |
| 非球面S5 | -1.922E-006 | -7.501E-009 | 1.081E-011 | -8.034E-014 |
| 非球面S8 | 2.362E-006 | 1.607E-008 | 2.601E-012 | 2.572E-013 |
非球面表达式为：
Z代表光轴方向的位置，r代表相对光轴的垂直方向上的高度，c代表曲率半径，k代表圆锥系数，、/>、/>、/>代表非球面系数，在非球面数据中，E-n代表“/>”，例如1.121E-008代表/>；
衍射面在zemax软件中的相位分布函数=M(
)：
| M | |||
| 衍射面S2 | 1 | -49.47 | -7.95 |
本发明大靶面高分辨率光学无热化镜头的工作方法，其中所述大靶面高分辨率光学无热化镜头的光学结构包括四片镜片，从物面至像面依次为：弯月负透镜A、弯月正透镜B、弯月负透镜C和双凸正透镜D；弯月负透镜A、弯月正透镜B和弯月负透镜C朝向物侧的一面为凸面，弯月负透镜A、弯月正透镜B和弯月负透镜C朝向像侧的一面为凹面；弯月负透镜A、弯月正透镜B、弯月负透镜C和双凸正透镜D从物面至像面四片镜片的间距如下：弯月负透镜A与弯月正透镜B的空气间隔为1.20mm；弯月正透镜B与弯月负透镜C的空气间隔为44.03mm；弯月负透镜C与双凸正透镜D的空气间隔为4.15mm；弯月负透镜A、弯月正透镜B、弯月负透镜C和双凸正透镜D的厚度分别为5.3 mm、7.36 mm、9.0 mm和5.79 mm，设定镜头焦距为f，从物面至像面的各光学镜片焦距依次为f1、f2、f3和f4，相互具有如下的关系：-6<f1/f<-2，0.5<f2/f<2.0，-25<f3/f<-20，0.5<f4/f<5；工作时，入射光线从物侧依次经过弯月负透镜A、弯月正透镜B、弯月负透镜C和双凸正透镜D，上述结构形成折/衍混合光学系统，并结合使用三面非球面校正系统像差，衍射元件具有特殊的热差和色差性能，在红外材料较少的情况下，相当于增加了一种特殊的红外材料，衍射元件可制作在折射元件上，几乎不增加系统重量，实现采用折/衍混合结构能使长焦系统在使用较少的材料情况下达到消色差和热差，实现在高低温的环境下正常使用。
本发明大靶面高分辨率光学无热化镜头相比其它镜头，该镜头具备的优势有：
a)系统采用锗与硫系两种镜片组成，利用衍射面来矫正色差和热差，无需使用硒化锌，降低镜头成本；
b)结合使用偶次非球面，较好地平衡像差、使像质进一步提升；通过曲率及厚度的调整降低了各个光学件的敏感度，使得该镜头更易于加工与装调。
c)匹配1280x1024@12um探测器，像元尺寸更小，具有更高的分辨率；
d)采用两种红外材料组合的折/衍混合设计，利用衍射元件特殊的热差和色差性能，能减少折射透镜的片数及减少红外材料种类的使用，减轻系统重量的同时实现无热化要求。
附图说明：
图1是本发明的光学结构图；
图2是常温环境下的MTF值；
图3是低温-40℃环境下的MTF值；
图4是高温80℃环境下的MTF值；
图5 是常温下场曲畸变图。
具体实施方式：
下面结合实施例对本发明方法作进一步的详细说明。需要特别说明的是，本发明的保护范围应当包括但不限于本实施例所公开的技术内容。
本发明大靶面高分辨率光学无热化镜头，所述镜头的光学结构包括四片镜片，从物面至像面依次为：弯月负透镜A、弯月正透镜B、弯月负透镜C和双凸正透镜D；弯月负透镜A、弯月正透镜B和弯月负透镜C朝向物侧的一面为凸面，弯月负透镜A、弯月正透镜B和弯月负透镜C朝向像侧的一面为凹面；弯月负透镜A、弯月正透镜B、弯月负透镜C和双凸正透镜D从物面至像面四片镜片的间距如下：弯月负透镜A与弯月正透镜B的空气间隔为1.20mm；弯月正透镜B与弯月负透镜C的空气间隔为44.03mm；弯月负透镜C与双凸正透镜D的空气间隔为4.15mm；弯月负透镜A、弯月正透镜B、弯月负透镜C和双凸正透镜D的厚度分别为5.3 mm、7.36 mm、9.0 mm和5.79 mm，设定镜头焦距为f，从物面至像面的各光学镜片焦距依次为f1、f2、f3和f4，相互具有如下的关系：-6<f1/f<-2，0.5<f2/f<2.0，-25<f3/f<-20，0.5<f4/f<5。
本发明采用两种红外材料组合的折/衍混合光学系统设计，并结合使用三面非球面校正系统像差，衍射元件具有特殊的热差和色差性能，在红外材料较少的情况下，相当于增加了一种特殊的红外材料，衍射元件可制作在折射元件上，几乎不增加系统重量；采用折/衍混合结构能使长焦系统在使用较少的材料情况下达到消色差和热差，实现在高低温的环境下正常使用；该系统结构简单，工艺性良好，易于加工；通过曲率及厚度的调整降低各个光学件的敏感度，使得该镜头更易于加工与装调，并且在-40℃~+80℃的温度范围内能保持画面清晰，可适用于户外摄像监控设备及其它场合。
上述光学结构的具体性能参数为：（1）焦距：EFFL=55mm，（2）F数=1.0，（3）视场角：2w≥20°，（4）成像圆直径大于Ф19.6，（6）工作光谱范围：8um～12um，（7）光学总长TTL≤88mm，光学后截距≥10mm，（8）该镜头适用于1280*1024，12um非制冷长波红外探测器。
上述光学结构的平行平板位于双凸正透镜D镜片后方8.86 mm处，且位于IMA项目之前。
上述弯月负透镜A、弯月正透镜B、弯月负透镜C和双凸正透镜D分别由锗、硫系玻璃、锗和锗制成。
本发明系统采用锗与硫系两种镜片组成，利用衍射面来矫正色差和热差，无需使用硒化锌，降低镜头成本；
上述弯月负透镜A、弯月正透镜B、弯月负透镜C和双凸正透镜D的参数表
| 表面序号 | 曲率半径(mm) | 间隔(mm) | 材料 | 备注 |
| S1 | 61.9763 | 5.3 | 锗 | |
| S2 | 54.0957 | 1.2 | 衍射面 | |
| S3 | 48.3391 | 7.36 | 硫系玻璃 | 非球面 |
| S4 | 75.3284 | 44.03 | ||
| S5 | 33.0859 | 9.0 | 锗 | 非球面 |
| S6 | 26.0768 | 4.15 | ||
| S7 | 220.3073 | 5.79 | 锗 | 非球面 |
| S8 | -338.5532 | 8.86 |
其中非球面及衍射面的相关数据
| 衍射面S2 | 1.121E-008 | -8.512E-011 | 2.760E-013 | -1.501E-016 |
| 非球面S3 | -1.503E-007 | -1.893E-010 | 4.062E-013 | -2.536E-016 |
| 非球面S5 | -1.922E-006 | -7.501E-009 | 1.081E-011 | -8.034E-014 |
| 非球面S8 | 2.362E-006 | 1.607E-008 | 2.601E-012 | 2.572E-013 |
非球面表达式为：
Z代表光轴方向的位置，r代表相对光轴的垂直方向上的高度，c代表曲率半径，k代表圆锥系数，、/>、/>、/>代表非球面系数，在非球面数据中，E-n代表“/>”，例如1.121E-008代表/>,上述Z公式中省略号的值对Z值影响较小，因此省略；
衍射面在zemax软件中的相位分布函数=M(
)：
| M | |||
| 衍射面S2 | 1 | -49.47 | -7.95 |
本发明大靶面高分辨率光学无热化镜头的工作方法，其中所述大靶面高分辨率光学无热化镜头的光学结构包括四片镜片，从物面至像面依次为：弯月负透镜A、弯月正透镜B、弯月负透镜C和双凸正透镜D；弯月负透镜A、弯月正透镜B和弯月负透镜C朝向物侧的一面为凸面，弯月负透镜A、弯月正透镜B和弯月负透镜C朝向像侧的一面为凹面；弯月负透镜A、弯月正透镜B、弯月负透镜C和双凸正透镜D从物面至像面四片镜片的间距如下：弯月负透镜A与弯月正透镜B的空气间隔为1.20mm；弯月正透镜B与弯月负透镜C的空气间隔为44.03mm；弯月负透镜C与双凸正透镜D的空气间隔为4.15mm；弯月负透镜A、弯月正透镜B、弯月负透镜C和双凸正透镜D的厚度分别为5.3 mm、7.36 mm、9.0 mm和5.79 mm，设定镜头焦距为f，从物面至像面的各光学镜片焦距依次为f1、f2、f3和f4，相互具有如下的关系：-6<f1/f<-2，0.5<f2/f<2.0，-25<f3/f<-20，0.5<f4/f<5；工作时，入射光线从物侧依次经过弯月负透镜A、弯月正透镜B、弯月负透镜C和双凸正透镜D，上述结构形成折/衍混合光学系统，并结合使用三面非球面校正系统像差，衍射元件具有特殊的热差和色差性能，在红外材料较少的情况下，相当于增加了一种特殊的红外材料，衍射元件可制作在折射元件上，几乎不增加系统重量，实现采用折/衍混合结构能使长焦系统在使用较少的材料情况下达到消色差和热差，实现在高低温的环境下正常使用。
本发明大靶面高分辨率光学无热化镜头相比其它镜头，该镜头具备的优势有：
a)系统采用锗与硫系两种镜片组成，利用衍射面来矫正色差和热差，无需使用硒化锌，降低镜头成本；
b)结合使用偶次非球面，较好地平衡像差、使像质进一步提升；通过曲率及厚度的调整降低了各个光学件的敏感度，使得该镜头更易于加工与装调。
c)匹配1280x1024@12um探测器，像元尺寸更小，具有更高的分辨率；
d)采用两种红外材料组合的折/衍混合设计，利用衍射元件特殊的热差和色差性能，能减少折射透镜的片数及减少红外材料种类的使用，减轻系统重量的同时实现无热化要求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (5)
1.一种大靶面高分辨率光学无热化镜头，其特征在于：所述镜头的光学结构由四片镜片组成，从物面至像面依次为：弯月负透镜A、弯月正透镜B、弯月负透镜C和双凸正透镜D；弯月负透镜A、弯月正透镜B和弯月负透镜C朝向物侧的一面为凸面，弯月负透镜A、弯月正透镜B和弯月负透镜C朝向像侧的一面为凹面；弯月负透镜A、弯月正透镜B、弯月负透镜C和双凸正透镜D从物面至像面四片镜片的间距如下：弯月负透镜A与弯月正透镜B的空气间隔为1.20mm；弯月正透镜B与弯月负透镜C的空气间隔为44.03mm；弯月负透镜C与双凸正透镜D的空气间隔为4.15mm；弯月负透镜A、弯月正透镜B、弯月负透镜C和双凸正透镜D的厚度分别为5.3 mm、7.36 mm、9.0 mm和5.79 mm，设定镜头焦距为f，从物面至像面的各光学镜片焦距依次为f1、f2、f3和f4，相互具有如下的关系：-6<f1/f<-2，0.5<f2/f<2.0，-25<f3/f<-20，0.5<f4/f<5，弯月负透镜A的像面为衍射面；所述弯月负透镜A、弯月正透镜B、弯月负透镜C和双凸正透镜D分别由锗、硫系玻璃、锗和锗制成。
2.根据权利要求1所述的大靶面高分辨率光学无热化镜头，其特征在于：此光学结构的具体性能参数为：（1）焦距：f=55mm，（2）F数=1.0，（3）视场角：2w≥20°，（4）成像圆直径大于Ф19.6，（6）工作光谱范围：8um～12um，（7）光学总长TTL≤88mm，光学后截距≥10mm，（8）该镜头适用于1280*1024，12um非制冷长波红外探测器。
3.根据权利要求1所述的大靶面高分辨率光学无热化镜头，其特征在于：此光学结构的平行平板位于双凸正透镜D镜片后方8.86 mm处，且位于IMA项目之前。
4.根据权利要求1所述的大靶面高分辨率光学无热化镜头，其特征在于：所述弯月负透镜A、弯月正透镜B、弯月负透镜C和双凸正透镜D的参数表：
其中非球面及衍射面的相关数据
非球面表达式为：
Z代表光轴方向的位置，r代表相对光轴的垂直方向上的高度，c代表曲率半径，k代表圆锥系数，、/>、/>、/>代表非球面系数，在非球面数据中，E-n代表“/>”；
衍射面在zemax软件中的相位分布函数=M()：
。
5.一种大靶面高分辨率光学无热化镜头的工作方法，其中所述大靶面高分辨率光学无热化镜头的光学结构由四片镜片组成，从物面至像面依次为：弯月负透镜A、弯月正透镜B、弯月负透镜C和双凸正透镜D；弯月负透镜A、弯月正透镜B和弯月负透镜C朝向物侧的一面为凸面，弯月负透镜A、弯月正透镜B和弯月负透镜C朝向像侧的一面为凹面；弯月负透镜A、弯月正透镜B、弯月负透镜C和双凸正透镜D从物面至像面四片镜片的间距如下：弯月负透镜A与弯月正透镜B的空气间隔为1.20mm；弯月正透镜B与弯月负透镜C的空气间隔为44.03mm；弯月负透镜C与双凸正透镜D的空气间隔为4.15mm；弯月负透镜A、弯月正透镜B、弯月负透镜C和双凸正透镜D的厚度分别为5.3 mm、7.36 mm、9.0 mm和5.79 mm，设定镜头焦距为f，从物面至像面的各光学镜片焦距依次为f1、f2、f3和f4，相互具有如下的关系：-6<f1/f<-2，0.5<f2/f<2.0，-25<f3/f<-20，0.5<f4/f<5；弯月负透镜A的像面为衍射面；所述弯月负透镜A、弯月正透镜B、弯月负透镜C和双凸正透镜D分别由锗、硫系玻璃、锗和锗制成；工作时，入射光线从物侧依次经过弯月负透镜A、弯月正透镜B、弯月负透镜C和双凸正透镜D，上述结构形成折/衍混合光学系统，并结合使用三面非球面校正系统像差，衍射元件具有特殊的热差和色差性能，在红外材料较少的情况下，相当于增加了一种特殊的红外材料，衍射元件可制作在折射元件上，几乎不增加系统重量，实现采用折/衍混合结构能使长焦系统在使用较少的材料情况下达到消色差和热差，实现在高低温的环境下正常使用。
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