红外镜头是热成像光学链路中的第一个元件，其材料、焦距、口径与镀膜直接决定了系统的空间分辨率与辐射度量能力。本文解析红外光学材料体系、关键光学参数、无热化设计与波段匹配，并梳理国产红外镜头与光学材料的供应链格局，以及锗价波动下硫系模压的无锗化趋势。
红外镜头把 1–14 μm 辐射会聚到焦平面上。和可见光镜头比，差别在材料、能量来源和衍射尺度。
材料。普通硼硅玻璃和冕牌玻璃在约 2.5 μm 以上强烈吸收，中长波要用锗、硅、硫系玻璃、硫化锌或硒化锌。能量来源。热成像收的是目标自身辐射。到达焦平面的辐照度正比于透过率，反比于 F 数的平方；入瞳直径是在焦距和视场已经定下来之后才被 F 数决定的，不能单独说“口径越大越灵敏”。衍射。波长约为可见光的 2～20 倍，艾里斑按同样倍数变大。面形公差若以波长计（例如 λ/10），绝对长度以微米计反而比可见光宽松。长波 f/1 镜头紧的是另一件事：非球面偏离量大、装调敏感，12 μm 像元的奈奎斯特频率又落在衍射 MTF 的下降段，面形和间隔误差会直接吃掉剩余的 MTF。
材料选择是红外镜头设计中最关键的决策。每种材料只在特定波段透明，需在透射范围、折射率、热光系数、可加工性、密度与成本之间权衡。图 1 给出常用红外材料的透射波段与三个大气窗口的对应关系，表 1 列出其关键参数。
锗（Ge）是 8–14μm 长波红外镜头的主流材料，10μm 处折射率约 4.0，高折射率允许单元件或双元件的紧凑设计。其短板在于热光系数大（dn/dT ≈ +396×10⁻⁶/K），折射率随温度剧烈变化，这正是无热化设计的根本驱动；同时锗在约 2μm 以下不透明，密度达 5.32 g/cm³，重量与成本均偏高。
硅（Si）在 1.2–7μm 透过良好，4μm 处折射率约 3.42，成本低于锗、硬度更高、金刚石车削加工性更好，常用于中波红外多元件系统中的宽视场校正元件。硫系玻璃是硫族元素（S、Se、Te）与 As、Ge、Ga 等结合形成的非晶材料，透射约 1–12μm、折射率 2.4–2.8，略低于锗；其核心优势是可采用精密模压成型，适合大批量、低成本生产，且 dn/dT 小于锗，在成本敏感型长波设计中占比持续上升。
硫化锌（ZnS，0.4–14μm）与硒化锌（ZnSe，0.6–18μm）覆盖波段宽，其中 ZnSe 是常见红外材料中光谱覆盖最宽者之一，但折射率较低（10μm 约 2.4）、表面抗机械损伤能力较弱；ZnS 则常与锗配合，用于光学无热化。砷化镓（GaAs，0.9–17μm）多用于宽波段与高功率场景。短波红外（SWIR）主要使用蓝宝石（0.15–5.5μm）与熔融石英（0.2–3.5μm）。
| 材料 | 透射波段 | 折射率（典型） | 热光系数 dn/dT | 加工方式 | 密度 | 典型应用 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 锗 Ge | 2–14 μm | ~4.0 @10μm | 大（≈ +396×10⁻⁶/K） | 金刚石车削、研磨抛光 | 5.32 g/cm³ | LWIR 主流，紧凑设计 |
| 硅 Si | 1.2–7 μm | ~3.42 @4μm | 中 | 金刚石车削 | 2.33 g/cm³ | MWIR 校正元件 |
| 硫系玻璃 | ~1–12 μm | 2.4–2.8 | 小 | 精密模压（可批量） | ~4.4 g/cm³ | LWIR 成本敏感 / 大批量 |
| 硫化锌 ZnS | 0.4–14 μm | ~2.2 @10μm | 较小 | CVD 成型、研磨 | ~4.1 g/cm³ | 宽波段窗口，无热化配锗 |
| 硒化锌 ZnSe | 0.6–18 μm | ~2.4 @10μm | 中 | CVD 成型、研磨 | ~5.3 g/cm³ | 宽波段高透、CO₂ 激光 |
| 砷化镓 GaAs | 0.9–17 μm | ~3.3 | 中 | 晶体加工 | ~5.3 g/cm³ | 宽波段、高功率 |
| 蓝宝石 | 0.15–5.5 μm | ~1.75 @1.5μm | 小 | 晶体加工、抛光 | ~4.0 g/cm³ | SWIR 窗口，高硬度 |
| 熔融石英 | 0.2–3.5 μm | ~1.45 | 极小 | 研磨抛光 | ~2.2 g/cm³ | SWIR / 近红外 |
红外镜头的规格由有效焦距（EFL）、F 数与视场角（FOV）三者主导。F 数定义为 F/# = EFL / D，其中 D 为入瞳直径。F 数越小、口径越大，单位像元接收的辐射通量越多，信噪比越高、NETD 越低。非制冷微测辐射热计通常需要 f/1.0–f/1.2 的镜头，以补偿其相对较高的噪声本底；制冷型光子探测器由于固有噪声等效功率低数个量级，可接受 f/2.0–f/4.0 的较大 F 数。
水平视场角由像元间距 p、阵列规模 N 与焦距共同决定：FOV_H = 2 · arctan( N · p / (2 · EFL) )。以 12μm 像元、640×512 阵列为例，配 19mm 镜头时水平视场角约 23°；焦距加倍至 38mm，视场角收窄到约 11.5°。合理的选型顺序是先依据应用确定视场角，再确定焦距——因为焦距进一步决定了与模组的机械接口，以及达到灵敏度目标所需的入瞳直径。
成像质量用调制传递函数（MTF）评价，空间频率上限是焦平面的奈奎斯特频率 1/(2p)。12 μm 探测器在奈奎斯特频率处，整机 MTF 到 0.3–0.4 可以满足多数监控和检测；纯衍射极限在 f/1.0 大约是 0.49（λ = 10 μm，圆瞳公式），留给设计和装调的余量并不宽。测量可按 ISO 15529。畸变低于 2% 时，监控画面通常不再做几何校正；对角视场超过 60° 时，5%–10% 的畸变要在图像处理里补。色差仍然有轴向和横向两种。大气窗口相对材料色散够宽，一般要用两到三种材料、镜片之间留空气间隔，校正工作波段内的色焦移。红外镜头很少胶合：胶层在宽温和 8–14 μm 下的透过与热应力都不合适。
野外部署的红外镜头必须在宽温度范围内保持焦点：国防级系统通常要求 −40℃～+71℃，商用 OEM 产品通常要求 −20℃～+60℃。所有光学材料的折射率与镜筒的物理尺寸都会随温度变化，对锗基长波镜头，±20℃ 的温漂导致的后焦漂移就可能超过 FPA 的焦深，因此无热化（athermalization）几乎是野外系统的必选项。按实现方式可分为三条技术路线。
探测器 FPA 的光谱波段决定了兼容的镜头材料、增透膜与整体性能边界，三个波段之间不可互换——为某一波段设计的镜头在另一波段中性能会显著劣化甚至失效。长波红外（LWIR，8–14μm）使用锗或硫系玻璃镜头，增透膜针对 8–12μm 大气窗口优化。中波红外（MWIR，3–5μm）通常使用硅或锗镜头，并配蓝宝石杜瓦窗口；制冷系统对镜头匹配不当引入的背景辐射尤为敏感，需核验冷光阑效率（镜头出瞳成像到冷光阑的面积比），以避免背景限制导致的性能下降。短波红外（SWIR，0.9–1.7μm）使用近红外优化的熔融石英或蓝宝石镜头，其材料与镀膜设计与 LWIR、MWIR 完全不同。
在机载与无人机平台，载荷体积与重量受到严格约束，材料密度成为不可忽略的次要指标：锗的密度为 5.32 g/cm³，明显高于硫系玻璃的约 4.4 g/cm³，这一差异在大入瞳直径应用中尤为显著，也是硫系玻璃在轻量化载荷中受重视的原因之一。
国内已形成从红外光学材料到镜片加工、镜头装调的较完整产业链，并在中国国际光电博览会（CIOE）等平台上集中呈现。第 27 届 CIOE 将于 2026 年 9 月 9–11 日在深圳国际会展中心举办，其红外技术及应用展是亚太地区较具影响力的红外专业展，展示范围明确涵盖红外光学材料（锗、硅、硒化锌、砷化镓等晶体，硫系玻璃与滤光片）与红外模组（红外镜头、红外手动镜头、红外电动镜头），是观察国产红外镜头与材料供应链的窗口。其官方知名展商名单中，红外技术及应用展收录了光智科技、兆晟科技、中锗科技、昆明全波红外、有研国晶辉等，精密光学展与摄像头技术及应用展收录了凤凰光学、舜宇光学、福光股份等，名单叠加官方展商查询系统即可还原镜头供应商的主要版图。表 2 依据公开资料整理了产业链各环节的代表性厂商，厂商名称均链接至其官方网站。
| 厂商 | 环节定位 | 材料 / 产品 | 波段 / 特点 |
|---|---|---|---|
| 云南锗业 | 上游材料：锗矿开采—精深加工 | 红外级锗单晶及毛坯、锗镜片 / 镜头、光学系统 | 国内锗产业链较完整企业之一，Ge 光学元件 |
| 中锗科技 | 红外光学与半导体材料及元器件 | 以锗晶体为基础的红外光学材料及相关元器件 | 南京；CIOE 2026 红外展展商 |
| 有研国晶辉（中国有研） | 红外光学材料 + 镜片 / 镜头 | CVD 硫化锌、CVD 硒化锌、锗 / 硅晶体、硫系玻璃，及定制精密镜片、红外成像镜头 | 材料到镜头，覆盖安防 / 车载 / 热成像；链接为母公司有研新材官网 |
| 宁波舜宇红外 | 镜片 + 镜头一站式（舜宇光电子公司，2006 年） | 安防 / 测温 / 车载 / 户外热成像镜头；无热化、手动、电动、双视场、大变倍比变焦 | LWIR 为主，变倍可达 30×；如 13mm/1.0、25–100mm f/1.0 |
| 光智科技 | 材料到系统全产业链 | 锗、硒化锌、硫化锌、硫系玻璃；600 余款镜头（定焦 / 消热差 / 手动电动调焦 / 红外显微）+ 探测器、热像仪 | 红外光学与高性能铝合金材料两大主业 |
| 福光股份 | 全光谱镜头 + 光电系统 | 紫外 / 可见 / 近红外 / 中长波红外；定制（特种、航天）+ 非定制（车载、安防） | 短 / 中 / 长波红外探测系列镜头，非球面 + 红外校正 |
| 凤凰光学 | 光学镜头与光电模组 | 红外镜头（含电动聚焦）、机器视觉、ITS、车载镜头 | 老牌光学国企平台，CIOE 精密光学展展商 |
| 华国光学 | 全波段镜头定制 | 远红外热像镜头、瞄具物镜 / 目镜、微光镜头、工业 / 医疗 / 紫外镜头 | 今国光学（台资）1992 年佛山设立，近年向热成像专业镜头转型 |
| 波长光电 | 激光光学 + 红外光学元件 / 镜头 | 硫系玻璃精密模压、无锗红外光学家器件 | MWIR / LWIR，以硫系替代锗实现降本 |
| 弘景光电 | 光学镜头与光电模组 | 红外镜头及模组（车载 / 智能交通等精密光学主业） | 正推进红外镜头研发及产业化项目 |
| 昆明全波红外 | 窗口 / 透镜 / 镜头的设计-加工-装调-测试 | 硫系玻璃真空熔制（原料纯度 99.9999%）+ 球面 / 非球面精密模压 + 镀膜装配 | 硫系模压红外镜头；CIOE 2026 红外展 8 号馆 8C71 |
| 兆晟科技 | 机芯 + 镜头 + 整机 | 红外热成像机芯、组件、镜头、镜片（国内量产无挡片红外机芯企业之一） | 红外整体解决方案 |
| 美景光学 | 近红外 / 微光镜头与滤光片 | 夜视仪镜头（近红外焦面偏移补偿）、双通道红外滤光片（IR-CUT） | 面向近红外与安防监控，非 LWIR 热成像镜头供应商 |
需要说明的是，表 2 为基于公开资料整理的代表性厂商，不构成完整名录或排名；材料端与镜头端往往存在交叉（如云南锗业由锗材料延伸至镜头，光智科技由材料延伸至探测器与热像仪，有研国晶辉由材料延伸至成像镜头）。个别企业未设独立官网，链接指向其母公司站点。各厂商业务口径以官网与定期报告为准，具体选型应以 datasheet 在标注测试条件下的实测参数为准。
锗长期是长波镜头的主材料。2023 年起锗的出口与供应收紧，2024 年以后价格维持高位，民用项目开始认真比较替代材料。硫系玻璃可以精密模压，dn/dT 小于锗，模具直接成型，省掉大部分研磨抛光的材料损耗，适合安防、车载和工业视觉的批量定焦。折射率只有 2.4–2.8。非制冷系统没有冷光阑，替换材料时要比的是同一 F 数下的镜片数、透过率、杂散光和 MTF，不是制冷机芯那套冷光阑效率。折射率下降后，同样的光焦度通常要更多镜片，镀膜损耗和装调误差一起上来。锗和硫系的成本交叉点取决于年产量和 MTF 指标。
从产业格局看，法国 Umicore 较早同时掌握硫系玻璃制备与精密模压技术；国内宁波舜宇红外、昆明全波红外、波长光电等也已建立硫系玻璃精密模压能力，国产硫系红外镜头正处于加速规模化阶段。对整机与模组厂商而言，材料路线的选择已从单纯的光学性能比较，转变为性能、成本、重量与供应稳定性的综合权衡。
红外镜头是热成像系统的第一道光学关口：材料决定光谱透过与重量成本，焦距与 F 数决定视场与灵敏度，无热化决定宽温可用性，镀膜决定透射效率与杂散光抑制。四者必须结合 FPA 规格、机械空间与环境约束综合评估，而非孤立取舍。理解红外光学材料体系与国产供应链的能力边界，是在成本、性能与交付周期之间做出合理选型的前提。
