一种大视场大相对孔径长波红外光学系统的制作方法

本实用新型涉及长波红外光学系统，特别涉及一种具有大相对孔径、大视场非制冷型定焦长波红外光学系统，属于光学技术领域。

背景技术：

由于长波红外非制冷焦平面探测器具有结构简单、可靠性高、稳定性强、成本低廉、重量轻便、体积较小等诸多优点，它被广泛应用于军品与民品中。红外光学玻璃材料的透过率普遍偏低、非制冷探测器光谱相应灵敏度偏低，所以红外波段光学系统要求具有尽可能大的相对孔径。随着国内金刚石单点车的引入使用以及加工技术的日益提高，衍射光学元件在红外光学系统中得到了广泛的应用。

在公布号为CN105487193A的《F19mm大相对孔径机械被动式无热化镜头及补偿调焦方法》专利申请中仅公布了一种焦距为19mm、F/#(光由无限远入射所形成的有效焦距F与近轴光线所对应的入瞳直径#的比值)数为1的长波红外定焦镜头；公布号为CN105467549A的《F5mm大相对孔径机械被动式无热化镜头及其补偿调节方法》专利申请中公布了一种焦距为5mm、F/#数为1的匹配384×288，17μm面阵的长波红外镜头，且其光学系统由四片透镜组成；公布号为CN106990517A的《一种大相对孔径长焦距非制冷红外无热化光学系统》专利申请中公布了一种焦距为500mm、F/#数为1的长波红外定焦镜头，但其光学系统采取了折返式系统的结构，且其除了采用了铝材料作为反射透镜之外，另采用了5片透镜组成光学系统；公布号为CN206960766U的《一种折衍混合大相对孔径无热化红外物镜》专利中公布了一种焦距为70mm、F/#数为1的长波红外定焦镜头，其采用了四片红外透镜的形式来完成；公布号为CN105116527A的《一种大相对孔径低畸变广角长红外折反射式光学系统》专利中公布了一种焦距为4.18mm、F/#数为0.86的长波广角定焦红外镜头，其采用了若干个弯月负透镜和反射式显微物镜组的形式构建完成了光学系统。

以上现有技术中，F/#数大部分为F/1，仅有一个可以达到F/0.86。且目前在光学系统搭建过程中普遍采用了四片及以上的透镜数量，虽然在通光孔径上达到了大相对孔径的优势，但是其过多的透镜数量却降低了光学系统的透过率，降低了红外镜头的整体成像质量。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种大视场大相对孔径长波红外光学系统，所述系统在增大了光学系统相对孔径的前提下，有效提高了光学系统的透过率，大大增强了系统的像面照度，提高了成像质量；且具有体积小、重量轻、结构简单和可靠性高的优点。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案如下。

一种大视场大相对孔径长波红外光学系统，所述系统包括具有正光焦度的第一透镜、具有负光焦度的第二透镜、具有正光焦度的第三透镜、焦平面保护玻璃和焦平面；平行光束依次通过第一透镜、第二透镜、第三透镜、焦平面保护玻璃，到达焦平面上成像；其中，第一透镜为硫系玻璃材料或锗材料，第二透镜为锗材料，第三透镜为硫系玻璃材料或锗材料，焦平面保护玻璃为锗材料。

进一步的，所述第一透镜第一表面为球面，第一透镜第二表面为非球面；所述第二透镜第一表面为非球面，第二透镜第二表面为球面；所述第三透镜第一表面为球面，第三透镜第二表面为非球面/衍射面；孔径光阑位于第一透镜第一表面上。

进一步的，所述第一透镜的焦距f1，第二透镜和第三透镜的总焦距f23，满足公式：0.2<f1/f23<1.0。当以上关系得到满足时，光学系统可获得大视场，且成像质量会得到显著提高。

进一步的，所述第一透镜的焦距f1，第二透镜的焦距f2，满足公式：0.02<f1/f2<0.56。当以上关系得到满足时，光学系统的第一透镜和第二透镜的光焦度分配更为适合，有利于获得的大视场光学系统且对系统的像差有良好的矫正效果。

进一步的，所述第二透镜的焦距f2，第三透镜的焦距f3，满足公式：0.25<f2/f3<2.2。当以上关系得到满足时，光学系统的第二透镜和第三透镜(3)的光焦度分配更为适合，有利于获得的大视场光学系统且对系统的像差有良好的矫正效果。

进一步的，所述第一透镜的焦距f1，第三透镜的焦距f3，满足公式：0.05<f1/f3<1.0。当以上关系得到满足时，具有正光焦度的第一透镜可达到最为有效的分配比例，在系统矫正轴外像差的过程中起到良好的作用。

进一步的，所述第一透镜和第二透镜的总焦距f12，第三透镜的焦距f3，满足公式：0.02<f12/f3<1.0。当以上关系得到满足时，光学系统的解像力将得到大幅度的提升。

进一步的，所述第一透镜的中心厚度thic1、沿着光轴方向第一透镜和第二透镜的光学间隔d1，满足公式：1.2<thic1/d1<3.6。当以上关系得到满足时，有利于透镜的装配，有效的提高了生产效率。

进一步的，所述第二透镜的中心厚度thic2、沿着光轴方向第一透镜和第二透镜的光学间隔d1，满足公式：0.2<d1/thic2<1.3。当以上关系得到满足时，有利于透镜的加工成型，有效的提高了生产效率。

进一步的，沿着光轴方向第一透镜和第二透镜的光学间隔d1、第二透镜和第三透镜的光学间隔d2，满足公式：5.9<d1/d2<9.0。当以上关系得到满足时，各个透镜之间的间隔更为合理，有利于镜头的装配，有效的提高成品率。

有益效果

本实用新型所述的一种大视场大相对孔径长波红外光学系统，37°＜视场角(FOV)＜74°，0.8≤F/#(Fno)≤1，其F/#最大可以达到F/0.8，视场角最大可以达到74°，且使用的透镜片数小于4片，在增大了光学系统相对孔径的前提下，有效提高了光学系统的透过率，大大增强了系统的像面照度，提高了成像质量。

附图说明

图1为本实用新型所述系统的结构示意图。

图2为本实用新型所述系统的成像原理示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。

所述一种大视场大相对孔径长波红外光学系统，包括具有正光焦度的第一透镜1、具有负光焦度的第二透镜2、具有正光焦度的第三透镜3、焦平面保护玻璃4和焦平面5，来自无穷远的平行光束依次通过第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、焦平面保护玻璃4，到达焦平面5上成像。其中，第一透镜1可采用硫系玻璃材料或锗材料、第二透镜2采用锗材料、第三透镜3可采用硫系玻璃材料或锗材料、焦平面保护玻璃4为锗材料。

第一透镜第一表面101为球面，第一透镜第二表面102为非球面；所述第二透镜第一表面201为非球面，第二透镜第二表面202为球面；所述第三透镜第一表面301为球面，第三透镜第二表面302为非球面/衍射面，此表面结构为本领域公知常识，即面型加工成非球面之后，在非球面之上加工一条一条的衍射环带从而达到衍射效果，非球面与衍射面同时存在，非球面用来矫正球差，衍射面用来矫正色差。

孔径光阑位于第一透镜第一表面101上。

在本实施例中：(1)工作波段：8μm～12μm；(2)探测器：长波红外非制冷焦平面探测器640×512，17μm；(3)光学系统总长：≤30mm。

当各透镜的曲率半径和厚度取不同值时，如表1所示，可实现系统的焦距f’最小为9mm，最大为20mm；视场角2ω最小为37.5°，最大为74.1°；相对孔径D/f最小为1/1，最大为1/0.8；

表1

系统的MTF结果表明光学系统在各视场的MTF＞0.5@30lp/mm。

系统的点列图结果表明光学系统在各个视场的弥散斑，均小于单个探测器表面像元大小。

综上所述，实用新型包括但不限于以上实施例，凡是在本实用新型的精神和原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本实用新型的保护范围之内。