一種大相對孔徑制冷型紅外光學(xué)鏡頭的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種大相對孔徑制冷型紅外光學(xué)鏡頭，該發(fā)明采用三片紅外透鏡，其中第一片紅外透鏡和第二片紅外透鏡工作于常溫，第三片紅外透鏡置于系統(tǒng)光闌之后，集成于低溫杜瓦內(nèi)，工作于低溫。本發(fā)明提供的紅外光學(xué)鏡頭在實現(xiàn)大相對孔徑(F數(shù)不大于1.0)成像的同時，可實現(xiàn)光闌與制冷型探測器冷屏的良好匹配。本發(fā)明可用于對溫度靈敏度和響應(yīng)速度都有很高要求的應(yīng)用場合。
【專利說明】
一種大相對孔徑制冷型紅外光學(xué)鏡頭
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種大相對孔徑(F數(shù)不大于1.0)紅外光學(xué)鏡頭，具體涉及一種可與制 冷型探測器組件冷屏匹配的F數(shù)不大于1.0的紅外光學(xué)鏡頭。
【背景技術(shù)】
[0002] 紅外光學(xué)鏡頭的F數(shù)決定了紅外系統(tǒng)的能量收集能力，從而成為影響系統(tǒng)探測靈 敏度的關(guān)鍵因素之一。F數(shù)同時決定了系統(tǒng)的極限分辨能力，即衍射限。
[0003] 紅外探測系統(tǒng)根據(jù)探測器類型可以分為制冷型和非制冷型。非制冷型紅外光學(xué)鏡 頭由于不需要考慮冷屏匹配，F(xiàn)數(shù)一般都能設(shè)計到1.0,特殊設(shè)計甚至能到0.8左右。制冷型 紅外光學(xué)鏡頭由于需要將出瞳與探測器組件的杜瓦冷屏進(jìn)行匹配，限制了光學(xué)優(yōu)化參數(shù)，F(xiàn) 數(shù)通常只能做到2.0。在視場比較小的時候，經(jīng)過特殊設(shè)計，F(xiàn)數(shù)也能夠達(dá)到1.5。
[0004] 為了提高紅外系統(tǒng)的圖像解析度，紅外探測器的像元尺寸逐步縮小是一個技術(shù)趨 勢。在像元尺寸減小的情況下，減小系統(tǒng)的F數(shù)是確保探測靈敏度、響應(yīng)速度、圖像清晰度等 指標(biāo)不降低或有所提高的一個重要手段。
[0005] 《紅外技術(shù)》2015年第2期（37卷)公開了一種《大相對孔徑制冷型紅外相機(jī)鏡頭的 光學(xué)設(shè)計》，F(xiàn)數(shù)為1.5，該設(shè)計光學(xué)結(jié)構(gòu)較長，并且殘余幾何像差較大。
[0006] 本發(fā)明提出的紅外光學(xué)鏡頭的F數(shù)可以達(dá)到1.0甚至更小，可滿足像元尺寸15wii， 甚至更小像元尺寸的紅外光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用，可以應(yīng)用于對性能要求比較高的領(lǐng)域。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于提供一種F數(shù)不大于1.0的大相對孔徑紅外光學(xué)鏡頭，并且鏡頭 的光闌與制冷型探測器組件冷屏能夠良好匹配，以滿足部分特殊領(lǐng)域?qū)囟褥`敏度、響應(yīng) 速度等性能指標(biāo)的更高要求，本發(fā)明還為小像素紅外探測器的應(yīng)用提供了一種解決方案。
[0008] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種透射式大相對孔徑紅外成像光路，參見圖1，系 統(tǒng)光路包括第一常溫紅外透鏡1，第二常溫紅外透鏡2，紅外窗口 3，低溫冷屏4，低溫透鏡5， 探測器光敏面6，低溫杜瓦腔體7，其中：
[0009] 所述第一常溫紅外透鏡1，第二常溫紅外透鏡2,紅外窗口 3,低溫透鏡5構(gòu)成完善成 像光路，其中第一常溫紅外透鏡1，紅外窗口 3和低溫透鏡5的材料為鍺，第二常溫紅外透鏡2 的材料為硫化鋅；
[0010] 所述的第一常溫紅外透鏡1，第二常溫紅外透鏡2,低溫透鏡5表面均為凸凹透鏡， 即沿光線入射方向，第一面為凸面，第二面為凹面；
[0011] 所述的低溫冷屏4開口與上述完善成像光路的光闌匹配，實現(xiàn)雜散輻射的完全抑 制，低溫冷屏4與探測器光敏面6導(dǎo)熱安裝，一般由機(jī)械制冷機(jī)提供冷量，也可采用輻射制冷 或液氮制冷；
[0012] 所述的低溫透鏡5與低溫冷屏4固結(jié)安裝，均放置于真空低溫的杜瓦腔體7內(nèi)。
[0013] 本發(fā)明的優(yōu)點是：
[0014] 光路結(jié)構(gòu)緊湊，可實現(xiàn)大相對孔徑(F數(shù)不大于1.0)紅外成像，更好地滿足制冷型 探測器高靈敏度紅外探測需求。
【附圖說明】
[0015] 圖1為大相對孔徑制冷型紅外鏡頭光路結(jié)構(gòu)圖。其中：
[0016] 1--常溫紅外透鏡1;
[0017] 2一一常溫紅外透鏡2;
[0018] 3--紅外窗口 3;
[0019] 4--低溫冷屏4;
[0020] 5--低溫透鏡5;
[0021] 6一一探測器光敏面6;
[0022] 7--杜瓦腔體7。
[0023]圖2為焦距30mmF#1.0大相對孔徑長波紅外鏡頭光學(xué)設(shè)計圖。
[0024]圖3為焦距30mmF#l .0大相對孔徑長波紅外鏡頭調(diào)制傳遞函數(shù)。
[0025]圖4為焦距30mmF#0.9大相對孔徑長波紅外鏡頭光學(xué)設(shè)計圖。
[0026]圖5為焦距30mmF#0.9大相對孔徑長波紅外鏡頭調(diào)制傳遞函數(shù)。
【具體實施方式】
[0027]根據(jù)上述技術(shù)方案，設(shè)計了一套大相對孔徑長波紅外鏡頭。
[0028] 具體光學(xué)參數(shù)包括:F# = 1 ? 0，工作波段為8 ? Own-12 ? 5wn，口徑30mm，焦距30mm，視 場角±7.5°，光學(xué)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
[0029]大相對孔徑長波紅外鏡頭鏡片參數(shù)如下表：
[0031] 其中，低溫冷屏4,低溫透鏡5,探測器光敏面均位于杜瓦腔體7內(nèi)。
[0032] 探測器光敏面采用256 X 256面陣碲鎘汞紅外探測器，像元尺寸大小為20wii X 20y m，對應(yīng)的奈奎斯特頻率為251p/mm。
[0033] 經(jīng)光學(xué)軟件優(yōu)化設(shè)計后，像質(zhì)優(yōu)良，靜態(tài)傳遞函數(shù)優(yōu)于0.5,參見附圖3。
[0034] 根據(jù)上述技術(shù)方案，將第一常溫紅外透鏡1和低溫紅外透鏡5的表面優(yōu)化為標(biāo)準(zhǔn)二 次圓錐曲面，上述光學(xué)系統(tǒng)的性能可以進(jìn)一步提升，主要參數(shù)如下：
[0035] 具體光學(xué)參數(shù)包括:F# = 0.9,工作波段為8. Own-12.5_，口徑33.3mm，焦距30mm， 視場角±7.5°。
[0036]經(jīng)優(yōu)化設(shè)計，圖像質(zhì)量能接近衍射限，在空間頻率501p/mm時，靜態(tài)傳函不小于 0.35,能夠滿足像元尺寸為lOwii的長波面陣角平面成像。盡管引入了 4個非球面表面，加工 難度略有提高，但可用現(xiàn)在已經(jīng)很成熟的金剛石點車工藝加工，完全可以實現(xiàn)。
[0037]對應(yīng)的光學(xué)設(shè)計如圖4所示，靜態(tài)傳遞函數(shù)如圖5所示，鏡頭鏡片參數(shù)如下表：
【主權(quán)項】
1. 一種大相對孔徑制冷型紅外光學(xué)鏡頭，包括第一常溫紅外透鏡（I)，第二常溫紅外透 鏡（2)，紅外窗口（3)，低溫冷屏（4)，低溫紅外透鏡（5)，探測器光敏面（6)，低溫杜瓦腔體 (7)，其特征在于： 所述大相對孔徑紅外光學(xué)鏡頭的來自物方的成像光束依次經(jīng)過第一常溫紅外透鏡 (1)，第二常溫紅外透鏡（2)，紅外窗口（3)，低溫冷屏(4)，低溫紅外透鏡(5)，最后成像于探 測器光敏面(6);系統(tǒng)的相對孔徑數(shù)F不大于1; 所述的低溫紅外透鏡(5)和低溫冷屏(4)均置于低溫杜瓦腔體(7)之內(nèi)，且低溫冷屏(4) 的開口與大相對孔徑紅外成像光路的光闌相匹配，實現(xiàn)雜散輻射的良好抑制。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大相對孔徑制冷型紅外光學(xué)鏡頭，其特征在于:所述的第 一常溫紅外透鏡（1)為鍺透鏡。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大相對孔徑制冷型紅外光學(xué)鏡頭，其特征在于:所述的第 二常溫紅外透鏡(2)為硫化鋅透鏡。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大相對孔徑制冷型紅外光學(xué)鏡頭，其特征在于:所述的紅 外窗口（3)為鍺窗口。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大相對孔徑制冷型紅外光學(xué)鏡頭，其特征在于:所述的低 溫紅外透鏡(5)為鍺透鏡。
【文檔編號】G02B13/14GK105911676SQ201610406766
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年6月12日
【發(fā)明人】王躍明, 王建宇, 舒嶸, 袁立銀, 王晟瑋, 何道剛, 郁亞男
【申請人】中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所