本專利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)：
：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。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)也能夠達到1.5。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?！都t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。本專利提出的紅外光學(xué)鏡頭的F數(shù)可以達到1.0甚至更小，可滿足像元尺寸15μm，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。技術(shù)實現(xiàn)要素：本專利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。本專利所采用的技術(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：所述的第一常溫紅外透鏡1為鍺透鏡。所述的第二常溫紅外透鏡2為硫化鋅透鏡。所述的紅外窗口3為鍺窗口。所述的低溫紅外透鏡5為鍺透鏡。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。本專利的優(yōu)點是：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。附圖說明圖1為大相對孔徑制冷型紅外鏡頭光路結(jié)構(gòu)圖。其中：1——常溫紅外透鏡1；2——常溫紅外透鏡2；3——紅外窗口3；4——低溫冷屏4；5——低溫透鏡5；6——探測器光敏面6；7——杜瓦腔體7。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。圖3為焦距30mmF#1.0大相對孔徑長波紅外鏡頭調(diào)制傳遞函數(shù)。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。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。具體光學(xué)參數(shù)包括：F#＝1.0，工作波段為8.0μm-12.5μm，口徑30mm，焦距30mm，視場角±7.5°，光學(xué)結(jié)構(gòu)如圖2所示。大相對孔徑長波紅外鏡頭鏡片參數(shù)如下表：表面面型曲率半徑(mm)中心間隔(mm)尺寸(mm)材料第一常溫紅外透鏡1第一面球面54.5884.0直徑53Ge第一常溫紅外透鏡1第二面球面80.0960.1直徑51-第二常溫紅外透鏡2第一面球面18.6395.494直徑53ZnS第二常溫紅外透鏡2第二面球面13.41122.0直徑51-紅外窗口3第一面平面無窮大1.015Ge紅外窗口3第二面平面無窮大3.0215-低溫冷屏4平面無窮大11.18412.2-低溫透鏡5第一面球面22.7754.0直徑15Ge低溫透鏡5第二面球面48.4095.748直徑15-探測器光敏面平面無窮大--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)。探測器光敏面采用256×256面陣碲鎘汞紅外探測器，像元尺寸大小為20μm×20μm，對應(yīng)的奈奎斯特頻率為25lp/mm。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。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)的性能可以進一步提升，主要參數(shù)如下：具體光學(xué)參數(shù)包括：F#＝0.9，工作波段為8.0μm-12.5μm，口徑33.3mm，焦距30mm，視場角±7.5°。經(jīng)優(yōu)化設(shè)計，圖像質(zhì)量能接近衍射限，在空間頻率50lp/mm時，靜態(tài)傳函不小于0.35，能夠滿足像元尺寸為10μm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)。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：當(dāng)前第1頁1 2 3