緊湊型雙視場中波紅外消熱差鏡頭的制作方法
【專利摘要】本發(fā)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(zhì)量穩(wěn)定，能夠避免鏡頭產(chǎn)生熱離焦現(xiàn)象的一次成像鏡頭。本發(fā)明通過以下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：物面(1)與前固定鏡組(3)之間設(shè)置紅外光學(xué)玻璃球罩(2)，前固定鏡組由硅正透鏡和鍺負(fù)透鏡組成，在變焦過程中始終在光軸上前后移動(dòng)的變焦鏡組(4)為鍺材料的雙凹負(fù)透鏡，后固定鏡組為硒化鋅材料的雙凸正透鏡和鍺材料的彎月負(fù)透鏡，其中雙凸正透鏡(501)靠近物面一側(cè)為非球面；球罩、前固定鏡組、變焦鏡(4)、后固定鏡組和溫闌(6)，通過按以上規(guī)律透鏡材料的配對組合與鏡筒材料線膨脹系數(shù)αL和長度L的匹配，順次排列，共同構(gòu)成完整的成像系統(tǒng)。
【專利說明】緊湊型雙視場中波紅外消熱差鏡頭
[0001]

【技術(shù)領(lǐng)域】 本發(fā)明涉及一種主要用于中波紅外波段的消熱差雙視場變焦光學(xué)系統(tǒng)。具體而言，本 發(fā)明涉及一種能夠在-45°c?60°C實(shí)現(xiàn)光學(xué)被動(dòng)消熱差的有大小兩個(gè)視場變倍比約為3， 使用光學(xué)補(bǔ)償雙視場變焦且具有光學(xué)被動(dòng)消熱差功能的一次成像光學(xué)系統(tǒng)，尤其是適用于 中紅外波段的一次成像變焦光學(xué)結(jié)構(gòu)。
[0002]

【背景技術(shù)】 光學(xué)儀器在較大溫度范圍內(nèi)使用時(shí)，鏡筒材料、光學(xué)材料的熱脹冷縮以及光學(xué)材料的 溫度折射率系數(shù)會使鏡頭光焦度發(fā)生變化，產(chǎn)生離焦現(xiàn)象，而鏡筒材料的熱脹冷縮也會造 成光學(xué)系統(tǒng)離焦，使成像質(zhì)量下降。為了降低溫度變化對紅外光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的影響，需 要進(jìn)行無熱化設(shè)計(jì)，或稱為消熱差設(shè)計(jì)，即通過一定的機(jī)械、光學(xué)及電子等技術(shù)，補(bǔ)償因溫 度變化產(chǎn)生的離焦，使紅外光學(xué)系統(tǒng)在一個(gè)變化范圍較大的溫度區(qū)間內(nèi)保持成像質(zhì)量的穩(wěn) 定。目如的消熱差方式主要有：機(jī)電主動(dòng)式消熱差、機(jī)械被動(dòng)式消熱差和光學(xué)被動(dòng)式消熱 差。
[0003] 在同一光學(xué)系統(tǒng)中為了實(shí)現(xiàn)大小視場的兼容，需要進(jìn)行變焦系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要有基 于光學(xué)補(bǔ)償和機(jī)械補(bǔ)償?shù)膬煞N方式。前者的變焦鏡組間距固定，在變焦過程中同時(shí)同向等 速運(yùn)動(dòng)，不同的運(yùn)動(dòng)位置對應(yīng)不同的焦距。但由于變焦鏡組的間距不變，無法補(bǔ)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(dòng)到少數(shù)幾個(gè)位置時(shí)成清晰 像，而不能像機(jī)械補(bǔ)償式變焦系統(tǒng)那樣能通過變焦鏡組和補(bǔ)償組在軸上按不同速率和方向 的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)連續(xù)變焦。
[0004] 2009年刊載于中國文獻(xiàn)《光學(xué)技術(shù)》雜志，第35卷第4期，第566?568頁，名稱 為《無熱化雙視場紅外光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)》公開的光學(xué)鏡頭，采用了二次成像結(jié)構(gòu)，并采用了 三個(gè)衍射面和兩個(gè)非球面，結(jié)構(gòu)體積較大，非球面和衍射面使用較多。
[0005] 2009年刊載于中國文獻(xiàn)《激光與紅外》雜志，第39卷第6期，第640?642頁，名 稱為《中波紅外雙視場光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)》公開的光學(xué)鏡頭，采用了二次成像結(jié)構(gòu)，切換式變 倍，沒有實(shí)現(xiàn)光學(xué)被動(dòng)消熱差功能，在溫度有較大變化時(shí)需要人工或機(jī)械調(diào)焦。
[0006] 2011年刊載于中國文獻(xiàn)《應(yīng)用光學(xué)》雜志，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(xué)鏡頭，沒有采用球罩，共采用了六片透 鏡，采用了硅、鍺和硫化鋅三種材料，雖然實(shí)現(xiàn)了雙視場光學(xué)被動(dòng)消熱差，但由于沒有球罩， 在設(shè)計(jì)中沒有將球罩的色散性能考慮在內(nèi)，而失去了球罩保護(hù)，其使用環(huán)境收到限制，且采 用了六片透鏡，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。
[0007]


【發(fā)明內(nèi)容】
本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處，提供一種采用光學(xué)被動(dòng)消熱差原 理，運(yùn)用于中波紅外波段，具有結(jié)構(gòu)緊湊，變焦方式簡單，成像質(zhì)量穩(wěn)定，能夠避免鏡頭產(chǎn)生 熱離焦現(xiàn)象的一次成像鏡頭。
[0008] 為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)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、后固定鏡 組5,探測器窗口 7和探測器濾光片8,其特征在于：所述物面1與所述前固定鏡組3之間設(shè) 置有一紅外光學(xué)玻璃球罩2,前固定鏡組3由硅正透鏡和鍺負(fù)透鏡組成，位于前固定鏡組3 與后固定鏡組5之間并在變焦過程中始終在光軸上前后移動(dòng)的變焦鏡組4為鍺材料的雙凹 負(fù)透鏡，后固定鏡組5為硒化鋅材料的雙凸正透鏡和鍺材料的彎月負(fù)透鏡，其中雙凸正透 鏡501靠近物面1 一側(cè)為非球面；球罩2、前固定鏡組3、變焦鏡4、后固定鏡組5和溫闌6， 通過按以上規(guī)律透鏡材料的配對組合與鏡筒材料線膨脹系數(shù)a L和長度L的匹配，順次排 列，共同構(gòu)成完整的成像系統(tǒng)。
[0009] 本發(fā)明相比于現(xiàn)有技術(shù)具有如下有益效果。
[0010] 適應(yīng)溫度范圍大。本發(fā)明基于光學(xué)被動(dòng)消熱差原理，除了球罩2米用IRG04紅外 玻璃材料外，其余透鏡采用了硅、鍺和硒化鋅共三種鏡頭材料，采用與鏡筒材料線膨脹系數(shù) 相匹配的透鏡材料，補(bǔ)償因鏡筒材料溫度變化造成的熱脹冷縮而導(dǎo)致的離焦，同時(shí)采用了 光學(xué)補(bǔ)償?shù)淖兘狗绞綄?shí)現(xiàn)全溫度范圍內(nèi)的雙視場變焦。通過透鏡材料按以上規(guī)律的配對組 合，配合鋁合金鏡筒的線膨脹系數(shù)a L和長度L，并基于光學(xué)補(bǔ)償變焦結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)消 熱差和色差的光學(xué)補(bǔ)償雙視場變焦的功能。在中波紅外（3. 7μπι?4. 8μπι)波段，采用光 學(xué)補(bǔ)償變焦方式，在_45°C?60°C溫度變化范圍內(nèi)，焦距實(shí)現(xiàn)了 60mm和180mm的雙視場變 化。在-45°C?60°C的溫度范圍內(nèi)，在60mm和180mm焦距的兩個(gè)視場變化時(shí)，調(diào)制傳遞函 數(shù)MTF都能保持截止頻率為171p/mm時(shí)在0. 5以上； 鏡筒材料普遍。本發(fā)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 系數(shù)更低的鏡筒材料。當(dāng)然，采用其他熱膨脹系數(shù)更低的鏡筒材料，采用本光學(xué)結(jié)構(gòu)對鏡片 的曲率半徑、厚度、鏡片間隔和鏡片的非球面系數(shù)進(jìn)行簡單修改，則可在高低溫環(huán)境下獲得 更為優(yōu)良的光學(xué)性能。
[0011] 本發(fā)明通過合理分配光焦度和光學(xué)材料，利用光學(xué)被動(dòng)式消熱差，在溫度變化時(shí) 實(shí)現(xiàn)焦面位置與鏡筒長度變化的匹配，克服了鏡頭光焦度發(fā)生變化，產(chǎn)生熱離焦現(xiàn)象的問 題，從而在規(guī)定溫度范圍內(nèi)保證鏡頭的成像質(zhì)量。
[0012] 鏡片少，非球面少。本發(fā)明除去保護(hù)鏡片的球罩，只采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采用的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(jià)。
[0014] 系統(tǒng)體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，變焦方式簡單。本發(fā)明采用在變焦過程中，始終在光軸上 前后移動(dòng)的變焦鏡組4,通過固連在鏡筒上的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)控制變焦鏡4在光學(xué)系統(tǒng)光軸 方向前后直線移動(dòng)實(shí)現(xiàn)大小視場的變換。本發(fā)明在變焦過程中，變焦鏡4始終在光軸上前 后移動(dòng)；變倍時(shí)光圈F數(shù)恒定，總長固定不變，質(zhì)心變化較小，在軸上平移實(shí)現(xiàn)雙視場變焦。 (本系統(tǒng)為光學(xué)補(bǔ)償?shù)碾p視場變焦系統(tǒng)，即只有大小兩個(gè)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(fā)明可以作為軍警民用監(jiān)控、搜索與跟蹤瞄準(zhǔn)等的光學(xué)系統(tǒng)。
[0016]

【專利附圖】

【附圖說明】 圖1是本發(fā)明緊湊型雙視場中波紅外消熱差鏡頭長焦180mm時(shí)的示意圖。
[0017] 圖2是本發(fā)明緊湊型雙視場中波紅外消熱差鏡頭短焦60mm時(shí)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(fù)透鏡，4變焦鏡，5后 固定組，501雙凸正透鏡，502彎月負(fù)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(shí)施方式】
[0019] 為了進(jìn)一步清楚闡述本發(fā)明，下面將提供【具體實(shí)施方式】并與附圖相結(jié)合，對本技 術(shù)方案進(jìn)行說明，但是不應(yīng)當(dāng)將其理解為對本發(fā)明的限定。
[0020] 參閱圖1、圖2。在以下實(shí)施例描述的緊湊型雙視場中波紅外消熱差鏡頭中，根據(jù) 中紅外波段無熱化雙視場變焦光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)補(bǔ)償變焦原理，光學(xué)系統(tǒng)在焦距的變化過程中 系統(tǒng)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和后固定鏡組5。在探測器光窗7附近還設(shè)有一個(gè)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、后固定鏡組5?探測器焦面9的位置恒定。紅外光學(xué)玻璃球罩2可以是IRG04紅外玻璃 材料制成的球罩。球罩2位于物面1與所述前固定鏡組3之間。所述前固定鏡組由硅正透 鏡和鍺負(fù)透鏡組成；在變焦過程中始終在光軸上前后移動(dòng)的變焦鏡為鍺負(fù)透鏡。通過固連 在鏡筒上的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)變焦鏡4在光學(xué)系統(tǒng)光軸方向前后直線移動(dòng)實(shí)現(xiàn)變焦。后固定鏡 組為硒化鋅材料的正透鏡和鍺材料的負(fù)透鏡。變焦鏡組與前固定鏡組、中間固定鏡組和后 固定鏡組共同構(gòu)成完整的成像系統(tǒng)。在向長焦變化時(shí)，變焦鏡4朝向焦面9 一側(cè)運(yùn)動(dòng)，在向 短焦變化時(shí)，變焦鏡4朝向物面1 一側(cè)運(yùn)動(dòng)。窄視場時(shí)，變焦鏡4往靠近探測器焦面9方向 一側(cè)平移。無窮遠(yuǎn)平行光從物面1進(jìn)入IRG04紅外玻璃材料的球罩2,經(jīng)前兩片間距恒定的 硅材料的彎月正透鏡301和鍺材料的凹面負(fù)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由采用色散系數(shù) Vi較大，折射率 /溫度系數(shù)dn/dT適中，線膨脹系數(shù)^較小的硅材料的正透鏡301和色散系數(shù)Vi較小， 折射率/溫度系數(shù)dn/dT較大，線膨脹系數(shù)α ,較小的鍺材料的凹面負(fù)透鏡302組成。
[0021] 為消熱差、色差和單色像差并實(shí)現(xiàn)光學(xué)補(bǔ)償?shù)碾p視場變焦，所述變焦鏡4由采用 色散系數(shù)v i較小，折射率/溫度系數(shù)dn/dT較大，線膨脹系數(shù)a i較小的鍺材料的雙凹負(fù) 透鏡，通過驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)變焦鏡在光學(xué)系統(tǒng)光軸方向前后直線移動(dòng)實(shí)現(xiàn)變焦。
[0022] 為消熱差、色差和單色像差，所述后固定鏡組5為采用色散系數(shù)Vi較大，折射率/ 溫度系數(shù)dn/dT適中，線膨脹系數(shù)a i較小的硒化鋅材料的雙凸正透鏡501和色散系數(shù)v i 較小，折射率/溫度系數(shù)dn/dT較大，線膨脹系數(shù)a i較小的鍺材料彎月負(fù)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(cè)為非球面，以校正系統(tǒng)單色像差。
[0023] 為消熱差和色差，光學(xué)系統(tǒng)需滿足以下消熱差條件：

【權(quán)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)、后固定鏡組（5)，探測器窗口（7)和探測 器濾光片（8)，其特征在于：所述物面（1)與所述前固定鏡組（3)之間設(shè)置有一紅外光學(xué)玻 璃球罩（2)，前固定鏡組（3)由硅正透鏡和鍺負(fù)透鏡組成，位于前固定鏡組（3)與后固定鏡 組（5)之間并在變焦過程中始終在光軸上前后移動(dòng)的變焦鏡組（4)為鍺材料的雙凹負(fù)透 鏡，后固定鏡組（5)為硒化鋅材料的雙凸正透鏡和鍺材料的彎月負(fù)透鏡，其中雙凸正透鏡 (501)靠近物面（1) 一側(cè)為非球面；球罩（2)、前固定鏡組（3)、變焦鏡（4)、后固定鏡組（5) 和溫闌（6)，通過按以上規(guī)律透鏡材料的配對組合與鏡筒材料線膨脹系數(shù)aL和長度L的匹 配，順次排列，共同構(gòu)成完整的成像系統(tǒng)。
2. 權(quán)利要求1所述的緊湊型雙視場中波紅外消熱差鏡頭，其特征在于，前固定鏡組（3) 是由采用硅材料的彎月正透鏡（301)和鍺材料的凹面負(fù)透鏡（302)組成的兩片式透鏡組。
3. 如權(quán)利要求2所述的緊湊型雙視場中波紅外消熱差鏡頭，其特征在于，從球罩（2)進(jìn) 入的光線經(jīng)彎月正透鏡（301)形成匯聚角較大的匯聚光，經(jīng)過彎月正透鏡（301)的匯聚光 進(jìn)入與之配合的凹面負(fù)透鏡（302)，減小由彎月正透鏡（301)產(chǎn)生的匯聚角。
4. 如權(quán)利要求3所述的緊湊型雙視場中波紅外消熱差鏡頭，其特征在于，凹面負(fù)透鏡 (302)作為與彎月正透鏡（301)配合的前固定組（3)的負(fù)透鏡，平衡彎月正透鏡（301)的負(fù) 色差、單色像差和熱差。
5. 如權(quán)利要求1所述的緊湊型雙視場中波紅外消熱差鏡頭，其特征在于，前固定鏡組 (3)出射的匯聚光進(jìn)入變焦鏡（4)產(chǎn)生正色差和負(fù)熱差形成發(fā)散光進(jìn)入后固定鏡組（5)，散 光入雙凸正透鏡（501)形成匯聚光，通過彎月負(fù)透鏡（502)減小發(fā)散角，再經(jīng)后置溫闌（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(quán)利要求1所述的緊湊型雙視場中波紅外消熱差鏡頭，其特征在于，在向長焦變化 時(shí)，變焦鏡（4)朝向焦面（9) 一側(cè)運(yùn)動(dòng)，在向短焦變化時(shí)，變焦鏡（4)朝向物面1 一側(cè)運(yùn)動(dòng)； 窄視場時(shí)，變焦鏡（4)往靠近探測器焦面（9)方向一側(cè)平移。
7. 權(quán)利要求1所述的緊湊型雙視場中波紅外消熱差鏡頭，其特征在于，所述后固定鏡 組（5)為采用色散系數(shù)Vi較大，折射率/溫度系數(shù)dn/dT適中，線膨脹系數(shù)^較小的硒 化鋅材料的雙凸正透鏡（501)和色散系數(shù)v i較小，折射率/溫度系數(shù)dn/dT較大，線膨脹 系數(shù)^較小的鍺材料彎月負(fù)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(cè)為非球面。
8. 權(quán)利要求1所述的緊湊型雙視場中波紅外消熱差鏡頭，其特征在于，紅外光學(xué)玻璃 球罩（2)是IRG04紅外玻璃材料制成的球罩。
9. 權(quán)利要求1所述的緊湊型雙視場中波紅外消熱差鏡頭，其特征在于，凹面負(fù)透鏡 (302)為鍺材料的球面鏡，鍺材料在3. 7?4. 8 μ m波段的阿貝系數(shù)為228,折射率為4,折射 率溫度系數(shù)為420f 1(Γ7/Κ，線膨脹系數(shù)為67?丨(Γ7/Γ 5
10. 權(quán)利要求1所述的緊湊型雙視場中波紅外消熱差鏡頭，其特征在于，變焦鏡（4)通 過固連在鏡筒上的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在光學(xué)系統(tǒng)光軸方向前后直線移動(dòng)實(shí)現(xiàn)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(yōu)先權(quán)日:2014年6月10日
【發(fā)明者】鄧鍵, 安曉強(qiáng), 周通, 童靜, 馬欣 申請人:西南技術(shù)物理研究所