一种2K高清长波红外无热化光学系统的制作方法

一种2k高清长波红外无热化光学系统
技术领域
1.本实用新型涉及一种光学系统，特别是一种2k高清长波红外无热化光学系统，属于光学系统设计技术领域。


背景技术：

2.现有的智能驾驶技术主要依托可见光、激光雷达、毫米波雷达等监测手段，来实现l2+级辅助驾驶，再融合红外热成像技术进一步提升汽车自动驾驶能力。由于当前市面上的长波红外成像光学系统存在像素低、分辨率差、难以和可见光、雷达技术形成高效融合感知等问题，因此研制更高的空间分辨率、能提升运动目标捕捉能力、与常规的探测识别技术高效融合、有效提升智能驾驶技术的安全性、可靠性和冗余性的高清长波红外成像光学系统，势在必行。目前国内对高清长波红外成像光学系统的研究已有相关文献报道，如专利cn209343027u公开了一种高分辨率红外镜头，针对1024
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768@14um探测器采用正、正、负、正的结构形式设计了一款焦距17mm镜头，视场角达50.4
°
，可用于进行实况记录和监控任务，但未进行无热化设计，环境适应性较差；专利cn211454082u公开了一种大靶面高分辨率光学无热化镜头，匹配1280
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1024@12um探测器，采用折/衍混合设计，成本较高，且视场较小；冯丽军“大相对孔径大面阵长波红外光学无热化镜头的设计”(《红外技术》2022,44(10))，针对1024
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768@12um非制冷探测器设计了一款大相对孔径长波红外镜头，可用于车载机载夜间辅助驾驶系统，但系统像素数较少，空间分辨率不高，且结构不够紧凑。因此有必要对现有技术加以改进。


技术实现要素：

3.为解决现有长波红外成像光学系统存在环境适应性差、视场小、分辨率低、结构不紧凑等问题，本实用新型提供一种2k高清长波红外无热化光学系统。
4.本实用新型通过下列技术方案完成：一种2k高清长波红外无热化光学系统，包括沿光线传播方向从物方至像方依次排列的第一弯月负透镜、双凸正透镜、第二弯月负透镜和弯月正透镜，其特征在于第一弯月负透镜和弯月正透镜朝向物方的一面为凸面，朝向像方的一面为凹面，第二弯月负透镜朝向物方的一面为凹面，朝向像方的一面为凸面，以便通过四片透镜结合四个偶次非球面，实现1920
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1080@8um小像元大靶面高清成像，使系统透过率高，结构简单紧凑，易于加工和装调，工艺性良好。
5.所述第一弯月负透镜、双凸正透镜、第二弯月负透镜和弯月正透镜焦距依次设为f1、f2、f3、f4，其与光学系统总焦距f相互之间具有如下关系：-3.5《f1/f《-1.2；0.5《f2/f《2.2；-6.2《f3/f《-4.5；1.8《f4/f《4.2。
6.所述第一弯月负透镜、双凸正透镜、第二弯月负透镜和弯月正透镜依次采用锗、琉系玻璃、硫化锌和锗制成，其中,所述第二负弯月透镜材料可替换成硒化锌。
7.所述第一弯月负透镜、双凸正透镜、第二弯月负透镜和弯月正透镜朝向物方一面均为非球面，非球面的表达形式满足下式：
[0008][0009]
式中，z为沿光轴方向相对非球面顶点的距离矢高，r为相对光轴垂直方向上的半径高度，k为圆锥二次曲线系数，非球面的k值均为0，a1、a2、a3、a4为非球面系数。
[0010]
所述弯月正透镜与ima像面之间设有平板保护玻璃窗口，该平板保护玻璃窗口与弯月正透镜之间的距离为6mm～18mm。
[0011]
本实用新型具有下列优点及效果：采用上述方案，即通过第一弯月负透镜、双凸正透镜、第二弯月负透镜和弯月正透镜的结合，通过四个偶次非球面实现1920
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1080@8um小像元大靶面高清成像，使系统透过率提高，结构简单紧凑，易于加工和装调，工艺性良好。采用三种dn/dt差异较大的材料组合成的透镜组，实现了2k高清成像的无热化设计，没有使用衍射面，降低了系统的加工成本，能够在-75℃～+85℃超宽温度范围内清晰成像，无需调焦，环境适应性优良，保证了大视场(2w≥45
°
)下小像元大靶面的高清成像且畸变小于2％的要求，能够满足与可见光成像的算法融合需求，提升智能驾驶的感知能力。
附图说明
[0012]
图1为本实用新型之结构示意图；
[0013]
图2为本实用新型在22℃下的mtf图；
[0014]
图3为本实用新型在低温-75℃下的mtf图；
[0015]
图4为本实用新型在高温+85℃下的mtf图；
[0016]
图5为本实用新型在常温22℃下的场曲和畸变图。
具体实施方式
[0017]
实施例1
[0018]
本实用新型提供的2k高清长波红外无热化光学系统，包括沿光线传播方向从物方至像方依次排列的第一弯月负透镜1、双凸正透镜2、第二弯月负透镜3和弯月正透镜4，其中：第一弯月负透镜1和弯月正透镜4朝向物方的一面为凸面，朝向像方的一面为凹面，第二弯月负透镜3朝向物方的一面为凹面，朝向像方的一面为凸面，以便结合四个偶次非球面实现1920
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1080@8um小像元大靶面高清成像，使系统透过率高，结构简单紧凑，易于加工和装调，工艺性良好.
[0019]
第一弯月负透镜1、双凸正透镜2、第二弯月负透镜3和弯月正透镜4的焦距依次设为f1、f2、f3、f4，其与光学系统总焦距f相互之间具有如下关系：-3.5《f1/f《-1.2；0.5《f2/f《2.2；-6.2《f3/f《-4.5；1.8《f4/f《4.2。
[0020]
所述第一弯月负透镜1与双凸正透镜2的空气间隔为20.8mm，双凸正透镜2与第二弯月负透镜3的空气间隔为2.6mm，第二弯月负透镜3与弯月正透镜4的空气间隔为9.4mm，并且第一弯月负透镜1、双凸正透镜2、第二弯月负透镜3和弯月正透镜4的厚度分别为：6mm、8.3mm、3mm、6mm。
[0021]
所述第一弯月负透镜1、双凸正透镜2、第二弯月负透镜3和弯月正透镜4分别采用锗、琉系玻璃、硫化锌和锗制成，其中的第二负弯月透镜3材料可替换成硒化锌。
[0022]
所述弯月正透镜4与ima像面6之间设有平板保护玻璃窗口5，该平板保护玻璃窗口
5与弯月正透镜4之间的距离为6mm～18mm。
[0023]
本实施例光学系统满足如下指标参数：光学系统总焦距f＝21mm；f数＝1.2；视场角：2w≥45
°
；工作波段：8um～12um；工作温度范围-75℃～+85℃；光学总长ttl≤70mm；光学后截距≥8mm。本实施例可适用于1920
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1080@8um非制冷长波红外探测器组件，也可用于1280
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1024@10um非制冷长波探测器组件。
[0024]
本实施例光学系统中所述第一弯月负透镜1、双凸正透镜2、第二弯月负透镜3和弯月正透镜4从物方到像方的表面序号依次为s1～s8，表面s1～s8的面型参数如下：
[0025]
表面序号曲率半径(mm)间隔(mm)材料备注s122.46锗非球面s215.420.8s341.78.3琉系玻璃非球面s4-203.12.6s5-583硫化锌非球面s6-87.39.4s745.66锗非球面s875.69.7
[0026]
上述第一弯月负透镜1、双凸正透镜2、第二弯月负透镜3和弯月正透镜4朝向物方一面均为非球面，即上表中表面序号为s1、s3、s5、s7的面均为非球面，非球面的表达形式满足下式：
[0027][0028]
式中，z为沿光轴方向相对非球面顶点的距离矢高，r为相对光轴垂直方向上的半径高度，k为圆锥二次曲线系数，在本实用新型中所述非球面的k值均为0，a1、a2、a3、a4为非球面系数，在非球面数据中，e-n表示
“×
10-n”,例如1.112e-08表示1.112
×
10-8
。
[0029]
表面s1、s3、s5、s7的非球面系数如下：
[0030]
[0031]
本实施例在工作时，入射光线从物方依次通过第一弯月负透镜1、双凸正透镜2、第二弯月负透镜3和弯月正透镜4，最终汇聚在探测器靶面上成像。通过不同红外材料之间的搭配，对透镜曲率半径、厚度等参数进行优化设计，并且仅使用非球面而没有使用衍射面，实现了镜头焦距、消像差和消热差需求；采用光学被动无热化设计，在-75℃至+85℃温度范围能均能清晰成像，无需调焦，搭配1920
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1080@8um非制冷长波探测器实现超200万像素的大视场小畸变(＜2％)高清红外成像。
[0032]
本实施例光学系统在常温22℃、低温-75℃和高温+85℃下的光学传递函数(mtf)曲线如附图2～4所示，横坐标为每毫米周数，表示空间频率，纵坐标为对比度值，即mtf值，其中f1:y diff.limit和f1:x diff.limit两条曲线表示高镜头子午和弧矢两个方向调制传递函数的衍射极限。其他曲线分别表示像面位置为(0，0)mm、(2.16，3.84)mm、(3.055，5.431)mm、(3.741，6.651)mm、(4.32，7.68)mm时子午和弧矢方向的调制传递函数曲线。
[0033]
如图2所示，本实施例光学系统在22℃的温度环境下，在50cy/mm的空间频率处，中心视场的子午和弧矢方向的调制传递函数接近衍射极限，其余大部分视场的mtf值也大于0.23，能够获取物体更多的细节信息，实现2k高清成像。
[0034]
如图3所示，本实施例光学系统在-75℃的温度环境下，在50cy/mm的空间频率处，中心视场的子午和弧矢方向的调制传递函数大于0.28，其他大部分视场的mtf值也大于0.2。
[0035]
如图4所示，本实施例光学系统在85℃的温度环境下，在50cy/mm的空间频率处，中心视场的子午和弧矢方向的调制传递函数大于0.28，其他大部分视场的mtf值也大于0.2。

技术特征：
1.一种2k高清长波红外无热化光学系统，包括沿光线传播方向从物方至像方依次排列的第一弯月负透镜、双凸正透镜、第二弯月负透镜和弯月正透镜，其特征在于第一弯月负透镜和弯月正透镜朝向物方的一面为凸面，朝向像方的一面为凹面，第二弯月负透镜朝向物方的一面为凹面，朝向像方的一面为凸面。2.根据权利要求1所述的2k高清长波红外无热化光学系统，其特征在于，所述第一弯月负透镜、双凸正透镜、第二弯月负透镜和弯月正透镜焦距依次设为f1、f2、f3、f4，其与光学系统总焦距f相互之间具有如下关系：-3.5<f1/f<-1.2；0.5<f2/f<2.2；-6.2<f3/f<-4.5；1.8<f4/f<4.2。3.根据权利要求1所述的2k高清长波红外无热化光学系统，其特征在于，所述第一弯月负透镜、双凸正透镜、第二弯月负透镜和弯月正透镜依次采用锗、琉系玻璃、硫化锌和锗制成，其中；所述第二弯月负透镜材料可替换成硒化锌。4.根据权利要求1所述的2k高清长波红外无热化光学系统，其特征在于，所述第一弯月负透镜、双凸正透镜、第二弯月负透镜和弯月正透镜朝向物方一面均为非球面。5.根据权利要求1所述的2k高清长波红外无热化光学系统，其特征在于，所述弯月正透镜与像面之间设有平板保护玻璃窗口，该平板保护玻璃窗口与弯月正透镜之间的距离为6mm～18mm。

技术总结
本实用新型提供一种2K高清长波红外无热化光学系统，包括沿光线传播方向从物方至像方依次排列的第一弯月负透镜、双凸正透镜、第二弯月负透镜和弯月正透镜，其特征在于第一弯月负透镜和弯月正透镜朝向物方的一面为凸面，朝向像方的一面为凹面，第二弯月负透镜朝向物方的一面为凹面，朝向像方的一面为凸面。通过四个偶次非球面实现1920


技术研发人员：周明状 贾星蕊 毛怡憬 钱思婷 龚瑞 辛雪倩 徐曼
受保护的技术使用者：昆明物理研究所
技术研发日：2023.02.25
技术公布日：2023/8/5