一种大相对孔径制冷型红外光学镜头的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种大相对孔径制冷型红外光学镜头，该发明采用三片红外透镜，其中第一片红外透镜和第二片红外透镜工作于常温，第三片红外透镜置于系统光阑之后，集成于低温杜瓦内，工作于低温。本发明提供的红外光学镜头在实现大相对孔径(F数不大于1.0)成像的同时，可实现光阑与制冷型探测器冷屏的良好匹配。本发明可用于对温度灵敏度和响应速度都有很高要求的应用场合。
【专利说明】
一种大相对孔径制冷型红外光学镜头
技术领域
[0001] 本发明涉及一种大相对孔径(F数不大于1.0)红外光学镜头，具体涉及一种可与制 冷型探测器组件冷屏匹配的F数不大于1.0的红外光学镜头。
【背景技术】
[0002] 红外光学镜头的F数决定了红外系统的能量收集能力，从而成为影响系统探测灵 敏度的关键因素之一。F数同时决定了系统的极限分辨能力，即衍射限。
[0003] 红外探测系统根据探测器类型可以分为制冷型和非制冷型。非制冷型红外光学镜 头由于不需要考虑冷屏匹配，F数一般都能设计到1.0,特殊设计甚至能到0.8左右。制冷型 红外光学镜头由于需要将出瞳与探测器组件的杜瓦冷屏进行匹配，限制了光学优化参数，F 数通常只能做到2.0。在视场比较小的时候，经过特殊设计，F数也能够达到1.5。
[0004] 为了提高红外系统的图像解析度，红外探测器的像元尺寸逐步缩小是一个技术趋 势。在像元尺寸减小的情况下，减小系统的F数是确保探测灵敏度、响应速度、图像清晰度等 指标不降低或有所提高的一个重要手段。
[0005] 《红外技术》2015年第2期（37卷)公开了一种《大相对孔径制冷型红外相机镜头的 光学设计》，F数为1.5，该设计光学结构较长，并且残余几何像差较大。
[0006] 本发明提出的红外光学镜头的F数可以达到1.0甚至更小，可满足像元尺寸15wii， 甚至更小像元尺寸的红外光学系统应用，可以应用于对性能要求比较高的领域。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提供一种F数不大于1.0的大相对孔径红外光学镜头，并且镜头 的光阑与制冷型探测器组件冷屏能够良好匹配，以满足部分特殊领域对温度灵敏度、响应 速度等性能指标的更高要求，本发明还为小像素红外探测器的应用提供了一种解决方案。
[0008] 本发明所采用的技术方案是:一种透射式大相对孔径红外成像光路，参见图1，系 统光路包括第一常温红外透镜1，第二常温红外透镜2，红外窗口 3，低温冷屏4，低温透镜5， 探测器光敏面6，低温杜瓦腔体7，其中：
[0009] 所述第一常温红外透镜1，第二常温红外透镜2,红外窗口 3,低温透镜5构成完善成 像光路，其中第一常温红外透镜1，红外窗口 3和低温透镜5的材料为锗，第二常温红外透镜2 的材料为硫化锌；
[0010] 所述的第一常温红外透镜1，第二常温红外透镜2,低温透镜5表面均为凸凹透镜， 即沿光线入射方向，第一面为凸面，第二面为凹面；
[0011] 所述的低温冷屏4开口与上述完善成像光路的光阑匹配，实现杂散辐射的完全抑 制，低温冷屏4与探测器光敏面6导热安装，一般由机械制冷机提供冷量，也可采用辐射制冷 或液氮制冷；
[0012] 所述的低温透镜5与低温冷屏4固结安装，均放置于真空低温的杜瓦腔体7内。
[0013] 本发明的优点是：
[0014] 光路结构紧凑，可实现大相对孔径(F数不大于1.0)红外成像，更好地满足制冷型 探测器高灵敏度红外探测需求。
【附图说明】
[0015] 图1为大相对孔径制冷型红外镜头光路结构图。其中：
[0016] 1--常温红外透镜1;
[0017] 2一一常温红外透镜2;
[0018] 3--红外窗口 3;
[0019] 4--低温冷屏4;
[0020] 5--低温透镜5;
[0021] 6一一探测器光敏面6;
[0022] 7--杜瓦腔体7。
[0023]图2为焦距30mmF#1.0大相对孔径长波红外镜头光学设计图。
[0024]图3为焦距30mmF#l .0大相对孔径长波红外镜头调制传递函数。
[0025]图4为焦距30mmF#0.9大相对孔径长波红外镜头光学设计图。
[0026]图5为焦距30mmF#0.9大相对孔径长波红外镜头调制传递函数。
【具体实施方式】
[0027]根据上述技术方案，设计了一套大相对孔径长波红外镜头。
[0028] 具体光学参数包括:F# = 1 ? 0，工作波段为8 ? Own-12 ? 5wn，口径30mm，焦距30mm，视 场角±7.5°，光学结构如图2所示。
[0029]大相对孔径长波红外镜头镜片参数如下表：
[0031] 其中，低温冷屏4,低温透镜5,探测器光敏面均位于杜瓦腔体7内。
[0032] 探测器光敏面采用256 X 256面阵碲镉汞红外探测器，像元尺寸大小为20wii X 20y m，对应的奈奎斯特频率为251p/mm。
[0033] 经光学软件优化设计后，像质优良，静态传递函数优于0.5,参见附图3。
[0034] 根据上述技术方案，将第一常温红外透镜1和低温红外透镜5的表面优化为标准二 次圆锥曲面，上述光学系统的性能可以进一步提升，主要参数如下：
[0035] 具体光学参数包括:F# = 0.9,工作波段为8. Own-12.5_，口径33.3mm，焦距30mm， 视场角±7.5°。
[0036]经优化设计，图像质量能接近衍射限，在空间频率501p/mm时，静态传函不小于 0.35,能够满足像元尺寸为lOwii的长波面阵角平面成像。尽管引入了 4个非球面表面，加工 难度略有提高，但可用现在已经很成熟的金刚石点车工艺加工，完全可以实现。
[0037]对应的光学设计如图4所示，静态传递函数如图5所示，镜头镜片参数如下表：
【主权项】
1. 一种大相对孔径制冷型红外光学镜头，包括第一常温红外透镜（I)，第二常温红外透 镜（2)，红外窗口（3)，低温冷屏（4)，低温红外透镜（5)，探测器光敏面（6)，低温杜瓦腔体 (7)，其特征在于： 所述大相对孔径红外光学镜头的来自物方的成像光束依次经过第一常温红外透镜 (1)，第二常温红外透镜（2)，红外窗口（3)，低温冷屏(4)，低温红外透镜(5)，最后成像于探 测器光敏面(6);系统的相对孔径数F不大于1; 所述的低温红外透镜(5)和低温冷屏(4)均置于低温杜瓦腔体(7)之内，且低温冷屏(4) 的开口与大相对孔径红外成像光路的光阑相匹配，实现杂散辐射的良好抑制。2. 根据权利要求1所述的一种大相对孔径制冷型红外光学镜头，其特征在于:所述的第 一常温红外透镜（1)为锗透镜。3. 根据权利要求1所述的一种大相对孔径制冷型红外光学镜头，其特征在于:所述的第 二常温红外透镜(2)为硫化锌透镜。4. 根据权利要求1所述的一种大相对孔径制冷型红外光学镜头，其特征在于:所述的红 外窗口（3)为锗窗口。5. 根据权利要求1所述的一种大相对孔径制冷型红外光学镜头，其特征在于:所述的低 温红外透镜(5)为锗透镜。
【文档编号】G02B13/14GK105911676SQ201610406766
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年6月12日
【发明人】王跃明, 王建宇, 舒嵘, 袁立银, 王晟玮, 何道刚, 郁亚男
【申请人】中国科学院上海技术物理研究所