CN106443981B - 一种大相对孔径制冷型红外光学镜头 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
技术领域
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
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。
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。
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。
《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。
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15μm，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
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。
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：
所述的第一常温红外透镜1为锗透镜。
所述的第二常温红外透镜2为硫化锌透镜。
所述的红外窗口3为锗窗口。
所述的低温红外透镜5为锗透镜。
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。
本发明的优点是：
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
图1为大相对孔径制冷型红外镜头光路结构图。其中：
1——常温红外透镜1；
2——常温红外透镜2；
3——红外窗口3；
4——低温冷屏4；
5——低温透镜5；
6——探测器光敏面6；
7——杜瓦腔体7。
图2为焦距30mmF#1.0大相对孔径长波红外镜头光学设计图。
图3为焦距30mmF#1.0大相对孔径长波红外镜头调制传递函数。
图4为焦距30mmF#0.9大相对孔径长波红外镜头光学设计图。
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
根据上述技术方案，设计了一套大相对孔径长波红外镜头。
具体光学参数包括：F#＝1.0，工作波段为8.0μm-12.5μm，口径30mm，焦距30mm，视场角±7.5°，光学结构如图2所示。
大相对孔径长波红外镜头镜片参数如下表：
| 表面 | 面型 | 曲率半径(mm) | 中心间隔(mm) | 尺寸(mm) | 材料 |
| 第一常温红外透镜1第一面 | 球面 | 54.588 | 4.0 | 直径53 | Ge |
| 第一常温红外透镜1第二面 | 球面 | 80.096 | 0.1 | 直径51 | - |
| 第二常温红外透镜2第一面 | 球面 | 18.639 | 5.494 | 直径53 | ZnS |
| 第二常温红外透镜2第二面 | 球面 | 13.411 | 22.0 | 直径51 | - |
| 红外窗口3第一面 | 平面 | 无穷大 | 1.0 | 15 | Ge |
| 红外窗口3第二面 | 平面 | 无穷大 | 3.02 | 15 | - |
| 低温冷屏4 | 平面 | 无穷大 | 11.184 | 12.2 | - |
| 低温透镜5第一面 | 球面 | 22.775 | 4.0 | 直径15 | Ge |
| 低温透镜5第二面 | 球面 | 48.409 | 5.748 | 直径15 | - |
| 探测器光敏面 | 平面 | 无穷大 | - | - |
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。
探测器光敏面采用256×256面阵碲镉汞红外探测器，像元尺寸大小为20μm×20μm，对应的奈奎斯特频率为25lp/mm。
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。
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：
具体光学参数包括：F#＝0.9，工作波段为8.0μm-12.5μm，口径33.3mm，焦距30mm，视场角±7.5°。
经优化设计，图像质量能接近衍射限，在空间频率50lp/mm时，静态传函不小于0.35，能够满足像元尺寸为10μm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。
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：
Claims (5)
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(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)，探测器光敏面(6)，低温杜瓦腔体(7)，其特征在于：
所述大相对孔径制冷型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；
所述第一常温红外透镜的第一面为双曲面，所述第一常温红外透镜的第一面的曲率半径为60.513毫米，所述第一常温红外透镜的第一面的圆锥系数为-1.028，所述第一常温红外透镜的第一面的直径尺寸为46.2毫米；所述第一常温红外透镜的第二面为双曲面，所述第一常温红外透镜的第二面的曲率半径为93.078毫米，所述第一常温红外透镜的第二面的圆锥系数为-3.999，所述第一常温红外透镜的第二面的直径尺寸为45.2毫米；
所述第二常温红外透镜的第一面为球面，所述第二常温红外透镜的第一面的曲率半径为18.733毫米，所述第二常温红外透镜的第一面的直径尺寸为35毫米；所述第二常温红外透镜的第二面为球面，所述第二常温红外透镜的第二面的曲率半径为16.747毫米，所述第二常温红外透镜的第二面的直径尺寸为32毫米；
所述低温红外透镜的第一面为扁球面，所述低温红外透镜的第一面的曲率半径为16.947毫米，所述低温红外透镜的第一面的圆锥系数为0.69，所述低温红外透镜的第一面的直径尺寸为15毫米；所述低温红外透镜的第二面为扁球面，所述低温红外透镜的第二面的曲率半径为19.281毫米，所述低温红外透镜的第二面的圆锥系数为3.87，所述低温红外透镜的第二面的直径尺寸为15毫米；
所述大相对孔径制冷型红外光学镜头的F#＝0.9，所述大相对孔径制冷型红外光学镜头的工作波段为8.0微米至12.5微米，所述大相对孔径制冷型红外光学镜头的焦距为30毫米。
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。
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