CN103676111B - 双视场长波红外光学被动消热差光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种双视场长波红外光学被动消热差光学系统，旨在提供一种透镜利用率高，具有双视场，能自动适应环境温度变化,实现消热差和消色差的无热化双视场光学系统。本发明通过下述技术方案予以实现：前固定组由位于正透镜（8）与变焦镜负透镜（6）之间的凸面负透镜（7）和正透镜构成；后固定组由靠近透镜（5）的负透镜（4）、靠近凹凸面透镜（2）的凸面的凸透镜（3）共四片透镜构成；变焦镜负透镜以电机作为驱动源沿光轴方向前后移动，焦距从50mm到150mm切换变化，实现两档双视场变焦，长焦时光学系统孔径光阑位于双凸透镜上，短焦时光学系统孔径光阑位于正透镜上；变焦镜负透镜与前固定镜组和后固定镜组共同构成完整的成像系统。

Description

双视场长波红外光学被动消热差光学系统

技术领域

本发明涉及一种主要用于长波红外波段的消热差双视场光学系统。具体而言，本发明涉及一种使用双视场变焦且具有光学被动消热差功能的长波红外光学系统。

背景技术

光学仪器在较大温度范围内使用时，镜筒材料、光学材料的热胀冷缩以及光学材料的温度折射率系数会使镜头光焦度发生变化，产生离焦现象，而镜筒材料的热胀冷缩也会造成光学系统离焦，使成像质量下降。为了降低温度变化对红外光学系统成像质量的影响，需要进行无热化设计，或称为消热差设计，即通过一定的机械、光学及电子等技术，补偿因温度变化产生的离焦，使红外光学系统在一个变化范围较大的温度区间内保持成像质量的稳定。目前的消热差方式主要有：机电主动式消热差、机械被动式消热差和光学被动式消热差。其中，光学被动式消热差是通过合理分配光焦度和光学材料，在温度变化时实现焦面位置与镜筒长度变化的匹配，从而在规定温度范围内保证镜头的成像质量。在同一光学系统中为了实现大小两个视场的兼容，需要进行变焦系统设计，主要基于物像交换原则的方式。对于光学系统中任意一个透镜组元，都有两个位置实现共轭距不变，即物面与像面稳定不变，而且在这两个位置上光学系统的放大倍率互为倒数。这相当于在保持共轭距不变的同时，把物面与像面交换位置，这就是物像交换原则。借此可以实现无需像面位移补偿的双视场变焦系统。

美国专利US6424460公开了一种基于光学被动消热差原理的制冷式的光学镜头，该光学镜头通过适当的变焦镜组的移动实现了双视场，但其设计的使用范围仅为红外中波波段，而且使用三个非球面，虽然同样为7片透镜。

美国专利No5202792公开了一种同样光学被动消热差的光学系统设计。采用三片式、三种材料，实现了长波红外消热差但是像面弯曲，也没有实现双视场。

2011年刊载于中国文献《应用光学》杂志，第32卷第4期，第767～772页，名称为《被动无热化切换式长波红外双视场望远镜》，其中公开的光学镜头，波段为长波红外（7.7～10.3μm），同样通过切换式分别切入两块透镜实现了光学系统双视场，同样实现光学被动消热差功能，但是其在窄视场使用了6片，宽视场使用了多达10片透镜，总计11片不同透镜来实现双视场消热差。系统笨重，可靠性降低。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术存在的不能同时满足长波红外消热差和双视场的要求，提供一种变焦方式简单，透镜利用率高，具有双视场，能自动适应环境温度变化,能够在长波红外材料种类较少的限制下，实现消热差和消色差的双视场长波红外光学被动消热差光学系统。

为了实现上述发明目的，本发明提供了一种双视场长波红外光学被动消热差光学系统，包括：从物面9到焦面1依次排列的前固定组透镜、变焦镜负透镜6和后固定组透镜，其特征在于：所述前固定组由物面9之后的正透镜8和位于正透镜8与变焦镜负透镜6之间的凸面负透镜7构成；后固定组由靠近双凸透镜5的负透镜4、靠近凹凸面透镜2凸面的凸透镜3以及凹凸面透镜2构成；变焦镜负透镜以固联在镜筒上的电机作为驱动源，通过齿轮-导轨机构驱动变焦镜负透镜6沿光轴方向前后移动，焦距从50mm到150mm切换变化，实现两档双视场变焦，在向长焦变化时，变焦镜负透镜6朝向焦面1一侧运动；在向短焦变化时，变焦镜负透镜变焦镜负透镜6朝向物面9一侧运动，长焦时光学系统孔径光阑位于双凸透镜5上，短焦时光学系统孔径光阑位于正透镜8上；变焦镜负透镜6与前固定镜组和后固定镜组共同构成完整的成像系统，且该成像系统满足以下条件：

$\left\{\begin{array}{c}\underset{i-1}{\overset{\mathrm{\α}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\φ}}_i=\mathrm{\φ}\\ \underset{i-1}{\overset{\mathrm{\α}}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\φ}}_i}{v_i}=0\\ \underset{i-1}{\overset{\mathrm{\α}}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{d\φ}}_i}{\mathrm{dT}}={\mathrm{\α}}_{L}L\end{array}\right.$

式中：φ_i为每块透镜的光焦度，φ为光学系统光焦度，ν_i为每块透镜的色散系数，为透镜材料因折射率/温度系数dn/dT和材料线膨胀系数α_i引起的焦距变化，α_L为镜筒材料的线膨胀系数，L为镜筒长度。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

作为双视场系统和长波红外系统，本发明与现有技术相比，具有结构简单，仅需要7片透镜、移动单片透镜就可以实现双视场；能够在长波红外波段同时实现消热差和消色差设计。变焦方式简单，透镜利用率高，并无闲置透镜。能够在长波红外材料种类较少的限制下，选择适当的材料组合实现了消热差和消色差。

本发明基于光学被动消热差原理，在长波红外（8μm～12μm）波段，采用以物像交换原则为原理的双视场变焦方式，在-40℃～60℃温度变化范围内，焦距能从50mm到150mm切换变化。在-40℃～60℃的温度范围内，在50和150mm焦距的位置时，对同一景物成像，无需调焦，所有焦距、所有视场的光学调制传递函数MTF都能保持截止频率为30lp/mm时在0.3以上，且接近衍射极限。由负凸透镜3构成的变焦镜组，在变视场过程中始终在光轴上前后移动，变倍时光圈F数恒定，总长固定不变，质心变化较小，系统体积小，结构紧凑，变焦方式简单。

本发明的镜筒材料为普通钢制镜筒材料，其热胀系数为14*10^-6/K。若考虑采用更好的绝热措施或者更低的热胀系数材料，如钛合金等，将适应温度变化范围更大的恶劣的环境气候变化，可在高低温环境下获得MTF值更接近衍射极限的光学性能。同时，由于本发明仅采用了7片透镜，具有较好的公差特性和冷反射控制能力。

本发明可以作为工作于长波红外波段的各类导弹导引头、军警民用监控、搜索与跟踪瞄准等的光学系统。

附图说明

图1是本发明长波红外光学被动消热差双视场光学系统透镜模型示意图。

图2是图1的构造示意图，

图3为150mm焦距时的状态示意图

图4为50mm焦距时的状态示意图。

图中：1焦面，2凹凸面透镜、3凸透镜、4负透镜、5双凸透镜，6变焦镜负透镜，7凸面负透镜、8正透镜，9物面。

具体实施方式

为了进一步清楚阐述本发明，下面将提供具体实施方式并与附图相结合，对本技术方案进行说明，但是不应当将其理解为对本发明的限定。

参阅图1、图2。在以下描述的实施例中，双视场长波红外光学被动消热差光学系统，包括：从物面9到焦面1依次排列的前固定组透镜、变焦镜负透镜6和后固定组透镜。前固定组由物面9之后的正透镜8和位于正透镜8与变焦镜负透镜6之间的凸面负透镜7构成；后固定组由双凸透镜5、靠近正透镜5的负透镜4、靠近凹凸面透镜2凸面的凸透镜3以及透镜2共4片透镜构成。长焦时光学系统孔径光阑位于双凸透镜5上，短焦时光学系统孔径光阑位于正透镜8上，光阑位置可变。中间变焦镜6为负透镜，以固联在镜筒上的电机作为驱动源，通过齿轮-导轨机构驱动镜组在光学系统光轴方向前后快速直线移动，沿光轴方向前后移动实现两档双视场变焦。在变焦过程中，变焦镜负透镜6在光轴上快速前后方向运动。窄视场时，变焦镜负透镜6往靠近像面方向一侧平移；在从窄视场向宽视场变化过程中，变焦镜6向物面方向一侧移动。在向长焦变化时，变焦镜负透镜6朝向焦面1一侧运动；在向短焦变化时，变焦镜负透镜6朝向物面9一侧运动，运动过程为快速直线运动，实现及时切换，并与前固定镜组和后固定镜组共同构成完整的成像系统。

为消热差和色差，成像系统满足以下条件：

$\left\{\begin{array}{c}\underset{i-1}{\overset{\mathrm{\α}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\φ}}_i=\mathrm{\φ}\\ \underset{i-1}{\overset{\mathrm{\α}}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\φ}}_i}{v_i}=0\\ \underset{i-1}{\overset{\mathrm{\α}}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{d\φ}}_i}{\mathrm{dT}}={\mathrm{\α}}_{L}L\end{array}\right.$

式中φ_i为每块透镜的光焦度，φ为光学系统光焦度，ν_i为每块透镜的色散系数，为透镜材料因折射率/温度系数dn/dT和材料线膨胀系数α_i引起的焦距变化，α_L为镜筒材料的线膨胀系数，L为镜筒长度。

为消热差和色差，所述前固定镜组由正透镜8和凸面负透镜7构成。其中正透镜8可以采用国内牌号为IRG201的长波红外材料（其美国牌号为AMTIR-1，德国牌号为IG2）；凸面负透镜7采用ZnS材料。

为消热差和色差并实现双视场变焦，所述变焦镜组由采用锗Ge材料的负透镜6，以固联在镜筒上的电机作为驱动源，通过齿轮-导轨机构驱动变焦镜组在光学系统光轴方向前后快速直线移动，沿光轴方向前后移动实现切换视场。

所述后固定镜组为了平衡前边的热差和色差，双凸透镜5和3采用IRG201，透镜4和2为ZnS材料的负透镜。

通过透镜材料按以上规律的配对组合，配合普通钢制镜筒的线膨胀系数α_L和长度L，并基于物像交换原则的双视场变焦结构，实现了同时消热差和色差的双视场变焦的功能。上述长波红外光学被动消热差双视场光学系统基于物像交换原则的双视场原理，光学系统在焦距的变化过程中系统总长不变，其中，前固定镜组、后固定镜组和焦面1的位置恒定。

参阅图2、图3。在长波红外光学被动消热差双视场光学系统中，光学系统分为前固定组、变焦镜负透镜6、后固定组，从物面9到焦面1依次排列前固定镜组、变焦镜负透镜6和后固定镜组。前固定镜组由两片间距恒定的IRG201正透镜8和ZnS凸面负透镜7组成。变焦镜负透镜6在光轴上快速前后运动，在移动到两端位置时对应有两个视场，即两个焦距。后固定组镜固定放置在变焦组镜6之后；由IRG201为材料的双凸透镜5、凸透镜3以及由ZnS构成的负透镜4、凹凸面透镜2构成。前固定组、后固定组在变焦过程中固定不动。光学系统焦距从50mm到150mm切换而系统总长不变，在对同一景物成像时，在-40℃～60℃温度范围不经调焦都具有较好的成像质量。光学系统共三个镜组，此时焦距为150mm，从物面9到焦面1依次排列前固定镜组、变焦镜负透镜6和后固定镜组，以及焦面1共同构成完整的成像系统。

光学系统至少含有两片非球面，其中一片为后固定镜组的双凸透镜5，靠近物面9的一侧，另一片为后固定组的凸透镜3，靠近物面9的一侧。

前固定镜组是由焦距大于160mm，采用湖北新华光长波红外材料IRG201的正透镜8和焦距小于-303mm，采用ZnS材料的凸面负透镜7组成的两片式透镜组，两透镜顶点间距大于52mm。

变焦镜负透镜6由锗Ge材料负透镜构成，焦距小于-47mm。在变焦过程中始终在光轴上前后移动，在长焦150mm焦距时，负透镜6朝向物面一侧的面顶点距离凸面负透镜7朝向焦面一侧面的顶点距离大于62mm；在短焦50mm焦距时，负透镜6朝向物面一侧的面顶点距离凸面负透镜7朝向焦面一侧面的顶点距离为8mm。

后固定镜组由四个透镜构成，其中，双凸透镜5和凸透镜3为IRG201材料，负透镜4和凹凸面透镜2为ZnS材料，分别位于透镜5和透镜3之后，即焦面1所在方向。四片透镜焦距依序号从5到2分别：大于45mm、小于-272mm、小于47mm、大于-78mm。双凸透镜5靠近物面一侧的面顶点，距离变焦镜负透镜6靠近焦面一侧的顶点距离，在长焦150mm以及短焦50mm处时，分别小于1mm和小于55mm。其中双凸透镜5靠近物面一侧的面为高次非球面。双凸透镜5与之后的负透镜4之间间距小于1mm，负透镜4与之后的凸透镜3之间间距小于54mm，凸透镜3和负透镜2之间间距为0.5mm。其中凸透镜3靠近物面一侧的面为高次非球面。焦面位于后固定组的透镜2靠近焦面一侧顶点距离小于7mm处。

镜筒材料为线膨胀系数为14×10^-6/K的普通钢，即可保证光学系统在-40℃～60℃的温度范围的成像质量。若采用热胀系数更小的钛合金将会有更好的消热差效果，即更高的温度适应性，其成像质量将会更好。

本实施例中将该光学设计结构应用于长波红外非制冷型探测器上，波段范围为8～12μm，像元尺寸为17μm×17μm，像元数为640×480。

本实施例中，从前固定组正透镜8靠近物面9一侧的面顶点到像面1的总长为240mm，最大口径小于151mm，焦距范围50mm～150mm，变倍比为3×。具有较小的体积，且属于内变焦，变倍过程中质心变化不大，系统总长恒定，F数恒定。

Claims (9)

1.一种双视场长波红外光学被动消热差光学系统，包括：从物面(9)到焦面(1)依次排列的前固定组透镜、变焦镜负透镜(6)和后固定组透镜，其特征在于：所述前固定组由物面(9)之后的正透镜(8)和位于正透镜(8)与变焦镜负透镜(6)之间的凸面负透镜(7)构成；后固定组由双凸透镜(5)、靠近双凸透镜(5)的负透镜(4)、靠近凹凸面透镜(2)凸面的凸透镜(3)以及凹凸面透镜(2)共4片透镜构成；变焦镜负透镜(6)由锗Ge材料负透镜构成，且焦距小于-47mm，在变焦过程中，在长焦150mm焦距时，变焦镜负透镜(6)朝向物面一侧的面顶点距离凸面负透镜(7)朝向焦面一侧面的顶点距离大于62mm；在短焦50mm焦距时，变焦镜负透镜(6)朝向物面一侧的面顶点距离凸面负透镜(7)朝向焦面一侧面的顶点距离为8mm；变焦镜负透镜以固联在镜筒上的电机作为驱动源，通过齿轮-导轨机构驱动变焦镜负透镜(6)沿光轴方向前后移动，焦距从50mm到150mm切换变化，实现两档双视场变焦，在向长焦变化时，变焦镜负透镜(6)朝向焦面(1)一侧运动；在向短焦变化时，变焦镜负透镜(6)朝向物面(9)一侧运动，长焦时光学系统孔径光阑位于双凸透镜(5)上，短焦时光学系统孔径光阑位于正透镜(8)上；变焦镜负透镜(6)与前固定镜组和后固定镜组共同构成完整的成像系统，且该成像系统满足以下条件：

式中： 为每块透镜的光焦度， 为光学系统光焦度，ν_i为每块透镜的色散系数， 为透镜材料因折射率/温度系数dn/dT和材料线膨胀系数α_i引起的焦距变化，α_L为镜筒材料的线膨胀系数，L为镜筒长度。

2.如权利要求1所述的双视场长波红外光学被动消热差光学系统，其特征在于：前固定镜组由两片间距恒定的IRG201正透镜(8)和ZnS凸面负透镜(7)组成。

3.如权利要求1所述的双视场长波红外光学被动消热差光学系统，其特征在于：后固定组镜固定放置在变焦镜负透镜(6)之后，由IRG201为材料的双凸透镜(5)、凸透镜(3)以及由ZnS构成的负透镜(4)、凹凸面透镜(2)，共4片透镜构成。

4.如权利要求1所述的双视场长波红外光学被动消热差光学系统，其特征在于：光学系统至少含有两个非球面，其中一个为后固定镜组的双凸透镜(5)，靠近物面(9)的一侧；另一个为后固定组的凸透镜(3)，靠近物面(9)的一侧。

5.如权利要求1所述的双视场长波红外光学被动消热差光学系统，其特征在于：前固定镜组是由焦距大于160mm、采用长波红外材料IRG201的正透镜(8)和焦距小于-303mm、采用ZnS材料的凸面负透镜(7)组成的两片式透镜组，上述凸面负透镜(7)和正透镜(8)两透镜顶点间距大于50mm。

6.如权利要求1所述的双视场长波红外光学被动消热差光学系统，其特征在于：后固定镜组由四片透镜构成，其中，双凸透镜(5)和凸透镜(3)为IRG201材料，负透镜(4)和凹凸面透镜(2)为ZnS材料。

7.如权利要求1所述的双视场长波红外光学被动消热差光学系统，其特征在于：双凸透镜(5)靠近物面一侧的面顶点，距离变焦镜负透镜(6)靠近焦面一侧的顶点距离，在长焦150mm以及短焦50mm处时，分别小于1mm和小于55mm。

8.如权利要求1所述的双视场长波红外光学被动消热差光学系统，其特征在于：双凸透镜(5)靠近物面一侧的面为高次非球面；凸透镜(3)靠近物面一侧的面为高次非球面，焦面位于后固定组的透镜(2)靠近焦面一侧顶点距离小于7mm处。

9.如权利要求1所述的双视场长波红外光学被动消热差光学系统，其特征在于：双凸透镜(5)与之后的负透镜(4)之间间距小于1mm，负透镜(4)与之后的凸透镜(3)之间间距小于59mm，凸透镜(3)和负透镜(2)之间间距小于1mm。