一種超強光大視場溫度自適應紅外鏡頭的製作方法
2023-06-04 03:18:01
專利名稱：一種超強光大視場溫度自適應紅外鏡頭的製作方法
技術領域：
本實用新型涉 及一種紅外鏡頭，尤其涉及一種用於工作環境溫度變化大的紅外鏡 頭。
背景技術：
紅外鏡頭是紅外成像光學儀器的重要部件，負責接收目標輻射的紅外光線，並將 其會聚成像於紅外探測器件上。由於熱脹冷縮現象，紅外鏡頭的零部件尺寸會發生變化， 光學材料的折射率會隨溫度變化發生變化，光學材料折射率隨溫度的變化用光熱係數(dn/ dt)來描述。由於這些因素，溫度變化時，紅外鏡頭的焦距、後工作距發生變化，產生離焦現 象，降低成像清晰度，嚴重時，系統無法成像。特別是在紅外光學系統中，常用的光學材料的 光熱係數較大；而紅外光學儀器的使用溫度範圍寬，成像質量要求高；紅外鏡頭焦深小，對 調焦準確度要求高。就需要採取技術措施，減弱或消除使用環境溫度變化對紅外鏡頭成像 的影響，這就是溫度自適應技術。現有的溫度自適應技術分為主動式和被動式。主動式溫度自適應技術利用溫度傳 感器測量環境溫度，經微處理器計算、分析後，形成驅動信號，通過電機驅動鏡頭產生調焦 運動，達到溫度補償目的。這種方式，需要精密補償裝置，機構複雜，可靠性差。被動式溫度 自適應技術則在鏡頭內部實現溫度補償，結構簡單，可靠性高，但設計難度高，它又有兩種 實現方式1)機械被動式溫度自適應技術。採用溫度敏感性材料製造確定的結構件，當鏡 頭使用環境溫度變化時，該構件由於熱脹冷縮現象產生與鏡頭溫度離焦量方向相反、數量 相等的長度變化，實現溫度補償。2)光學被動式溫度自適應技術。利用不同光熱特性的光 學材料，相互組合，使其溫度變化互補，實現溫度補償。目前，用於致冷型探測器的溫度自適應紅外鏡頭其F數一般不小於2.0，體積大， 光學結構複雜。非致冷探測器的光電效率較低，需要小F數的鏡頭，以鏡頭的強光特性提 供高的像面照度，實現目標探測。實用的紅外系統必須對熱差進行補償，但當鏡頭的F數 較小、視場角較大時，設計很難實現，目前多採用像面調焦的方式對鏡頭的熱差進行對焦補 償，屬於機械補償技術。目前的報導中只有利用光學消熱差技術設計大F數，小視場的溫度 自適應鏡頭。光學被動消熱差技術在小F數，大視場的溫度自適應鏡頭上的設計難度大。
發明內容本實用新型的目的是提供一種溫度自適應紅外光學鏡頭，可在_40°C 72°C溫度 範圍內清晰成像，實現溫度自適應調節，以解決紅外成像光學儀器由於使用環境溫度變化 而產生的離焦、成像質量下降的現象。本實用新型所述的超強光大視場溫度自適應紅外鏡頭，由第一透鏡、第二透鏡和 第三透鏡三片透鏡組成，透鏡光焦度依次為正、負、正結構。第一透鏡採用低光熱係數硫系 玻璃材料，也可據鏡頭技術指標及設計需要選用硒化鋅、硫化鋅材料；第二透鏡和第三透鏡 採用光學鍺單晶材料。其工作原理是第二透鏡產生正熱差，與第一透鏡、第三透鏡產生的負熱差及鏡頭結構件的熱脹冷縮相補償，實現鏡頭的溫度自適應。「正、負、正」對稱式光學結 構有利於光學鏡頭的像差校正，並利用非球面、二元光學(DOE)技術校正高級像差，從而實 現紅外鏡頭的超強光、大視場功能。本實現新型經使用證明鏡頭結構簡單，在-40°C 72°C的溫度範圍，鏡頭溫度補 償準確、可靠，成像清晰，技術參數穩定；鏡頭具有超強光、大視場特性，能提高熱成像儀的 可分辨溫差、作用距離、觀察範圍等技術性能。
圖1是本實用新型的光學原理圖；圖2是本實用新型的結構圖；圖3是實施例在20°C時的光學傳遞函數曲線圖；圖4是實施例在-40°C時的光學傳遞函數曲線圖；圖5是實施例在72°C時的光學傳遞函數曲線圖；圖6是一不具有熱補償功能的鏡頭光學原理圖；圖7是圖6鏡頭在20°C、-20°C、60°C時的光學傳遞函數曲線圖；圖中，1為第一透鏡，2為第二透鏡，3為第三透鏡，4為紅外探測器保護窗口，5為紅 外探測器焦平面，6為熱像儀殼體，7為定焦環，8為第二隔圈，9為第一隔圈，10為壓緊圈，11 為鏡體。
具體實施方式
以下結合附圖，通過實施例對本實用新型作進一步的詳細說明。如圖1、圖2所示，第一透鏡1、第二透鏡2和第三透鏡3共三片透鏡構成超強光、 大視場溫度自適應紅外鏡頭光學系統接收並匯聚目標的紅外輻射，匯聚後的紅外輻射透過 探測器保護窗口 4在紅外探測器焦平面5上成像。第一隔圈9及第二隔圈8將透鏡分隔開 指定間隔，壓緊圈10將透鏡組壓緊於鏡體11中，定焦環7用螺紋機構固邊於熱像儀殼體6 上，鏡體11與定焦環7用多頭螺紋邊接，旋轉鏡體11，即可實現調焦。消熱差設計保證調 焦完成後，產品在使用過程中，環境溫度在-40°C 72°C範圍內變化時，鏡頭不產生焦面漂 移，成像質量穩定。鏡頭中的機械構件採用工藝性能良好的LY12鋁合金。各光學鏡片及鏡 頭結構件在溫度自適應過程中，不相互運動，僅由於熱脹冷縮產生形變。第一透鏡1是正光焦度透鏡，採用Ge2tlSb15Se65作為材料，其兩光學工作面都是球 面，具有負熱差。第二透鏡2是負光焦度透鏡，採用光學鍺單晶作為材料，其前光學工作面 是二元光學(DOE)，後光學工作面是非球面，具有正熱差。第三透鏡3是正光焦度透鏡，採用 光學鍺單晶作為材料，其兩光學工作面都是球面，具有負熱差。各透鏡的熱差值與鏡頭結構 件熱脹冷縮相補償，實現鏡頭溫度自適應。本實用新型採用「正、負、正」的對稱式光學結構，這是可校正全部初級像差的最 簡單結構；第二透鏡2的後工作面加工非球面，可以校正光學系統的高級像差。以三片鏡 片實現大相對孔徑、廣角系統像差校正，實現超強光、大視場鏡頭設計。第一透鏡1採用的 Ge2tlSb15Se65材料，具有低光熱係數特性和低折射率(n1(l.6uffl = 2. 5817)，與採用高折射率鍺材 料(n1Q.6im = 4. 0038)的第二透鏡2形成「低(正透鏡)、高(負透鏡)折射率」的自校正初級像差光學結構布局，使光學系統像差容易校正。由於第一透鏡1採用的Ge2tlSb15Se65材料 在7 14um光譜段具有大色散特性，在光學系統中的第二透鏡2的前工作面加工DOE結構， 得用DOE的大色散特性，產生反向色差，與第一透鏡產生的色差相補償，同時也補償第三透 鏡產生的微量色差，使光學系統的色差得到校正。光學結構參數
面序號面型 面半徑 面間隔材料直徑
1球面18.53.7 Ge20Sb15Se6517.5
2球面55.340.315
3二元光學 9.1182鍺15
4非球面 6.3587.4212
5球面199.994鍺21
6球面-39.126.321
7平面1鍺
8平面0.84
9平面技術指標焦距14. 8F/# 0.8視場角45°工作波長7 14um圖3、圖4、圖5給出實施例在工作環境溫度分別為20°C、-40°C、72°C時鏡頭傳遞 函數曲線圖。圖6是一個不具有熱補償功能的鏡頭，光學材料全部採用鍺，與本實施例的技術 指標相同。圖7顯示了鏡頭在20°C、-2(TC、6(rC時，鏡頭中心點的傳遞函數曲線圖，可以看 出，未曾經消熱差設計的鏡頭在使用環境溫度變化時，其成像質量惡化情況。對比來看，當環境溫度在-40°C 72°C變化時，在201p/mm空間頻率處，其傳遞函 數可保持40%以上，成像質量穩定，具有良好的熱補償效果。本實用新型的特點是1)鏡頭溫度自適應範圍-40°C 72°C，溫度補償可靠；2) 以光學方式實現溫度自適應，溫度適應過程實時；3)光學溫度自適應方式，同時補償溫度 適應過程中鏡片的形變，實現鏡頭像差補償，成像質量穩定；4)鏡頭視場大，全視場45° ； 5)鏡頭F數0. 8，相對孔徑大，具有超強光特性，像面照度高，提高了熱成像儀作用距離及 可分辨溫差。本實用新型利用不同材料的光熱特性差異，非球面技術和二元光學技術，以簡 單、穩定、可靠的光學結構實現廣角、大相對孔徑紅外鏡頭的溫度自應，可廣泛應用於長波 紅外非致冷焦平面熱成像系統。
權利要求一種超強光大視場溫度自適應紅外鏡頭，其特徵在於由第一透鏡(1)、第二透鏡(2)和第三透鏡(3)三片透鏡組成，透鏡的光焦度依次為正、負、正結構，第一透鏡(1)採用低光熱係數硫系玻璃材料，其兩光學工作面都是球面，具有負熱差，第二透鏡(2)採用光學鍺單晶材料，其前光學工作面是二元光學面，後光學工作面是非球面，具有正熱差，第三透鏡(3)採用光學鍺單晶材料，其兩光學工作面都是球面，具有負熱差。
2.根據權利要求1所述的超強光大視場溫度自適應紅外鏡頭，其特徵在於第一透鏡 (1)還可採用硒化鋅或者硫化鋅材料。
專利摘要一種超強光大視場溫度自適應紅外鏡頭，由第一透鏡、第二透鏡和第三透鏡三片透鏡組成，透鏡光焦度依次為正、負、正結構。第一透鏡採用低光熱係數硫系玻璃材料，也可根據需要選用硒化鋅、硫化鋅材料；第二透鏡和第三透鏡採用光學鍺單晶材料，第二透鏡產生正熱差，與第一透鏡、第三透鏡產生的負熱差及鏡頭結構件的熱脹冷縮相補償，實現鏡頭的溫度自適應，「正、負、正」對稱式光學結構有利於光學鏡頭的像差校正，並利用非球面、二元光學技術校正高級像差。本實現新型結構簡單，在-40℃～72℃的溫度範圍，鏡頭溫度補償準確、可靠，成像清晰，技術參數穩定並具有超強光、大視場特性，能提高熱成像儀的可分辨溫差、作用距離、觀察範圍等技術性能。
文檔編號G02B13/14GK201765372SQ20102025801
公開日2011年3月16日 申請日期2010年7月14日 優先權日2010年7月14日
發明者丁黎梅, 劉玉英, 張瑩昭, 李洪兵, 李茂忠, 白玉琢, 陳勇林, 陳驥 申請人:昆明物理研究所