CN103631003B - 长波红外制冷型长焦距、大口径、大视场镜头 - Google Patents
长波红外制冷型长焦距、大口径、大视场镜头 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种长波红外制冷型长焦距、大口径、大视场镜头，所述镜头的光学系统中沿光线自左向右入射方向依次设有前组A和后组B，所述前组A依次设有正月牙型透镜A-1、负月牙型透镜A-2、正月牙型透镜A-3和负月牙型透镜A-4，所述后组B依次设有正月牙型透镜B-1、负月牙型透镜B-2和正月牙型透镜B-3。本发明具有高成像质量、高空间分辨率、大口径、大视场、结构紧凑、体积小巧等特点。在光路设计中，选用锗、硒化锌和IRG205三种红外材料，选用中间有一次像面的光学结构，实现成像质量良好，光学结构简单紧凑，可以与长波红外制冷型640×512，25μm探测器适配，用于全天候全天时对远距离目标进行观测、侦察和跟踪。
Description
技术领域
本发明涉及一种长波红外制冷型长焦距、大口径、大视场镜头，用于全天候全天时对远距离目标进行观测、侦察和跟踪，属于镜头领域。
背景技术
现代化制冷型探测器中集成了一个低温制冷器，这种装置可以使传感器降温度，以降低探测器温度，使得热噪声信号低于成像信号。绝大部分工作在陆地上的温度目标都会辐射8~12μm波段光谱。制冷型长波红外成像系统温度分辨率高，灵敏度高；抗干扰性好、隐蔽性好；图像直观，易于观察；穿透烟尘雾霾能力强；可全天候、全天时工作等优点，广泛应用于红外夜视、红外侦察以及红外制导等方面。
远距离热红外监测需要使用长焦距镜头，非制冷红外成像系统的镜头成本会随着焦距的增大而迅速增加，因此大多数非制冷镜头是短焦镜头。焦距短，口径小，系统的作用距离近，无法满足远距离热红外监测的需求。显然，研制大口径、长焦距、作用距离远的长波红外制冷型成像系统，克服上述缺陷是本发明的研究目的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种长波红外制冷型长焦距、大口径、大视场镜头，该镜头具有空间分辨率高、大口径、大视场、结构紧凑、体积小巧的性能。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种长波红外制冷型长焦距、大口径、大视场镜头，所述镜头的光学系统中沿光线自左向右入射方向依次设有前组A和后组B，所述前组A依次设有正月牙型透镜A-1、负月牙型透镜A-2、正月牙型透镜A-3和负月牙型透镜A-4，所述后组B依次设有正月牙型透镜B-1、负月牙型透镜B-2和正月牙型透镜B-3。
在进一步的技术方案中，所述前组A和后组B之间的空气间隔是39.2mm。
在进一步的技术方案中，所述前组A中的正月牙型透镜A-1和负月牙型透镜A-2之间的空气间隔是164.4mm，所述负月牙型透镜A-2和正月牙型透镜A-3之间的空气间隔是9.4mm，所述正月牙型透镜A-3和负月牙型透镜A-4之间的空气间隔是80.8mm。
在进一步的技术方案中，所述后组B中的正月牙型透镜B-1和负月牙型透镜B-2之间的空气间隔是25.4mm，所述负月牙型透镜B-2和正月牙型透镜B-3之间的空气间隔是16mm。
在进一步的技术方案中，所述镜头的结构包括用以固定镜头的中镜筒，所述中镜筒两端分别通过前支撑架和后支撑架与底板连接。
在进一步的技术方案中，所述中镜筒前端与联接筒连接，所述联接筒前端与前镜筒连接，所述前镜筒前部内壁上设有用以安设正月牙型透镜A-1的A片镜座。
在进一步的技术方案中，所述中镜筒前端内壁与调焦镜筒连接，所述调焦镜筒前端内壁上设有用以安设负月牙型透镜A-2和正月牙型透镜A-3的BC镜座，所述调焦镜筒外部设有用以安设调焦电机的电机架。
在进一步的技术方案中，所述中镜筒后端内壁上设有用以安设负月牙型透镜A-4、正月牙型透镜B-1和负月牙型透镜B-2的后镜座。
在进一步的技术方案中，所述中镜筒后端与法兰盘连接，所述法兰盘前端内壁安设正月牙型透镜B-3，所述法兰盘后端与用以安设红外探测器的探测器架连接。
在进一步的技术方案中，所述中镜筒后端与后舱连接，所述后舱与制冷器舱连接。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明具有高成像质量、高空间分辨率、大口径、大视场、结构紧凑、体积小巧等特点。在光路设计中，选用锗、硒化锌和IRG205三种红外材料，选用中间有一次像面的光学结构，通过计算机光学辅助软件优化设计，实现成像质量良好，光学结构简单紧凑，可以与长波红外制冷型640×512，25μm探测器适配，用于全天候全天时对远距离目标进行观测、侦察和跟踪。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
图1为本发明实施例的光学系统示意图。
图2为本发明实施例的结构主视示意图。
图3为本发明实施例的结构右视示意图。
图中：1-正月牙型透镜A-1，2-A片镜座，3-前镜筒，4-联接筒，5-前支撑架，6-调焦镜筒，7-电机架，8-调焦电机，9-D片镜座，10-负月牙型透镜A-4，11-后镜座，12-正月牙型透镜B-1，13-负月牙型透镜B-2，14-法兰盘，15-正月牙型透镜B-3，16-探测器架，17-后舱，18-探测器，19-内六角螺钉，20-内六角螺钉，21-O型密封圈，22-内六角螺钉，23-O型密封圈，24-后支撑架，25-中镜筒，26-底板，27-内六角螺钉，28-正月牙型透镜A-3，29-BC镜座，30-移动座，31-负月牙型透镜A-2，32-内六角螺钉，33-内六角螺钉，34-O型密封圈，35-内六角螺钉，36-O型密封圈，37-O型密封圈，38-O型密封圈，39-制冷器舱，40-内六角螺钉；A-前组，A-1-正月牙型透镜，A-2-负月牙型透镜，A-3-正月牙型透镜，A-4-负月牙型透镜，B-后组，B-1-正月牙型透镜，B-2-负月牙型透镜，B-3-正月牙型透镜。
具体实施方式
如图1所示，一种长波红外制冷型长焦距、大口径、大视场镜头，所述镜头的光学系统中沿光线自左向右入射方向依次设有前组A和后组B，所述前组A依次设有正月牙型透镜A-1、负月牙型透镜A-2、正月牙型透镜A-3和负月牙型透镜A-4，所述后组B依次设有正月牙型透镜B-1、负月牙型透镜B-2和正月牙型透镜B-3。
在本实施例中，所述前组A和后组B之间的空气间隔是39.2mm；所述前组A中的正月牙型透镜A-1和负月牙型透镜A-2之间的空气间隔是164.4mm，所述负月牙型透镜A-2和正月牙型透镜A-3之间的空气间隔是9.4mm，所述正月牙型透镜A-3和负月牙型透镜A-4之间的空气间隔是80.8mm；所述后组B中的正月牙型透镜B-1和负月牙型透镜B-2之间的空气间隔是25.4mm，所述负月牙型透镜B-2和正月牙型透镜B-3之间的空气间隔是16mm。
在本实施例中，由上述镜片组构成的光学系统达到了如下的光学指标：（1）工作波段：8μm-12μm；（2）焦距：f′=407mm；（3）探测器：长波红外制冷型640×512，25μm；（4）视场角：2.25°×1.8°；（5）相对孔径D/f′：1/1.67；（6）光学长度∑L：≤440mm。
在本实施例中，为了实现100%冷光阑效率，在光学设计时，采用二次成像结构，以减小系统的径向尺寸。选择合理的初始结构进行优化设计，光学系统前组由正月牙型透镜A-1、负月牙型透镜A-2、正月牙型透镜A-3和负月牙型透镜A-4组成。在设计中，尽量使负月牙型透镜A-2、正月牙型透镜A-3远离正月牙型透镜A-1，使其口径尽量小，减小光学重量及成本；后组由正月牙型透镜B-1、负月牙型透镜B-2和正月牙型透镜B-3组成；设计中，在正月牙型透镜A-3、正月牙型透镜B-3前表面分别采用偶次非球面，使得光学系统的结构更简化，成像质量良好。为了满足高低温和远近距要求，系统通过负月牙型透镜A-2和正月牙型透镜A-3来实现高低温补偿（在-30℃到+50℃温度）及远近距补偿。
如图2~3所示，所述镜头的结构包括用以固定镜头的中镜筒25，所述中镜筒25两端分别通过前支撑架5和后支撑架24与底板26连接。所述中镜筒25前端与联接筒4连接，所述联接筒4前端与前镜筒3连接，前镜筒3后端与联接筒4前端通过8个内六角螺钉35连接并紧固，联接筒4后端与中镜筒25前端通过8个内六角螺钉33连接并紧固。所述前镜筒3前部内壁上设有用以安设正月牙型透镜A-1的A片镜座2，A片镜座2从前镜筒3的前端装入，A片镜座2与前镜筒3采用螺纹及主正面配合，能够有效保证同心度需求。正月牙型透镜A-1用压圈固紧于A片镜座2内。在正月牙型透镜A-1与A片镜座2、A片镜座2与前镜筒3、前镜筒3与联接筒4、联接筒4与中镜筒25配合处均安设有O型密封圈，保证镜头的密封性能。所有螺纹配合处均点注虫胶，此方法有助于提高光学镜头部分的耐振动和耐冲击性能，提高整体镜头的抗震性能。
在本实施例中，所述中镜筒25前端内壁通过6个内六角螺钉32与调焦镜筒6连接，所述调焦镜筒6前端内壁上设有用以安设负月牙型透镜A-2和正月牙型透镜A-3的BC镜座29，负月牙型透镜A-2和正月牙型透镜A-3通过隔圈与压圈安设于BC镜座29内。BC镜座29与移动座30采用螺纹及主正面配合，能够有效保证同心度需求。移动座30安设于调焦镜筒6前端内壁。所述调焦镜筒6外部通过螺钉连接用以安设调焦电机8的电机架7。所有螺纹配合处均点注虫胶。
在本实施例中，所述中镜筒25后端内壁上设有用以安设负月牙型透镜A-4、正月牙型透镜B-1和负月牙型透镜B-2的后镜座11，正月牙型透镜B-1和负月牙型透镜B-2通过隔圈与压圈安设于后镜座11内，负月牙型透镜A-4通过压圈安设于D片镜座9内。D片镜座9通过螺纹及主正面与后镜座11前端内壁连接，后镜座11通过4个内六角螺钉27与中镜筒25后端内壁连接。所述中镜筒25后端通过6个内六角螺钉20与法兰盘14连接，所述法兰盘14前端内壁安设正月牙型透镜B-3，正月牙型透镜B-3通过压圈安设于法兰盘14内。正月牙型透镜B-3与法兰盘14、法兰盘14与中镜筒25配合处均安设有O型密封圈。所有螺纹配合处均点注虫胶。
在本实施例中，所述法兰盘14后端通过4个内六角螺钉19与用以安设红外探测器18的探测器架16连接。所述中镜筒25后端通过6个内六角螺钉22与后舱17连接，所述后舱17通过10个内六角螺钉40与制冷器舱39连接。后舱17与中镜筒25、后舱17与制冷器舱39配合处均安设有O型密封圈。所有螺纹配合处均点注虫胶。
本发明的优点如下：
（1）在光学设计中，合理分配前组A和后组B的光焦度，可以通过锗、硒化锌和IRG205三种红外材料配合，采用两个非球面，使镜头达到长焦距、大口径、大视场及结构简单紧凑的性能指标；
（2）在光学设计中，通过负月牙型透镜A-2和正月牙型透镜A-3同时移动实现高低温补偿和远近距补偿，来保证镜头在高低温环境下及远近距中的使用要求；
（3）在保证结构紧凑的前提下，采取一系列措施，提高了镜头耐振动、冲击的能力；
（4）在镜头结构设计中进行了刚度计算，适当增加壁厚，提高固有频率，提高镜头的抗振能力，保证系统的使用要求。同时各密封部位采用O型密封圈密封，保证镜头的密封性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (7)
1.一种长波红外制冷型长焦距、大口径、大视场镜头，其特征在于：所述镜头的光学系统中沿光线自左向右入射方向依次设有前组A和后组B，所述前组A依次设有正月牙型透镜A-1、负月牙型透镜A-2、正月牙型透镜A-3和负月牙型透镜A-4，所述后组B依次设有正月牙型透镜B-1、负月牙型透镜B-2和正月牙型透镜B-3；所述前组A和后组B之间的空气间隔是39.2mm；所述前组A中的正月牙型透镜A-1和负月牙型透镜A-2之间的空气间隔是164.4mm，所述负月牙型透镜A-2和正月牙型透镜A-3之间的空气间隔是9.4mm，所述正月牙型透镜A-3和负月牙型透镜A-4之间的空气间隔是80.8mm；所述后组B中的正月牙型透镜B-1和负月牙型透镜B-2之间的空气间隔是25.4mm，所述负月牙型透镜B-2和正月牙型透镜B-3之间的空气间隔是16mm；所述镜头的焦距f′为407mm，视场角为2.25°×1.8°，相对孔径D/f′为1/1.67。
2.根据权利要求1所述的长波红外制冷型长焦距、大口径、大视场镜头，其特征在于：所述镜头的结构包括用以固定镜头的中镜筒，所述中镜筒两端分别通过前支撑架和后支撑架与底板连接。
3.根据权利要求2所述的长波红外制冷型长焦距、大口径、大视场镜头，其特征在于：所述中镜筒前端与联接筒连接，所述联接筒前端与前镜筒连接，所述前镜筒前部内壁上设有用以安设正月牙型透镜A-1的A片镜座。
4.根据权利要求2所述的长波红外制冷型长焦距、大口径、大视场镜头，其特征在于：所述中镜筒前端内壁与调焦镜筒连接，所述调焦镜筒前端内壁上设有用以安设负月牙型透镜A-2和正月牙型透镜A-3的BC镜座，所述调焦镜筒外部设有用以安设调焦电机的电机架。
5.根据权利要求2所述的长波红外制冷型长焦距、大口径、大视场镜头，其特征在于：所述中镜筒后端内壁上设有用以安设负月牙型透镜A-4、正月牙型透镜B-1和负月牙型透镜B-2的后镜座。
6.根据权利要求2所述的长波红外制冷型长焦距、大口径、大视场镜头，其特征在于：所述中镜筒后端与法兰盘连接，所述法兰盘前端内壁安设正月牙型透镜B-3，所述法兰盘后端与用以安设红外探测器的探测器架连接。
7.根据权利要求2所述的长波红外制冷型长焦距、大口径、大视场镜头，其特征在于：所述中镜筒后端与后舱连接，所述后舱与制冷器舱连接。
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