緊湊型雙視場中波紅外消熱差鏡頭的製作方法
2023-07-21 05:32:16 1
緊湊型雙視場中波紅外消熱差鏡頭的製作方法
【專利摘要】本發明提出的一種緊湊型雙視場中波紅外消熱差鏡頭，旨在提供一種變焦方式簡單，成像質量穩定，能夠避免鏡頭產生熱離焦現象的一次成像鏡頭。本發明通過以下述技術方案予以實現：物面(1)與前固定鏡組(3)之間設置紅外光學玻璃球罩(2)，前固定鏡組由矽正透鏡和鍺負透鏡組成，在變焦過程中始終在光軸上前後移動的變焦鏡組(4)為鍺材料的雙凹負透鏡，後固定鏡組為硒化鋅材料的雙凸正透鏡和鍺材料的彎月負透鏡，其中雙凸正透鏡(501)靠近物面一側為非球面；球罩、前固定鏡組、變焦鏡(4)、後固定鏡組和溫闌(6)，通過按以上規律透鏡材料的配對組合與鏡筒材料線膨脹係數αL和長度L的匹配，順次排列，共同構成完整的成像系統。
【專利說明】緊湊型雙視場中波紅外消熱差鏡頭
[0001]
【技術領域】 本發明涉及一種主要用於中波紅外波段的消熱差雙視場變焦光學系統。具體而言，本 發明涉及一種能夠在-45°c?60°C實現光學被動消熱差的有大小兩個視場變倍比約為3， 使用光學補償雙視場變焦且具有光學被動消熱差功能的一次成像光學系統，尤其是適用於 中紅外波段的一次成像變焦光學結構。
[0002]
【背景技術】 光學儀器在較大溫度範圍內使用時，鏡筒材料、光學材料的熱脹冷縮以及光學材料的 溫度折射率係數會使鏡頭光焦度發生變化，產生離焦現象，而鏡筒材料的熱脹冷縮也會造 成光學系統離焦，使成像質量下降。為了降低溫度變化對紅外光學系統成像質量的影響，需 要進行無熱化設計，或稱為消熱差設計，即通過一定的機械、光學及電子等技術，補償因溫 度變化產生的離焦，使紅外光學系統在一個變化範圍較大的溫度區間內保持成像質量的穩 定。目如的消熱差方式主要有：機電主動式消熱差、機械被動式消熱差和光學被動式消熱 差。
[0003] 在同一光學系統中為了實現大小視場的兼容，需要進行變焦系統設計，主要有基 於光學補償和機械補償的兩種方式。前者的變焦鏡組間距固定，在變焦過程中同時同向等 速運動，不同的運動位置對應不同的焦距。但由於變焦鏡組的間距不變，無法補償變焦過程 中的像差平衡等問題，其焦距變化過程離散，變焦鏡組僅能移動到少數幾個位置時成清晰 像，而不能像機械補償式變焦系統那樣能通過變焦鏡組和補償組在軸上按不同速率和方向 的運動實現連續變焦。
[0004] 2009年刊載於中國文獻《光學技術》雜誌，第35卷第4期，第566?568頁，名稱 為《無熱化雙視場紅外光學系統的設計》公開的光學鏡頭，採用了二次成像結構，並採用了 三個衍射面和兩個非球面，結構體積較大，非球面和衍射面使用較多。
[0005] 2009年刊載於中國文獻《雷射與紅外》雜誌，第39卷第6期，第640?642頁，名 稱為《中波紅外雙視場光學系統的設計》公開的光學鏡頭，採用了二次成像結構，切換式變 倍，沒有實現光學被動消熱差功能，在溫度有較大變化時需要人工或機械調焦。
[0006] 2011年刊載於中國文獻《應用光學》雜誌，第32卷第1期，第133?137頁，名稱 為《雙視場紅外變焦鏡頭的無熱化研究》公開的光學鏡頭，沒有採用球罩，共採用了六片透 鏡，採用了矽、鍺和硫化鋅三種材料，雖然實現了雙視場光學被動消熱差，但由於沒有球罩， 在設計中沒有將球罩的色散性能考慮在內，而失去了球罩保護，其使用環境收到限制，且採 用了六片透鏡，結構較為複雜。
[0007]
【發明內容】
本發明的目的是針對上述現有技術存在的不足之處，提供一種採用光學被動消熱差原 理，運用於中波紅外波段，具有結構緊湊，變焦方式簡單，成像質量穩定，能夠避免鏡頭產生 熱離焦現象的一次成像鏡頭。
[0008] 為了實現上述發明目的，本發明提供的一種緊湊型雙視場中波紅外消熱差鏡頭， 包括：依次排列在物面1與焦面9之間，共光軸排列的前固定鏡組3、變焦鏡組4、後固定鏡 組5,探測器窗口 7和探測器濾光片8,其特徵在於：所述物面1與所述前固定鏡組3之間設 置有一紅外光學玻璃球罩2,前固定鏡組3由矽正透鏡和鍺負透鏡組成，位於前固定鏡組3 與後固定鏡組5之間並在變焦過程中始終在光軸上前後移動的變焦鏡組4為鍺材料的雙凹 負透鏡，後固定鏡組5為硒化鋅材料的雙凸正透鏡和鍺材料的彎月負透鏡，其中雙凸正透 鏡501靠近物面1 一側為非球面；球罩2、前固定鏡組3、變焦鏡4、後固定鏡組5和溫闌6， 通過按以上規律透鏡材料的配對組合與鏡筒材料線膨脹係數a L和長度L的匹配，順次排 列，共同構成完整的成像系統。
[0009] 本發明相比於現有技術具有如下有益效果。
[0010] 適應溫度範圍大。本發明基於光學被動消熱差原理，除了球罩2米用IRG04紅外 玻璃材料外，其餘透鏡採用了矽、鍺和硒化鋅共三種鏡頭材料，採用與鏡筒材料線膨脹係數 相匹配的透鏡材料，補償因鏡筒材料溫度變化造成的熱脹冷縮而導致的離焦，同時採用了 光學補償的變焦方式實現全溫度範圍內的雙視場變焦。通過透鏡材料按以上規律的配對組 合，配合鋁合金鏡筒的線膨脹係數a L和長度L，並基於光學補償變焦結構，實現了同時消 熱差和色差的光學補償雙視場變焦的功能。在中波紅外（3. 7μπι?4. 8μπι)波段，採用光 學補償變焦方式，在_45°C?60°C溫度變化範圍內，焦距實現了 60mm和180mm的雙視場變 化。在-45°C?60°C的溫度範圍內，在60mm和180mm焦距的兩個視場變化時，調製傳遞函 數MTF都能保持截止頻率為171p/mm時在0. 5以上； 鏡筒材料普遍。本發明的鏡筒材料為低成本的普通鋁合金鏡筒材料而無需其它熱膨脹 係數更低的鏡筒材料。當然，採用其他熱膨脹係數更低的鏡筒材料，採用本光學結構對鏡片 的曲率半徑、厚度、鏡片間隔和鏡片的非球面係數進行簡單修改，則可在高低溫環境下獲得 更為優良的光學性能。
[0011] 本發明通過合理分配光焦度和光學材料，利用光學被動式消熱差，在溫度變化時 實現焦面位置與鏡筒長度變化的匹配，克服了鏡頭光焦度發生變化，產生熱離焦現象的問 題，從而在規定溫度範圍內保證鏡頭的成像質量。
[0012] 鏡片少，非球面少。本發明除去保護鏡片的球罩，只採用了五片透鏡一片非球面， 具有較好的公差特性、冷反射和較低成本。
[0013] 球罩成本低。球罩2採用的IRG04紅外玻璃材料，避免了常用的熱壓氟化鎂、硫化 鋅等晶體材料較高的造價。
[0014] 系統體積小，結構緊湊，變焦方式簡單。本發明採用在變焦過程中，始終在光軸上 前後移動的變焦鏡組4,通過固連在鏡筒上的驅動機構驅動控制變焦鏡4在光學系統光軸 方向前後直線移動實現大小視場的變換。本發明在變焦過程中，變焦鏡4始終在光軸上前 後移動；變倍時光圈F數恆定，總長固定不變，質心變化較小，在軸上平移實現雙視場變焦。 (本系統為光學補償的雙視場變焦系統，即只有大小兩個視場清晰，變焦過程中無法成像， 變焦本身即為離散過程）。
[0015] 本發明可以作為軍警民用監控、搜索與跟蹤瞄準等的光學系統。
[0016]
【專利附圖】
【附圖說明】 圖1是本發明緊湊型雙視場中波紅外消熱差鏡頭長焦180mm時的示意圖。
[0017] 圖2是本發明緊湊型雙視場中波紅外消熱差鏡頭短焦60mm時的示意圖。
[0018] 圖中：1物面，2球罩，3前固定組，301彎月正透鏡，302凹面負透鏡，4變焦鏡，5後 固定組，501雙凸正透鏡，502彎月負透鏡，6溫闌，7探測器窗口，8探測器濾光片，9探測器 焦面。
【具體實施方式】
[0019] 為了進一步清楚闡述本發明，下面將提供【具體實施方式】並與附圖相結合，對本技 術方案進行說明，但是不應當將其理解為對本發明的限定。
[0020] 參閱圖1、圖2。在以下實施例描述的緊湊型雙視場中波紅外消熱差鏡頭中，根據 中紅外波段無熱化雙視場變焦光學系統光學補償變焦原理，光學系統在焦距的變化過程中 系統總長不變。緊湊型雙視場中波紅外消熱差鏡頭，從物面1到探測器焦面9依次排列固 定球罩2、前固定鏡組3、變焦鏡4和後固定鏡組5。在探測器光窗7附近還設有一個限制成 像光束的溫闌6、探測器窗口 7、探測器濾光片8和探測器焦面9。其中，球罩2、前固定鏡組 3、後固定鏡組5?探測器焦面9的位置恆定。紅外光學玻璃球罩2可以是IRG04紅外玻璃 材料製成的球罩。球罩2位於物面1與所述前固定鏡組3之間。所述前固定鏡組由矽正透 鏡和鍺負透鏡組成；在變焦過程中始終在光軸上前後移動的變焦鏡為鍺負透鏡。通過固連 在鏡筒上的驅動機構驅動變焦鏡4在光學系統光軸方向前後直線移動實現變焦。後固定鏡 組為硒化鋅材料的正透鏡和鍺材料的負透鏡。變焦鏡組與前固定鏡組、中間固定鏡組和後 固定鏡組共同構成完整的成像系統。在向長焦變化時，變焦鏡4朝向焦面9 一側運動，在向 短焦變化時，變焦鏡4朝向物面1 一側運動。窄視場時，變焦鏡4往靠近探測器焦面9方向 一側平移。無窮遠平行光從物面1進入IRG04紅外玻璃材料的球罩2,經前兩片間距恆定的 矽材料的彎月正透鏡301和鍺材料的凹面負透鏡302組成的前固定鏡組3形成匯聚光。為 消熱差、色差和球差、慧差等單色像差，所述前固定鏡組3由採用色散係數 Vi較大，折射率 /溫度係數dn/dT適中，線膨脹係數^較小的矽材料的正透鏡301和色散係數Vi較小， 折射率/溫度係數dn/dT較大，線膨脹係數α ,較小的鍺材料的凹面負透鏡302組成。
[0021] 為消熱差、色差和單色像差並實現光學補償的雙視場變焦，所述變焦鏡4由採用 色散係數v i較小，折射率/溫度係數dn/dT較大，線膨脹係數a i較小的鍺材料的雙凹負 透鏡，通過驅動機構驅動變焦鏡在光學系統光軸方向前後直線移動實現變焦。
[0022] 為消熱差、色差和單色像差，所述後固定鏡組5為採用色散係數Vi較大，折射率/ 溫度係數dn/dT適中，線膨脹係數a i較小的硒化鋅材料的雙凸正透鏡501和色散係數v i 較小，折射率/溫度係數dn/dT較大，線膨脹係數a i較小的鍺材料彎月負透鏡502組成的 兩片式透鏡組，其中雙凸正透鏡501靠近物面1 一側為非球面，以校正系統單色像差。
[0023] 為消熱差和色差，光學系統需滿足以下消熱差條件：
【權利要求】
1. 一種緊湊型雙視場中波紅外消熱差鏡頭，包括：依次排列在物面（1)與焦面（9)之 間，共光軸排列的前固定鏡組（3)、變焦鏡組（4)、後固定鏡組（5)，探測器窗口（7)和探測 器濾光片（8)，其特徵在於：所述物面（1)與所述前固定鏡組（3)之間設置有一紅外光學玻 璃球罩（2)，前固定鏡組（3)由矽正透鏡和鍺負透鏡組成，位於前固定鏡組（3)與後固定鏡 組（5)之間並在變焦過程中始終在光軸上前後移動的變焦鏡組（4)為鍺材料的雙凹負透 鏡，後固定鏡組（5)為硒化鋅材料的雙凸正透鏡和鍺材料的彎月負透鏡，其中雙凸正透鏡 (501)靠近物面（1) 一側為非球面；球罩（2)、前固定鏡組（3)、變焦鏡（4)、後固定鏡組（5) 和溫闌（6)，通過按以上規律透鏡材料的配對組合與鏡筒材料線膨脹係數aL和長度L的匹 配，順次排列，共同構成完整的成像系統。
2. 權利要求1所述的緊湊型雙視場中波紅外消熱差鏡頭，其特徵在於，前固定鏡組（3) 是由採用矽材料的彎月正透鏡（301)和鍺材料的凹面負透鏡（302)組成的兩片式透鏡組。
3. 如權利要求2所述的緊湊型雙視場中波紅外消熱差鏡頭，其特徵在於，從球罩（2)進 入的光線經彎月正透鏡（301)形成匯聚角較大的匯聚光，經過彎月正透鏡（301)的匯聚光 進入與之配合的凹面負透鏡（302)，減小由彎月正透鏡（301)產生的匯聚角。
4. 如權利要求3所述的緊湊型雙視場中波紅外消熱差鏡頭，其特徵在於，凹面負透鏡 (302)作為與彎月正透鏡（301)配合的前固定組（3)的負透鏡，平衡彎月正透鏡（301)的負 色差、單色像差和熱差。
5. 如權利要求1所述的緊湊型雙視場中波紅外消熱差鏡頭，其特徵在於，前固定鏡組 (3)出射的匯聚光進入變焦鏡（4)產生正色差和負熱差形成發散光進入後固定鏡組（5)，散 光入雙凸正透鏡（501)形成匯聚光，通過彎月負透鏡（502)減小發散角，再經後置溫闌（6)、 探測器窗口（7)和探測器濾光片（8)，在探測器焦面（9)上成像。
6. 權利要求1所述的緊湊型雙視場中波紅外消熱差鏡頭，其特徵在於，在向長焦變化 時，變焦鏡（4)朝向焦面（9) 一側運動，在向短焦變化時，變焦鏡（4)朝向物面1 一側運動； 窄視場時，變焦鏡（4)往靠近探測器焦面（9)方向一側平移。
7. 權利要求1所述的緊湊型雙視場中波紅外消熱差鏡頭，其特徵在於，所述後固定鏡 組（5)為採用色散係數Vi較大，折射率/溫度係數dn/dT適中，線膨脹係數^較小的硒 化鋅材料的雙凸正透鏡（501)和色散係數v i較小，折射率/溫度係數dn/dT較大，線膨脹 係數^較小的鍺材料彎月負透鏡（502)組成的兩片式透鏡組，其中雙凸正透鏡（501)靠 近物面（1) 一側為非球面。
8. 權利要求1所述的緊湊型雙視場中波紅外消熱差鏡頭，其特徵在於，紅外光學玻璃 球罩（2)是IRG04紅外玻璃材料製成的球罩。
9. 權利要求1所述的緊湊型雙視場中波紅外消熱差鏡頭，其特徵在於，凹面負透鏡 (302)為鍺材料的球面鏡，鍺材料在3. 7?4. 8 μ m波段的阿貝係數為228,折射率為4,折射 率溫度係數為420f 1(Γ7/Κ，線膨脹係數為67?丨(Γ7/Γ 5
10. 權利要求1所述的緊湊型雙視場中波紅外消熱差鏡頭，其特徵在於，變焦鏡（4)通 過固連在鏡筒上的驅動機構在光學系統光軸方向前後直線移動實現變焦。
【文檔編號】G02B15/16GK104049343SQ201410256582
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年6月10日 優先權日:2014年6月10日
【發明者】鄧鍵, 安曉強, 周通, 童靜, 馬欣 申請人:西南技術物理研究所