一种基于全硫系玻璃的大面阵广角非制冷红外镜头的制作方法

本技术涉及长波红外成像镜头设计，具体涉及一种基于全硫系玻璃的大面阵广角非制冷红外镜头，尤其是一种基于全硫系玻璃材料、适配1280×1024@12μm面阵大小及以下的广角无热化非制冷红外镜头。

背景技术：

1、红外热成像技术作为现代光电探测领域的重要分支，能够将物体表面的热辐射转化为可视化图像，无需依赖于环境光线即可实现全天候监测。非制冷探测器由于其价格、重量、尺寸等优势，使得非制冷红外产品在各类安防、辅助观察等领域应用十分广泛。

2、随着非制冷探测器技术的快速发展，当前主流产品的像元尺寸已缩小至17μm、12μm，同时面阵规模持续扩大，640×512像素、1024×768像素乃至1280×1024像素的高分辨率配置逐渐普及。这要求红外镜头必须具备与之匹配的大靶面设计，否则易导致图像边缘畸变、四周能量分布不均等问题，直接影响成像系统的整体性能。

3、在实际应用场景中，非制冷红外成像系统对广角镜头的需求呈现爆发式增长。无论是城市安防中的大范围场景覆盖，还是自动驾驶车辆的周边环境感知，广角镜头凭借其宽广的视场角，能够有效减少检测盲区，提升系统的环境信息采集效率。然而，大视场角设计往往伴随着光学像差校正难度增加的挑战。同时，传统镜头设计常常依赖于高成本的锗、硒化锌等红外光学材料，且为满足复杂光学性能要求，需要采用多片式透镜组合与精密衍射面加工工艺，导致材料采购、制造加工及装配调试成本居高不下，限制了产品在军民用市场的大规模推广应用。

4、基于此，设计一种基于低成本材料的大面阵广角非制冷红外镜头，解决现有镜头在适配大面阵探测器、成像性能、成本控制及温度适应性等方面的问题，具有重要的现实意义和应用价值，这将有力推动非制冷红外成像技术在更多领域的广泛应用与发展。

技术实现思路

1、为满足安防监控、车载辅助驾驶等产品对于非制冷长波红外广角镜头的低成本轻便化需求，本实用新型采用硫系玻璃材料进行设计，使用ig6、ig2、ig4三种材料进行适配，四片硫系材料、光焦度不同的透镜，硫系材料由于其非晶态材料特性能够采用模压加工工艺，同时也支持车削加工工艺，此特性使得硫系玻璃在批量生产时良品率高，可有效控制成本。

2、一种基于全硫系玻璃的大面阵广角非制冷红外镜头，沿光轴方向从物方至探测器焦面分别设置有第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜，第一透镜为凸面朝向物方的弯月透镜，第二透镜为正透镜，第三透镜为负透镜，第四透镜为正透镜。

3、优选的，第一透镜的焦距f1为-33.61mm，第二透镜的焦距f2为15.36mm，第三透镜的焦距f3为-13.76mm，第四透镜的焦距f4为15.22mm，由第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜组成的整个光学系统焦距f为13.3mm。

4、优选的，红外镜头焦距为13.3mm，各透镜沿光轴方向之间尺寸如下：第一透镜与第二透镜之间的空气间隔为26.72mm，第二透镜与第三透镜之间的空气间隔为4.37mm，第三透镜与第四透镜之间的空气间隔为0.56mm；第四透镜与红外探测器焦平面之间的间距为13.85mm。

5、优选的，第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜沿物侧至像侧方向上的曲面分别标记为s1、s2、s3、s4、s5、s6、s7、s8；第一透镜中心厚度为2.22mm，第二透镜中心厚度为4.09mm，第三透镜中心厚度为2.2mm，第四透镜中心厚度为6.0mm；s1曲率半径为20.14mm，s2曲率半径为14.0mm，s3曲率半径为22.38mm，s4曲率半径为109.46mm，s5曲率半径为-139.86，s6曲率半径为24.38，s7曲率半径为26.08，s6曲率半径为-343.15。

6、优选的，s1、s4、s6、s7为球面，s2、s3、s5、s8为非球面，其中s3在非球面基础上增加衍射面设计。

7、优选的，第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜中的非球面透镜曲线满足如下方程表达式：

8、

9、其中，r表示高度；z表示非球面沿光线入射方向在高度为r的位置时，距离非球面顶点的距离矢高；c表示曲率半径；k表示圆锥系数；a4、a6、a8、a10、a12表示高次非球面系数。

10、优选的，第三透镜中的衍射非球面面型方程满足如下方程表达式：

11、

12、其中，z(r)表示表面上的点到顶点的沿轴距离；n表示材料折射率；λ表示设计中心波长；c1、c2为衍射相位系数；r表示垂直光轴方向上的径向坐标；hor表示衍射级次。

13、优选的，水平视场角为64.3°，垂直视场角为52°，全视场角为80.1°，最大光学畸变为-12%，相对照度≥82%；

14、优选的，可适配于面阵大小为15.36mm×12.288mm尺寸及以下的探测器靶面，适用波段为8~12μm非制冷长波红外波段；所述镜头在-40℃~+60℃的工作温度范围内，离焦量≤3μm；所述镜头光圈数f≤1.2；所述镜头通过镜筒将所有镜片按顺序同轴固定安装，所述镜筒内部设有光阑，光阑位置位于第二透镜s3面。

15、本实用新型的机理及有益效果在于：

16、（1）常规广角镜头由于入射角度较大像差较难校正，通常采用多片镜片数量来进行像差校正，而红外镜头镜片数量增加也会带来镜头整体透过率低的问题。本实用新型镜头采用四片玻璃进行设计，简化镜片数量,实现结构紧凑轻便，可以适配各类观察类产品。本实用新型采用非球面加衍射面结合设计的方式，全视场大小80°，水平视场64°，垂直视场53°，最大视场光学畸变-12%。可以解决目前市面上大部分非制冷长波红外镜头视场窄，畸变明显的问题；

17、（2）本实用新型采用四片镜片设计，使得镜头能够适配1280×1024@12μm大小的大面阵非制冷探测器及以下尺寸靶面，满足目前车载驾驶系统及工业安防监控系统对高分辨率的要求；

18、（3）本实用新型采用热膨胀系数较低的全硫系玻璃材料设计，满足无热化设计，在-40℃~+60℃工作温度范围内像质优良，离焦量≤3μm；

19、（4）本实用新型采用四片硫系玻璃材料设计，相较于常规基于锗、硒化锌材料设计的镜头，成本降低约30%；

20、（4）四片玻璃均为全硫系材料的统一性，可以大幅提高量产效率及有效降低成本；使用非球面和衍射面组合优化大视场像差；设计适配1280×1024@12μm大面阵探测器及以下尺寸大小的探测器；具有80°全视场角，其最大光学畸变-12%；满足工业安防监控、机载/车载环境中的景象匹配导航/图像融合、车载夜间辅助驾驶等产品高分辨率发展趋势，有广阔的市场前景。

1.一种基于全硫系玻璃的大面阵广角非制冷红外镜头，其特征在于：沿光轴方向从物方至探测器焦面分别设置有第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜，第一透镜为凸面朝向物方的弯月透镜，第二透镜为正透镜，第三透镜为负透镜，第四透镜为正透镜；

2.根据权利要求1所述的基于全硫系玻璃的大面阵广角非制冷红外镜头，其特征在于：

3.根据权利要求1所述的一种基于全硫系玻璃的大面阵广角非制冷红外镜头，其特征在于：

4.根据权利要求1所述的一种基于全硫系玻璃的大面阵广角非制冷红外镜头，其特征在于：

5.根据权利要求2所述的一种基于全硫系玻璃的大面阵广角非制冷红外镜头，其特征在于：

6.根据权利要求1所述的一种基于全硫系玻璃的大面阵广角非制冷红外镜头，其特征在于：

7.根据权利要求2所述的一种基于全硫系玻璃的大面阵广角非制冷红外镜头，其特征在于：

8.根据权利要求1~7任一项所述的一种基于全硫系玻璃的大面阵广角非制冷红外镜头，其特征在于：

9.根据权利要求1~7任一项所述的一种基于全硫系玻璃的大面阵广角非制冷红外镜头，其特征在于：

10.根据权利要求1~7任一项所述的一种基于全硫系玻璃的大面阵广角非制冷红外镜头，其特征在于：