CN104049343B - 紧凑型双视场中波红外消热差镜头 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种紧凑型双视场中波红外消热差镜头，旨在提供一种变焦方式简单，成像质量稳定，能够避免镜头产生热离焦现象的一次成像镜头。本发明通过以下述技术方案予以实现：物面(1)与前固定镜组(3)之间设置红外光学玻璃球罩(2)，前固定镜组由硅正透镜和锗负透镜组成，在变焦过程中始终在光轴上前后移动的变焦镜组(4)为锗材料的双凹负透镜，后固定镜组为硒化锌材料的双凸正透镜和锗材料的弯月负透镜，其中双凸正透镜(501)靠近物面一侧为非球面；球罩、前固定镜组、变焦镜(4)、后固定镜组和温阑(6)，通过按以上规律透镜材料的配对组合与镜筒材料线膨胀系数αL和长度L的匹配，顺次排列，共同构成完整的成像系统。

Description

紧凑型双视场中波红外消热差镜头

技术领域

本发明涉及一种主要用于中波红外波段的消热差双视场变焦光学系统。具体而言，本发明涉及一种能够在-45℃～60℃实现光学被动消热差的有大小两个视场变倍比约为3，使用光学补偿双视场变焦且具有光学被动消热差功能的一次成像光学系统，尤其是适用于中红外波段的一次成像变焦光学结构。

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。

在同一光学系统中为了实现大小视场的兼容，需要进行变焦系统设计，主要有基于光学补偿和机械补偿的两种方式。前者的变焦镜组间距固定，在变焦过程中同时同向等速运动，不同的运动位置对应不同的焦距。但由于变焦镜组的间距不变，无法补偿变焦过程中的像差平衡等问题，其焦距变化过程离散，变焦镜组仅能移动到少数几个位置时成清晰像，而不能像机械补偿式变焦系统那样能通过变焦镜组和补偿组在轴上按不同速率和方向的运动实现连续变焦。

2009年刊载于中国文献《光学技术》杂志，第35卷第4期，第566～568页，名称为《无热化双视场红外光学系统的设计》公开的光学镜头，采用了二次成像结构，并采用了三个衍射面和两个非球面，结构体积较大，非球面和衍射面使用较多。

2009年刊载于中国文献《激光与红外》杂志，第39卷第6期，第640～642页，名称为《中波红外双视场光学系统的设计》公开的光学镜头，采用了二次成像结构，切换式变倍，没有实现光学被动消热差功能，在温度有较大变化时需要人工或机械调焦。

2011年刊载于中国文献《应用光学》杂志，第32卷第1期，第133～137页，名称为《双视场红外变焦镜头的无热化研究》公开的光学镜头，没有采用球罩，共采用了六片透镜，采用了硅、锗和硫化锌三种材料，虽然实现了双视场光学被动消热差，但由于没有球罩，在设计中没有将球罩的色散性能考虑在内，而失去了球罩保护，其使用环境收到限制，且采用了六片透镜，结构较为复杂。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术存在的不足之处，提供一种采用光学被动消热差原理，运用于中波红外波段，具有结构紧凑，变焦方式简单，成像质量稳定，能够避免镜头产生热离焦现象的一次成像镜头。

为了实现上述发明目的，本发明提供的一种紧凑型双视场中波红外消热差镜头，包括：依次排列在物面1与焦面9之间，共光轴排列的前固定镜组3、变焦镜组4、后固定镜组5，探测器窗口7和探测器滤光片8，其特征在于：所述物面1与所述前固定镜组3之间设置有一红外光学玻璃球罩2，前固定镜组3由硅正透镜和锗负透镜组成，位于前固定镜组3与后固定镜组5之间并在变焦过程中始终在光轴上前后移动的变焦镜组4为锗材料的双凹负透镜，后固定镜组5为硒化锌材料的双凸正透镜和锗材料的弯月负透镜，其中双凸正透镜501靠近物面1一侧为非球面；球罩2、前固定镜组3、变焦镜4、后固定镜组5和温阑6，通过按以上规律透镜材料的配对组合与镜筒材料线膨胀系数αL和长度L的匹配，顺次排列，共同构成完整的成像系统。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

适应温度范围大。本发明基于光学被动消热差原理，除了球罩2采用IRG04红外玻璃材料外，其余透镜采用了硅、锗和硒化锌共三种镜头材料，采用与镜筒材料线膨胀系数相匹配的透镜材料，补偿因镜筒材料温度变化造成的热胀冷缩而导致的离焦，同时采用了光学补偿的变焦方式实现全温度范围内的双视场变焦。通过透镜材料按以上规律的配对组合，配合铝合金镜筒的线膨胀系数αL和长度L，并基于光学补偿变焦结构，实现了同时消热差和色差的光学补偿双视场变焦的功能。在中波红外(3.7μm～4.8μm)波段，采用光学补偿变焦方式，在-45℃～60℃温度变化范围内，焦距实现了60mm和180mm的双视场变化。在-45℃～60℃的温度范围内，在60mm和180mm焦距的两个视场变化时，调制传递函数MTF都能保持截止频率为17lp/mm时在0.5以上；

镜筒材料普遍。本发明的镜筒材料为低成本的普通铝合金镜筒材料而无需其它热膨胀系数更低的镜筒材料。当然，采用其他热膨胀系数更低的镜筒材料，采用本光学结构对镜片的曲率半径、厚度、镜片间隔和镜片的非球面系数进行简单修改，则可在高低温环境下获得更为优良的光学性能。

本发明通过合理分配光焦度和光学材料，利用光学被动式消热差，在温度变化时实现焦面位置与镜筒长度变化的匹配，克服了镜头光焦度发生变化，产生热离焦现象的问题，从而在规定温度范围内保证镜头的成像质量。

镜片少，非球面少。本发明除去保护镜片的球罩，只采用了五片透镜一片非球面，具有较好的公差特性、冷反射和较低成本。

球罩成本低。球罩2采用的IRG04红外玻璃材料，避免了常用的热压氟化镁、硫化锌等晶体材料较高的造价。

系统体积小，结构紧凑，变焦方式简单。本发明采用在变焦过程中，始终在光轴上前后移动的变焦镜组4，通过固连在镜筒上的驱动机构驱动控制变焦镜4在光学系统光轴方向前后直线移动实现大小视场的变换。本发明在变焦过程中，变焦镜4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，在轴上平移实现双视场变焦。(本系统为光学补偿的双视场变焦系统，即只有大小两个视场清晰，变焦过程中无法成像，变焦本身即为离散过程)。

本发明可以作为军警民用监控、搜索与跟踪瞄准等的光学系统。

附图说明

图1是本发明紧凑型双视场中波红外消热差镜头长焦180mm时的示意图。

图2是本发明紧凑型双视场中波红外消热差镜头短焦60mm时的示意图。

图中：1物面，2球罩，3前固定组，301弯月正透镜，302凹面负透镜，4变焦镜，5后固定组，501双凸正透镜，502弯月负透镜，6温阑，7探测器窗口，8探测器滤光片，9探测器焦面。

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。在以下实施例描述的紧凑型双视场中波红外消热差镜头中，根据中红外波段无热化双视场变焦光学系统光学补偿变焦原理，光学系统在焦距的变化过程中系统总长不变。紧凑型双视场中波红外消热差镜头，从物面1到探测器焦面9依次排列固定球罩2、前固定镜组3、变焦镜4和后固定镜组5。在探测器光窗7附近还设有一个限制成像光束的温阑6、探测器窗口7、探测器滤光片8和探测器焦面9。其中，球罩2、前固定镜组3、后固定镜组5～探测器焦面9的位置恒定。红外光学玻璃球罩2可以是IRG04红外玻璃材料制成的球罩。球罩2位于物面1与所述前固定镜组3之间。所述前固定镜组由硅正透镜和锗负透镜组成；在变焦过程中始终在光轴上前后移动的变焦镜为锗负透镜。通过固连在镜筒上的驱动机构驱动变焦镜4在光学系统光轴方向前后直线移动实现变焦。后固定镜组为硒化锌材料的正透镜和锗材料的负透镜。变焦镜组与前固定镜组、中间固定镜组和后固定镜组共同构成完整的成像系统。在向长焦变化时，变焦镜4朝向焦面9一侧运动，在向短焦变化时，变焦镜4朝向物面1一侧运动。窄视场时，变焦镜4往靠近探测器焦面9方向一侧平移。无穷远平行光从物面1进入IRG04红外玻璃材料的球罩2，经前两片间距恒定的硅材料的弯月正透镜301和锗材料的凹面负透镜302组成的前固定镜组3形成汇聚光。为消热差、色差和球差、慧差等单色像差，所述前固定镜组3由采用色散系数ν_i较大，折射率/温度系数dn/dT适中，线膨胀系数α_i较小的硅材料的正透镜301和色散系数ν_i较小，折射率/温度系数dn/dT较大，线膨胀系数α_i较小的锗材料的凹面负透镜302组成。

为消热差、色差和单色像差并实现光学补偿的双视场变焦，所述变焦镜4由采用色散系数ν_i较小，折射率/温度系数dn/dT较大，线膨胀系数αi较小的锗材料的双凹负透镜，通过驱动机构驱动变焦镜在光学系统光轴方向前后直线移动实现变焦。

为消热差、色差和单色像差，所述后固定镜组5为采用色散系数ν_i较大，折射率/温度系数dn/dT适中，线膨胀系数α_i较小的硒化锌材料的双凸正透镜501和色散系数ν_i较小，折射率/温度系数dn/dT较大，线膨胀系数α_i较小的锗材料弯月负透镜502组成的两片式透镜组，其中双凸正透镜501靠近物面1一侧为非球面，以校正系统单色像差。

为消热差和色差，光学系统需满足以下消热差条件：

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

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，n为透镜折射率，i为每块透镜的编号。

本实施例中光学系统的F#为3，该光学设计结构应用于光圈F#2的中波红外制冷型探测器上，波段范围为3.7～4.8μm，像元尺寸为30μm×30μm，像元数为320×256，其中F#即为光圈数是入瞳口径与焦距之比的倒数，即F＝f/D。

从球罩2进入的光线经弯月正透镜301形成汇聚角较大的汇聚光，经过弯月正透镜301的汇聚光进入与之配合的凹面负透镜302，减小由弯月正透镜301产生的汇聚角。凹面负透镜302作为与弯月正透镜301配合的前固定组3的负透镜，平衡弯月正透镜301的负色差、单色像差和热差。前固定镜组3出射的汇聚光进入变焦镜4产生正色差和负热差形成发散光进入后固定镜组5，在双凸正透镜501形成汇聚光，通过弯月负透镜502减小发散角，再经后置温阑6、探测器窗口7和探测器滤光片8，在探测器焦面9上成像。

在图2所示实施例中，前固定镜组3是由采用硅材料的弯月正透镜301和锗材料的凹面负透镜302组成的两片式透镜组。后固定组5是由硒化锌材料的双凸正透镜501和锗材料的弯月负透镜502组成的两片式透镜组，其中双凸正透镜501靠近物面1一侧为非球面。球罩2采用了IRG04红外玻璃材料。在从窄视场向宽视场变化过程中，变焦镜4向物面1方向一侧移动。

本实施例中，前固定镜组3的弯月正透镜301为硅材料的球面镜，在3.7～4.8μm波段的阿贝系数约为667，折射率约为3.4，折射率温度系数约为线膨胀系数约为作为正透镜，其较高的折射率和较大的阿贝系数在汇聚光束的时候有较低的负色差，较低的折射率温度系数和线膨胀系数有较低的正热差。从球罩2进入的光线经弯月正透镜301后形成汇聚角较大的汇聚光，其焦距在4μm检测波长时约为58.7mm。

本实施例中，经过弯月正透镜301的汇聚光进入与之配合的凹面负透镜302，减小由弯月正透镜301产生的汇聚角。凹面负透镜302为锗材料的球面镜，锗材料在3.7～4.8μm波段的阿贝系数约为228，折射率约为4，折射率温度系数约为线膨胀系数约为凹面负透镜302作为与弯月正透镜301配合的前固定组3的负透镜，其较高的折射率和较小的阿贝系数产生较大的正色差，正好平衡弯月正透镜301的负色差，同时可平衡由弯月正透镜301产生的球差、慧差等单色像差；较高的折射率温度系数和较大的线膨胀系数产生较大的负热差，用以平衡弯月正透镜301产生的热差。凹面负透镜302的焦距在4μm检测波长时约为-86.55mm。

本实施例中，光线经前固定镜组3出射的消除了部分色差、热差和单色像差的汇聚光进入变焦镜4。变焦镜4为锗材料的双凹负透镜，通过固连在镜筒上的驱动机构驱动变焦镜4在光学系统光轴方向前后直线移动实现变焦。在向长焦180mm焦距变化时，变焦镜4在光轴上朝向焦面9一侧运动，变焦镜4朝向物面1一侧的面顶点距离透镜302朝向探测器焦面9一侧面的顶点距离为36.63mm；变焦镜4在向短焦60mm焦距变化时，变焦镜4在光轴上朝向物面1一侧运动，变焦镜4朝向物面1一侧的面顶点距离透镜302朝向探测器焦面9一侧面的顶点距离为11.41mm。锗材料的变焦镜4产生正色差和负热差平衡由前固定镜组3残余的部分色差和热差，并平衡残余的部分单色像差。变焦镜4的焦距在4μm检测波长时约为-21.85mm。

本实施例中，经过变焦镜4消除了部分色差、热差和单色像差的的光线形成发散光，进入后固定镜组5。后固定镜组5由硒化锌材料的双凸正透镜501和锗材料弯月负透镜502组成。

本实施例中，双凸正透镜501为硒化锌材料。经变焦镜4的发散光进入双凸正透镜501后形成汇聚光。硒化锌材料在3.7～4.8μm波段的阿贝系数约为350，折射率约为2.43，折射率温度系数约为线膨胀系数约为硒化锌材料相对硅和锗材料，其折射率、阿贝系数和折射率温度系数介于二者之间，可较好的校正二级光谱以平衡色差和热差，而线膨胀系数对热差的影响较低。双凸正透镜501靠近物面1一侧为非球面，以校正系统单色像差。双凸正透镜501焦距在4μm检测波长时约为21.84mm。

本实施例中，经双凸正透镜501后形成的汇聚光进入锗材料的弯月负透镜502，减小发散角，再经温阑6、探测器窗口7、探测器滤光片8在探测器焦面9上成像。锗材料的弯月负透镜502主要平衡系统残余的热差、色差和单色像差，在单色像差中，主要平衡场曲和象散。弯月负透镜502焦距在4μm检测波长时约为-50.55mm。

变焦镜4与前固定镜组3、和后固定镜组5共同构成完整的成像系统，光学系统焦距从60mm变化到180mm时系统总长不变，在对同一景物成像时，在-45℃～60℃温度范围不经调焦都具有较好的成像质量。

本实施例中光学系统的F#为3，该光学设计结构应用于光圈F#2的中波红外制冷型探测器上，波段范围为3.7～4.8μm，像元尺寸为30μm×30μm，像元数为320×256，其中F#即为光圈数是入瞳口径与焦距之比的倒数，即F＝f/D。

鉴于本实施例中所采用F#2的探测器，而光学系统的F#只有3，因此在探测器光窗7和弯月负透镜502之间附近增加了一个温阑6作为虚拟光阑以限制轴外光束，使之代替探测器的实际冷光阑。该温阑6的采用使冷光阑没有达到100％匹配，从焦面1反向光线追迹会“看”到虚拟光阑的一部分，为此采用以下设计原则，即温阑6面向探测器焦面9的面为凹球面，抛光并镀高反射膜。温阑6凹球面的曲率半径小于从焦面中心到虚拟光阑中心的距离，以减小外界辐射进入探测器。探测器滤光片8为探测器内部的滤光片，保证3.7μm～4.8μm的波段进入。

镜筒材料为线膨胀系数为23.6×10-6/K的普通的铝合金，即可保证光学系统在-45℃～60℃的温度范围的成像质量。为了获得更加优异的设计结果，可以采用其它热膨胀系数更小的如钛合金、不锈钢等材料，根据所选镜筒材料的热膨胀系数对光学系统适当调整镜片曲率、厚度和间隔以及非球面系数即可。

本实施例中，从球罩9靠近物面1一侧的面到探测器焦面9的总长为135mm，最大口径小于86mm，焦距为60mm和180mm，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 (8)

1.一种紧凑型双视场中波红外消热差镜头，包括：依次排列在物面（1）与焦面（9）之间，共光轴排列的前固定镜组（3）、变焦镜（4）、后固定镜组（5），探测器窗口（7）和探测器滤光片（8），其中，物面（1）与所述前固定镜组（3）之间设置有一红外光学玻璃球罩（2），前固定镜组（3）由硅正透镜和锗负透镜组成，其特征在于：位于前固定镜组（3）与后固定镜组（5）之间，并在变焦过程中始终在光轴上前后移动的变焦镜（4）为锗材料的双凹负透镜，后固定镜组（5）为硒化锌材料的双凸正透镜和锗材料的弯月负透镜，双凸正透镜（501）靠近物面（1）一侧为非球面；球罩（2）、前固定镜组（3）、变焦镜（4）、后固定镜组（5）和温阑（6），通过按以上规律透镜材料的配对组合与镜筒材料线膨胀系数α_L和长度L的匹配，顺次排列，共同构成完整的成像系统，前固定镜组（3）出射的汇聚光进入变焦镜（4）产生正色差和负热差形成发散光进入后固定镜组（5），散光入双凸正透镜（501）形成汇聚光，通过弯月负透镜（502）减小发散角，再经后置温阑（6）、探测器窗口（7）和探测器滤光片（8），在探测器焦面（9）上成像。

2.如权利要求1所述的紧凑型双视场中波红外消热差镜头，其特征在于，前固定镜组（3）是由采用硅材料的弯月正透镜（301）和锗材料的凹面负透镜（302）组成的两片式透镜组。

3.如权利要求2所述的紧凑型双视场中波红外消热差镜头，其特征在于，凹面负透镜（302）作为与弯月正透镜（301）配合的前固定镜组（3）的负透镜，平衡弯月正透镜（301）的负色差、单色像差和热差。

4.如权利要求1所述的紧凑型双视场中波红外消热差镜头，其特征在于，在向长焦变化时，变焦镜（4）朝向焦面（9）一侧运动，在向短焦变化时，变焦镜（4）朝向物面（1）一侧运动；窄视场时，变焦镜（4）往靠近探测器焦面（9）方向一侧平移。

5.如权利要求1所述的紧凑型双视场中波红外消热差镜头，其特征在于，所述后固定镜组（5）为采用色散系数ν_i较大，折射率/温度系数dn/dT适中，线膨胀系数α_i较小的硒化锌材料的双凸正透镜（501）和色散系数ν_i较小，折射率/温度系数dn/dT较大，线膨胀系数α_i较小的锗材料弯月负透镜（502）组成的两片式透镜组，其中双凸正透镜（501）靠近物面（1）一侧为非球面。

6.如权利要求1所述的紧凑型双视场中波红外消热差镜头，其特征在于，红外光学玻璃球罩（2）是IRG04红外玻璃材料制成的球罩。

7.如权利要求2所述的紧凑型双视场中波红外消热差镜头，其特征在于，凹面负透镜（302）为锗材料的球面镜，锗材料在3.7～4.8μm波段的阿贝系数为228，折射率为4。

8.如权利要求2所述的紧凑型双视场中波红外消热差镜头，其特征在于，变焦镜（4）通过固连在镜筒上的驱动机构在光学系统光轴方向前后直线移动实现变焦。