红外显微镜头及成像装置的制作方法

本申请属于光学镜头，具体涉及一种红外显微镜头及成像装置。

背景技术：

1、在光学成像系统中，中继成像镜头（relay imaging lens）常用于将前方光学模块（如显微镜物镜、望远物镜或前级成像组）所形成的一次实像，按照一定倍率再次成像至后级探测器或目视系统，实现像面位置转换、尺寸缩放及光瞳匹配。

2、在红外显微镜、半导体检测、弱光信号采集等应用中，常常面临以下技术矛盾：一方面，前级物镜为获得高分辨率或大数值孔径（na），其成像视场通常设计得较大，一次像面的尺寸可达数毫米甚至数十毫米；另一方面，后级红外探测器（如制冷型insb或mct焦平面阵列）的感光靶面尺寸往往很小，典型对角线尺寸仅为1mm至2mm。若将前级形成的大尺寸一次实像直接投射到小靶面探测器上，将导致大部分光能损失、有效视场严重减小，无法实现完整样品区域的同步成像。

3、为解决这一问题，传统做法是更换不同倍率的前级物镜或牺牲分辨率来调整视场，但这会增加系统复杂度和成本，且难以同时满足大视场、高分辨率和探测器靶面匹配的要求。另一种方法是在一次像面与探测器之间加入固定倍率的成像透镜组，即中继镜头。然而，通用市售中继镜头通常放大倍率在1×或更高，用于1×以下的放大倍率时，往往存在像差校正困难、远心性不足、后工作距过短导致无法安装探测器窗口或制冷结构等问题。

4、此外，红外波段（尤其是中波红外3~5μm或长波红外8~12μm）的衍射极限较高，透镜材料选择受限（如硅、锗、硫系玻璃等），且色散特性差异大，使得在宽波段范围内实现中继成像并同时控制球差、彗差、场曲及畸变变得更加困难。

5、因此，亟需一种专门设计且具有小于1×放大倍率的中继镜头，能够将前级光学系统形成的大尺寸一次实像高效地缩小成像至小靶面红外探测器上，同时保持良好的像差校正，以提升系统光能利用率和成像一致性。

技术实现思路

1、基于此，有必要提供一种具有小于1×放大倍率，能够将前级光学系统形成的大尺寸一次实像高效地缩小成像至小靶面红外探测器上，同时保持良好的像差校正的红外显微镜头及成像装置。

2、本申请提出的技术方案为：

3、一种红外显微镜头，放大倍率β满足：0.11≤β≤0.15，物方线视场2y满足：75mm≤2y≤80mm，工作波段为8~12μm，所述红外显微镜头由沿光轴方向依次设置的第一透镜、第二透镜及第三透镜构成，所述第一透镜为凸面朝向的物侧的弯月正透镜，所述第二透镜为凸面朝向物侧的弯月负透镜，所述第三透镜为双凸正透镜；

4、其中，所述第一透镜和所述第二透镜的空气间隔为4.54mm，所述第二透镜和所述第三透镜的空气间隔为7.81mm。

5、进一步地，所述第一透镜的中心厚度为6mm，物侧面的曲率半径为19.39mm，像侧面的曲率半径为45.335mm；所述第二透镜的中心厚度为2mm，物侧面的曲率半径为31.161mm，像侧面的曲率半径为10.069；所述第三透镜的中心厚度为4.7mm，物侧面的曲率半径为37mm，像侧面的曲率半径为-79.565mm。

6、进一步地，所述红外显微镜头的数值孔径na满足：0.05≤na≤0.08，物方工作距wd满足：199mm≤wd≤201mm，水平方向视场角hfov满足：16°≤hfov≤18°，垂直方向视场角满足：13°≤vfov≤14°。

7、进一步地，所有透镜的材质均为硫系玻璃。

8、进一步地，所述第一透镜的像侧面、所述第二透镜的物侧面以及所述第三透镜的像侧面均为非球面，并满足非球面公式：

9、

10、其中，z为非球面沿光轴方向在高度r的位置时，距非球面顶点的距离矢高；c=1/r；r为镜面的近轴曲率拟合半径；k为圆锥系数；a、b、c、d、e为高次非球面系数。

11、一种成像装置，包括所述的红外显微镜头以及能够接收所述红外显微镜头所成像的探测器。

12、进一步地，所述探测器的分辨率为640×512，像元大小为12μm。

13、进一步地，所述成像装置的光学总长为35.11mm，后截距为10.06。

14、综上所述，本申请公开一种成像装置，包括红外显微镜头以及能够接收该红外显微镜头所成像的探测器。红外显微镜头的f数为1.0，工作波段为8~12μm，工作温度为-40℃~+80℃。该红外显微镜头的放大倍率β满足：0.11≤β≤0.15，物方线视场2y满足：75mm≤2y≤80mm，数值孔径na满足：0.05≤na≤0.08，物方工作距wd满足：199mm≤wd≤201mm，水平方向视场角hfov满足：16°≤hfov≤18°，垂直方向视场角满足：13°≤vfov≤14°。探测器为非制冷型红外探测器，分辨率为640×512，像元大小为12μm。该红外显微镜头仅利用3片透镜，实现将前级光学系统形成的大尺寸一次实像高效地缩小成像至小靶面红外探测器上，结构简单紧凑，制作成本较低。同时，该红外显微镜头具有良好的像差校正，成像清晰度一致性较高，且在工作温度范围内，成像质量稳定，具有优异的消热差能力。

1.一种红外显微镜头，其特征在于，放大倍率β满足：0.11≤β≤0.15，物方线视场2y满足：75mm≤2y≤80mm，工作波段为8~12μm，所述红外显微镜头由沿光轴方向依次设置的第一透镜、第二透镜及第三透镜构成，所述第一透镜为凸面朝向的物侧的弯月正透镜，所述第二透镜为凸面朝向物侧的弯月负透镜，所述第三透镜为双凸正透镜；

2.根据权利要求1所述的红外显微镜头，其特征在于，所述第一透镜的中心厚度为6mm，物侧面的曲率半径为19.39mm，像侧面的曲率半径为45.335mm；所述第二透镜的中心厚度为2mm，物侧面的曲率半径为31.161mm，像侧面的曲率半径为10.069；所述第三透镜的中心厚度为4.7mm，物侧面的曲率半径为37mm，像侧面的曲率半径为-79.565mm。

3.根据权利要求1所述的红外显微镜头，其特征在于，所述红外显微镜头的数值孔径na满足：0.05≤na≤0.08，物方工作距wd满足：199mm≤wd≤201mm，水平方向视场角hfov满足：16°≤hfov≤18°，垂直方向视场角满足：13°≤vfov≤14°。

4.根据权利要求1所述的红外显微镜头，其特征在于，所有透镜的材质均为硫系玻璃。

5.根据权利要求1所述的红外显微镜头，其特征在于，所述第一透镜的像侧面、所述第二透镜的物侧面以及所述第三透镜的像侧面均为非球面，并满足非球面公式：

6.一种成像装置，其特征在于，包括权利要求1-5任一项所述的红外显微镜头以及能够接收所述红外显微镜头所成像的探测器。

7.根据权利要求6所述的成像装置，其特征在于，所述探测器的分辨率为640×512，像元大小为12μm。

8.根据权利要求6所述的成像装置，其特征在于，所述成像装置的光学总长为35.11mm，后截距为10.06。