1.本发明涉及一种大相对孔径大靶面长波红外无热化镜头，尤其是一种大靶面像面的无热化镜头，属于长波红外波段光学消热差领域。
背景技术：2.近年来红外非制冷探测器越来越趋于成熟，红外镜头也越来越广泛应用于监控、安防和军事等领域。红外镜头在不同的环境温度下，因为温差，透镜的曲率、厚度、折射率及镜筒的变化都会导致镜头离焦。为消除温度变化带来影响，需要进行无热化设计，而这种无热化设计通常会采用不同的光学材料，进行光学补偿(温差)，或者采用机械材料与光学材料变化趋势相反的设计，进行光机补偿。
3.目前公布的无热化镜头靶面尺寸较小、相对孔径较小(f数较大)，随着非制冷探测器的发展，探测器的机芯已经趋于大靶面高像素，这就要求红外镜头设计也要趋于大靶面尺寸和大相对孔径。但众所周知，像面尺寸越大，大相对孔径越大(f#越小)，光学系统设计难度就越大。
技术实现要素：4.本发明提供一种大相对孔径大靶面长波红外无热化镜头，镜头采用光学补偿，在-80℃～100℃的温度范围内，镜头成像清晰、可靠稳定；解决了现有技术中无热化镜头靶面尺寸较小、相对孔径较小(f/#数较大)等缺陷。
5.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
6.一种大相对孔径大靶面长波红外无热化镜头，包括沿光轴从物方到像方依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；第一透镜为负光焦度透镜，第二透镜为正光焦度透镜，第三透镜负光焦度透镜，第四透镜正光焦度透镜；沿光轴从物方到像方，第一透镜的两面依次为第一物侧面和第一像侧面，第二透镜的两面依次为第二物侧面和第二像侧面，第三透镜的两面依次为第三物侧面和第三像侧面，第四透镜的两面依次为第四物侧面和第四像侧面，其中，第一物侧面为非球面，第一像侧面为球面，第二物侧面为非球面，第二像侧面为球面，第三物侧面为衍射面，第三像侧面为非球面，第四物侧面为球面，第四像侧面为非球面。
7.上述大相对孔径大靶面长波红外无热化镜头，利用非球面和二元面doe技术矫正高级像差，第一透镜和第三透镜产生正热差与第二透镜和第四透镜产生的负热差进行消热差补偿，在-80℃～100℃的温度范围内，镜头成像清晰、可靠稳定。
8.为了进一步提高消热差效果，第一透镜、第三透镜和第四透镜均采用单晶锗材料，可以根据应用选择是否镀硬碳膜；第二透镜采用低光热系数的硫系玻璃材料。
9.为了进一步提高成像效果，第一物侧面的曲率半径为80.42
±
0.02mm，第一像侧面的曲率半径为65.00
±
0.02mm；第二物侧面的曲率半径为62.10
±
0.02mm，第二像侧面的曲率半径为-1640.00
±
0.02mm；第三物侧面的曲率半径为29.06
±
0.02mm，第三像侧面的曲率
半径为21.47
±
0.02mm；第四物侧面的曲率半径为-74.01
±
0.02mm，第四像侧面的曲率半径为-51.29
±
0.02mm。
10.为了进一步兼顾成像的稳定性和成像效果，第一透镜的中心厚度为3.20
±
0.05mm，第二透镜的中心厚度为6.50
±
0.05mm，第三透镜的中心厚度为9.00
±
0.05mm，第四透镜的中心厚度为6.00
±
0.05mm。第一透镜和第二透镜之间的中心间隔为16.84
±
0.02mm，第二透镜和第三透镜之间的中心间隔为0.80
±
0.02mm，第三透镜和第四透镜之间的中心间隔为5.35
±
0.02mm。
11.为了进一步确保成像效果，第一透镜的外径为35～37mm，第二透镜的外径为37
±
0.05mm，第三透镜的外径为25.2～35.6mm，第四透镜的外径为25～26.4mm。
12.上述各非球面采用的非球面方程为：
[0013][0014]
其中，z(y)是非球面沿光轴方向的透镜失高；r是透镜的曲率半径；y是透镜垂直与光轴方向的半口径；k是圆锥系数；a、b、c、d、e是非球面系数。
[0015]
上述衍射面采用的表达式是：其中，是衍射面的位相；y是透镜垂直于光轴方向的半口径；a1、a2是衍射面位相系数。
[0016]
上述大相对孔径大靶面长波红外无热化镜头，焦距是25mm，无热化镜头的f数是1.0，工作波段是8-12um，无热化镜头适用于像素是1024x768、像元尺寸是17um的红外机芯。
[0017]
本发明未提及的技术均参照现有技术。
[0018]
本发明大相对孔径大靶面长波红外无热化镜头，采用光学补偿，在-80℃～100℃的温度范围内，镜头成像清晰、可靠稳定；且镜头光学系统相对孔径较大(f数1.0，较小)，光学通光量大；同时，镜头设计的像面较大，可用于非制冷型探测器1024x768(17um)，对角线尺寸是21.8mm，相比目前探测器厂家推出的大靶面探测器(1280x1024@12um探测器)，本发明镜头设计的靶面对角线尺寸要明显大；进一步，第一片透镜采用单晶锗材料，比起硫系玻璃更容易镀硬碳膜，表面不容被划伤，镜头可用于风沙、盐雾等恶劣环境。
附图说明
[0019]
图1是具体实施例大相对孔径大靶面长波红外无热化镜头的光学示意图；
[0020]
图2是具体实施例在环境温度20℃的mtf曲线图；
[0021]
图3是具体实施例在环境温度-80℃的mtf曲线图；
[0022]
图4是具体实施例在环境温度100℃的mtf曲线图；
[0023]
图5是具体实施例在环境温度20℃的光斑图；
[0024]
图6是具体实施例在环境温度-80℃的光斑图；
[0025]
图7是具体实施例在环境温度100℃的光斑图；
[0026]
图8是具体实施例在环境温度20℃的场曲与畸变图；
[0027]
图9是具体实施例在环境温度-80℃的场曲与畸变图；
[0028]
图10是具体实施例在环境温度100℃的场曲与畸变图。
具体实施方式
[0029]
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
[0030]
如图1所示的大相对孔径大靶面长波红外无热化镜头光学系统，沿光轴从物方到像方依次排列有：具有负屈光度的第一透镜l1、系统光阑st、具有正光焦度的第二透镜l2、具有负光焦度的第三透镜l3、具有正光焦度的第四透镜l4、探测器窗口w以及像面s。适用于红外波段8-12um，焦距25mm，f数1.0，探测器像素1024x768，像元尺寸17um。
[0031]
上述红外无热化镜头光学系统中第一透镜l1、第三透镜l3和第四透镜l4使用锗材料，锗的折射率高，更有利于像差矫正，且更容易镀硬碳膜；第二透镜使用的是硫系玻璃，硫系玻璃的折射率随温度变化系数dn/dt比较小，在红外无热化光学系统中使用硫系玻璃可以实现良好的消热差效果。在生产加工方面，硫系玻璃除了可进行抛光、车削，还可以进行高精度模压，这在批量生产时，可降低成本，有很大优势。
[0032]
上述红外无热化镜头光学系统匹配探测器像面规格为1024x768、像元17um，像面尺寸较大，故将系统孔径光阑置于第一透镜和第二透镜中间。
[0033]
图2至图4为上述无热化镜头光学系统在环境温度分别为+20℃、-80℃、+100℃的光学传函曲线图，可对光学系统的分别率做出判断，由图可知，该长波红外无热化镜头光学传函接近衍射极限，足以满足实用要求。图5至图7为上述无热化镜头光学系统在环境温度分别为+20℃、-80℃、+100℃的不同视场的光斑图，系统的聚焦光斑接近艾瑞斑，对于像元尺寸17um，满足实用要求。图8至图10为上述无热化镜头光学系统在环境温度分别为+20℃、-80℃、+100℃的场曲和畸变图，系统的场曲和畸变都控制较好。
[0034]
本实施例的光学系统参数参见表1、表2、表3。
[0035]
表1为光学元件参数表
[0036][0037]
表1中，第一透镜的两面依次为第一物侧面s1和第一像侧面s2，第二透镜的两面依次为第二物侧面s4和第二像侧面s5，第三透镜的两面依次为第三物侧面s6和第三像侧面
s7，第四透镜的两面依次为第四物侧面s8和第四像侧面s9。
[0038]
表1中采用的非球面方程
[0039][0040]
方程中各量的含义如下：
[0041]
z(y)是非球面沿光轴方向的透镜失高；
[0042]
r是透镜的曲率半径；
[0043]
y是透镜垂直与光轴方向的半口径；
[0044]
k是圆锥系数；
[0045]
a、b、c、d、e是非球面系数，具体数据参见表2。
[0046]
表2为实施例的非球面系数
[0047]
非球面kabcdes10-2.223e-061.755e-09-2.658e-13
ꢀꢀ
s404.7005e-065.6192e-09-6.1e-117.6835e-14 s60-3.283e-072.05e-08-2.683e-115.7523e-13 s701.0602e-05-1.725e-077.3824e-10-2.77e-122.1833e-14s906.5295e-06-1.06e-084.0118e-10-2.607e-12 [0048]
表3为实施例的衍射面系数
[0049]
衍射面衍射级中心波长a1a2s617.810um-52.38223.4179
[0050]
以上衍射面采用的表达式是：
[0051]
表达式中各量的含义如下：
[0052]
是衍射面的位相；
[0053]
y是透镜垂直于光轴方向的半口径；
[0054]
a1、a2是衍射面位相系数。
[0055]
图2至图4为上述无热化镜头光学系统在环境温度分别为+20℃、-80℃、+100℃的光学传函曲线图，代表光学系统随温度变化的分辨能力。图5至图7为上述无热化镜头光学系统在环境温度分别为+20℃、-80℃、+100℃的不同视场的光斑图。图8至图10为上述无热化镜头光学系统在环境温度分别为+20℃、-80℃、+100℃的场曲和畸变图。从图中可以看出各环境温度的像差得到了很好矫正,mtf性能良好，弥散斑接近艾瑞斑，畸变＜2％。
