一種手持式製冷熱像儀的製作方法

2023-06-01 01:32:51

專利名稱：一種手持式製冷熱像儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種手持式製冷熱像儀，是一種具有紅外成像光學系統的手持式製冷 熱像儀。
背景技術：
製冷型便攜(手持)式紅外熱像儀，與非製冷熱像儀相比較，具有解析度高、作用 距離遠的特點，具有相當大的應用價值與前景。當熱像儀的使用環境要求其具備小型化、輕 量化特點，對熱像儀的外型設計要求很高。但由於製冷紅外熱像儀必須採用製冷探測器，該 製冷探測器的較大尺寸制約了熱像儀的小型化、輕量化設計。現廣泛採用的製冷探測器(一般為320X256)具有較大的長度尺寸與高度尺寸， 而寬度尺寸相對較小。因此，如果光學系統採用常規光學與之配合使用，光學系統自身具有 一定的長度與口徑，再加上製冷探測器的長度與高度，則熱像儀整體的長度與高度將會很 大，嚴重影響熱像儀的便攜性能，降低其實用性。在製冷型便攜(手持)式紅外熱像儀設計中，如採用常規光學系統成像方式，會存 在以下主要缺陷1、熱像儀的整體長度過大，制約其便攜性能。由於光學系統與製冷探測器都具有 一定的長度，直接對接會導致熱像儀長度較長，這就直接影響熱像儀的便攜性能。2、降低熱像儀的整體高度與保持4 3的成像畫面比例成為矛盾。由於製冷探 測器在高度方向會有一個較大的制冷機，會直接加大熱像儀的高度尺寸，不適合手持，如要 降低熱像儀整體高度，就需要將製冷探測器沿光軸旋轉90°使制冷機平躺安置。但由於制 冷探測器靶面為320X256像素組合，旋轉後就成為256X320，這樣成像的圖像幅面也就是 3 4的比例，長寬比顛倒，不符合一般人眼適宜的畫面比例(4 3)。目前，現有技術在手持式製冷熱像儀、即製冷型便攜(手持)式紅外熱像儀的設計 上，為了克服上述缺陷，一般在光學系統中加入一個反射鏡片，將光路折轉90°，可以減小 熱像儀的長度尺寸；同時製冷探測器的制冷機倒置安置，這樣就可以將熱像儀的高度降低； 而製冷探測器採用256X320像素的特製型號，可以避免畫面長寬比例顛倒。但這種特製 256X320像素的製冷探測器價格昂貴。

發明內容
本發明的目的在於，克服現有技術的缺點，針對熱像儀外型尺寸與常規製冷探測 器的矛盾關係，本發明在光學系統中引入一組反射鏡組，進行光路的多次折轉，從而實現熱 像儀內部的合理布置設計，能夠將光學系統與製冷探測器沿兩個方向分別安置；而且製冷 探測器能夠旋轉90°以降低熱像儀高度尺寸，同時成像畫面比例依然保持4 3的人眼適 宜畫面比例。本發明的技術方案是一種手持式製冷熱像儀，其特徵在於，包括前組透鏡組，反射鏡組，後組透鏡組，製冷探測器；所述的反射鏡組包括第一反射鏡片和第二反射鏡片，用於使光路經過兩次折轉 後實現X-Y坐標換為Y-X坐標；所述的前組透鏡組的一次成像面在反射鏡組的第一反射鏡 片和第二反射鏡片之間；所述的後組透鏡組位於經過反射鏡組兩次折射後的光路上，用於 實現二次成像，將接收的能量成像於製冷探測器靶面上；製冷探測器沿光軸旋轉90°，其 靶面坐標為Y-X關係與經過反射鏡組兩次折轉後光路截面的Y-X坐標保持一致。進一步的技術方案是所述的手持式製冷熱像儀，其前組透鏡組和後組透鏡組，其透鏡材料為單晶矽，或
/和單晶鍺。所述的手持式製冷熱像儀，其前組透鏡組和後組透鏡組是正焦距組元。所述的手持式製冷熱像儀，其探測器制冷機平躺安置；所述第一反射鏡片繞X軸 旋轉45°安置，使光線從Z軸向Y軸折轉90°。所述的手持式製冷熱像儀，其第二反射鏡片繞Z軸旋轉45°安置，使光線從Y軸 向X軸折轉90°，用於實現製冷探測器的橫向即X軸方向布置，以及探測器制冷機的平躺安置。本發明技術原理、突出的特點及顯著的有益效果是1、光學系統整體為二次成像形式，易於實現。前組透鏡組與後組透鏡組組成製冷 型紅外系統常用的二次成像結構形式，透鏡均採用常規紅外材料，易於實現。2、反射鏡組實現光路折轉與坐標互換，形式精巧。兩片反射鏡片在空間上實現光 路不同方向的折轉，最終完成了光路折轉與坐標互換，形式精巧。3、探測器制冷機平躺安置，有效減小熱像儀整體高度。由於反射鏡組實現了坐標 互換，因此製冷探測器就可以旋轉90°而使制冷機平躺安置，同時保持4 3的畫面比例。4、通過引入反射鏡組實現光路折轉，減小了熱像儀長度尺寸。反射鏡組將系統光 路分別在兩個方向進行折轉，最終出射光路與入射光路成90°夾角，從而能夠將光學系統 與製冷探測器沿兩個方向分別安置，有效減少了熱像儀整體的長度尺寸。5、通過引入反射鏡組實現坐標互換，解決了降低熱像儀的整體高度與保持4 3 的成像畫面比例的矛盾。通過反射鏡片的空間配合使用，可以將光路實現折轉的同時水平 方向(坐標X)與垂直方向(坐標Y)實現互換。這樣，探測器沿光軸旋轉90°，其靶面的 XY坐標同時互換，正好就與光路的坐標互換保持一致，成像畫面比例依然能夠保持4 3， 而制冷機平躺安置就有利於熱像儀整體高度的降低，從而巧妙解決了這一矛盾。


圖1手持式製冷熱像儀示意圖；圖2反射鏡組合坐標互換原理示意圖；圖3手持式製冷熱像儀光學系統示意圖；圖4手持式製冷熱像儀光學系統傳函圖；此傳函圖是代表光學系統的成像質量， 水平坐標代表空間頻率，垂直坐標代表系統的調製傳遞函數值，該值越大，代表光學系統分 辨率越高，系統像質越優良。圖中各標記的名稱如下1-前組透鏡組；2-反射鏡組；2. 1-第一反射鏡片；2. 2_第 二反射鏡片；3_後組透鏡組；4-製冷探測器；4. 1-探測器制冷機。
具體實施例方式結合附圖和實施例對本發明作進一步說明如下一種手持式製冷熱像儀，其特徵在於，包括前組透鏡組1，反射鏡組2，後組透鏡組3，製冷探測器4 ；所述的反射鏡組2包括第一反射鏡片2. 1和第二反射鏡片2. 2，用於使光 路經過兩次折轉後實現X-Y坐標換為Y-X坐標；所述的前組透鏡組1的一次成像面在反射 鏡組2的第一反射鏡片2. 1和第二反射鏡片2. 2之間；所述的後組透鏡組3位於經過反射鏡 組2兩次折射後的光路上，用於實現二次成像，將接收的能量成像於製冷探測器4靶面上； 製冷探測器4沿光軸旋轉90°，其靶面坐標為Y-X關係與經過反射鏡組2兩次折轉後光路 截面的Y-X坐標保持一致。所述前組透鏡組1和後組透鏡組3，其透鏡材料為單晶矽，該透 鏡材料若選為單晶鍺，則又是一種實施例。所述前組透鏡組1和後組透鏡組3是正焦距組 元。所述探測器制冷機4.1平躺安置；所述第一反射鏡片2.1繞X軸旋轉45°安置，使光 線從Z軸向Y軸折轉90°。所述第二反射鏡片2. 2繞Z軸旋轉45°安置，使光線從Y軸向 X軸折轉90°，用於實現製冷探測器4的橫向即X軸方向布置，以及探測器制冷機4. 1的平 躺安置。所述靶面坐標為Y-X關係與經過反射鏡組2兩次折轉後光路截面的Y-X坐標保持 一致，即光學系統的坐標關係與製冷探測器4的坐標關係相對不變，從而確保成像畫面保 持適宜人眼的43比例。再進一步說明結構及原理如下前組透鏡組主要承擔系統的聚焦任務並成一次 像，後組透鏡組形成二次成像，縮小系統的口徑，並對前組構成一定的放大倍率。二次成像 光學系統的主要作用是將目標的輻射聚焦成像於製冷探測器靶面上，同時滿足製冷探測器 特有的100%冷光闌效應。在設計上儘量減小系統長度，以有利於熱像儀整體的小型化，但 同時要控制前組透鏡組與後組透鏡組的間隔，留出反射鏡組的布置空間。製冷探測器根據 光路的折轉方向與光路截面的坐標變換，實現橫向布置，同時製冷探測器沿光軸X軸旋轉 90°，使其制冷機平躺安置，從而有利於熱像儀整體高度的降低。最終前組透鏡組、後組透 鏡組、反射鏡組各部分的設計與優化，形成焦距為150mm的紅外熱成像光學系統。整體系統 為二次成像形式，滿足製冷型紅外系統100%冷光闌效應。系統傳函優良，滿足製冷探測器 分辨需求，成像結果能夠滿足使用需求。
權利要求
一種手持式製冷熱像儀，其特徵在於，包括前組透鏡組(1)，反射鏡組(2)，後組透鏡組(3)，製冷探測器(4)；所述的反射鏡組(2)包括第一反射鏡片(2.1)和第二反射鏡片(2.2)，用於使光路經過兩次折轉後實現X-Y坐標換為Y-X坐標；所述的前組透鏡組(1)的一次成像面在反射鏡組(2)的第一反射鏡片(2.1)和第二反射鏡片(2.2)之間；所述的後組透鏡組(3)位於經過反射鏡組(2)兩次折射後的光路上，用於實現二次成像，將接收的能量成像於製冷探測器(4)靶面上；製冷探測器(4)沿光軸旋轉90°，其靶面坐標為Y-X關係與經過反射鏡組(2)兩次折轉後光路截面的Y-X坐標保持一致。
2.根據權利要求1所述的手持式製冷熱像儀，其特徵在於，所述前組透鏡組(1)和後組 透鏡組(3)，其透鏡材料為單晶矽，或/和單晶鍺。
3.根據權利要求1所述的手持式製冷熱像儀，其特徵在於，所述前組透鏡組(1)和後組 透鏡組(3)是正焦距組元。
4.根據權利要求1所述的手持式製冷熱像儀，其特徵在於，所述探測器制冷機(4.1)平 躺安置；所述第一反射鏡片(2.1)繞X軸旋轉45°安置，使光線從Z軸向Y軸折轉90°。
5.根據權利要求1所述的手持式製冷熱像儀，其特徵在於，所述第二反射鏡片(2.2)繞 Z軸旋轉45°安置，使光線從Y軸向X軸折轉90°，用於實現製冷探測器(4)的橫向即X軸 方向布置，以及探測器制冷機(4. 1)的平躺安置。
全文摘要
本發明涉及一種手持式製冷熱像儀，是一種具有紅外成像光學系統的手持式製冷熱像儀。包括前組透鏡組，反射鏡組，後組透鏡組，製冷探測器；反射鏡組包括第一反射鏡片和第二反射鏡片，用於使光路經過兩次折轉後實現X-Y坐標換為Y-X坐標；前組透鏡組的一次成像面在反射鏡組的第一反射鏡片和第二反射鏡片之間；組透鏡組位於經過反射鏡組兩次折射後的光路上，用於實現二次成像，將接收的能量成像於製冷探測器靶面上；製冷探測器沿光軸旋轉90°，其靶面坐標為Y-X關係與經過反射鏡組兩次折轉後光路截面的Y-X坐標保持一致。本發明優點是有效減小熱像儀整體高度，同時成像畫面比例依然保持4∶3的人眼適宜畫面比例；透鏡均採用常規紅外材料，易於實現。
文檔編號G01J5/02GK101846554SQ20101018753
公開日2010年9月29日 申請日期2010年5月28日 優先權日2010年5月28日
發明者吳學鵬, 李勇, 楊長城, 耿安兵, 郭良賢 申請人:湖北久之洋紅外系統有限公司