CN107390349B - 一种长波制冷型无热化镜头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种长波制冷型无热化镜头，包括镜头及设置于镜头内的光学系统，所述光学系统沿光线输入至输出方向依次设有正光焦度弯月透镜A、负光焦度弯月透镜B、正光焦度弯月透镜C、光阑D、像面E，所述正光焦度弯月透镜A的前表面到像面E的距离为总长L，焦距为f,L:f<0.843，缩小了光学系统的总长度，简化了整体结构的外形尺寸。

Description

一种长波制冷型无热化镜头

技术领域

本发明涉及一种长波制冷型无热化镜头。

背景技术

对红外光学系统而言，热效应主要表现在一下四个方面：温度变化引起介质折射率发生变化；温度变化引起光学元件曲率半径和中心厚度变化；温度变化引起非球面面型发生变化；温度变化引起光学系统中光学元件间隔发生变化。由于光学系统的热效应引起像面发生漂移，为消除像面漂移导致的像质下降问题，红外镜头常用机电、机械、光学补偿等方法实现无热化。但光学补偿法会使光学材料复杂化，在更多的元件表面上使用非球面，增加了工艺的难度和生产成本；机械补偿法使整个光学系统的体积增大，同时机械元件的增多使镜头的装配稳定性变差，增大了生产成本和装调误差。

目前许多中波红外光学系统使用二次成像的方法缩小口径，但采用这种设计方法的光学系统总长都比较长，整体尺寸也比较大，一般都总长与焦距的比都大于1.2。

发明内容

本发明对上述问题进行了改进，即本发明要解决的技术问题是现有的波红外光学系统使用二次成像的方法缩小口径，但采用这种设计方法的光学系统总长都比较长，整体尺寸也比较大，增大了生产成本和装调误差。

本发明的具体实施方案是：一种长波制冷型无热化镜头，包括镜头及设置于镜头内的光学系统，所述光学系统沿光线输入至输出方向依次设有正光焦度弯月透镜A、负光焦度弯月透镜B、正光焦度弯月透镜C、光阑D、像面E，所述正光焦度弯月透镜A的前表面到像面E的距离为总长L，焦距为f,L:f<0.843。

进一步的，所述正光焦度弯月透镜A与负光焦度弯月透镜B之间的空气间隔为15mm，所述负光焦度弯月透镜B与正光焦度弯月透镜C之间的空气间隔为3mm，所述正光焦度弯月透镜C与光阑D之间的空气间隔为12mm，所述光阑D到像面E的距离为19.8mm。

进一步的，所述正光焦度弯月透镜A、负光焦度弯月透镜B、正光焦度弯月透镜C的材料为锗。

进一步的，所述正光焦度弯月透镜A的后表面为非球面，所述负光焦度弯月透镜B的前表面为非球面。

进一步的，所述镜头包括镜筒及设置于镜筒前侧内套设的调焦筒，所述正光焦度弯月透镜A设置于镜筒内，所述负光焦度弯月透镜B嵌于调焦筒中部，所述正光焦度弯月透镜C固定于调焦筒前侧，所述正光焦度弯月透镜C前端设置有固定连接于调焦筒前侧的C片压圈，所述负光焦度弯月透镜B与正光焦度弯月透镜C之间设置有BC隔圈，所述镜筒后侧设置有镜盖，镜筒内具有限位正光焦度弯月透镜A的A片压圈。

进一步的，所述调焦筒前侧端固定连接有连接法兰，所述连接法兰的后侧设置有设置有连接法兰，所述连接法兰的后侧设置有电机，所述电机的输出轴固定有驱动齿轮，所述连接法兰与镜筒之间具有套设在调焦筒外部的调焦齿轮，所述调焦齿轮外表面具有与驱动齿轮配合的齿面，所述调焦齿轮内表面固定连接有调焦凸轮，所述调焦筒外表面固定连接有调焦导钉，所述调焦凸轮的内表面具有沿圆周方向斜向设置的调节槽，所述调焦导钉外侧端嵌入调节槽内以带动调焦筒在径向方向的移动。

进一步的，所述连接法兰上还设置有限位开关，所述调焦齿轮的外部具有限位挡钉。

进一步的，所述电机固定于电机架上，所述电机架经电机架立柱与连接法兰固定连接。

进一步的，所述镜头调焦筒与C片压圈之间留有使镜筒内部空间与外部联通的通气通道，避免形成密封体影响调焦组移动，导致排气不顺调焦卡滞。

进一步的，所述A片压圈、C片压圈、BC隔圈内壁具有齿纹并涂覆有消光漆，利用镜筒内壁对杂散光辐射的散射和吸收。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明中缩小了光学系统的总长度，简化了整体结构的外形尺寸，镜头设有电动调焦机构，保证温度变化时成像清晰，通过沉头螺钉固定连接，调焦凸轮调节槽藏在调焦齿轮内部，使镜头整体简洁美观，同时避免调焦凸轮的调节槽外露出现落灰现象，该长波制冷型无热化镜头只使用锗1种材料，降低了材料的复杂性和成本。光学系统的总长与焦距的比小于0.843，缩小了光学系统的总长，简化了镜头的外形尺寸，镜头调焦电机采用背负式安装方式，镜头整体简洁、美观，同时电机朝前布置，避免与连接法兰干涉，使镜头整体布局紧凑，所述镜头调焦到位采用微动开关限位，以防电机堵转而损坏。

附图说明：

下面结合附图对本发明专利进一步说明。

图1为该发明实施例的光学系统示意图；

图2为本发明实施例镜头装配图。

图3为本发明实施例镜头结构示意图。

图4为本发明实施例镜头结构局部放大示意图。

图中：A-正光焦度弯月透镜、B-负光焦度弯月透镜、C-正光焦度弯月透镜、D-光阑、E-像面、1-电机、2-镜盖、3-电机架、4-A片压圈、5-镜筒、6-电机齿轮组件、7-调焦凸轮、8-调焦齿轮、9-调焦导钉、10-沉头螺钉、11-连接法兰、12-沉头螺钉、13-调焦筒、14-C片压圈、15-A片、16-B片、17-C片、18-BC隔圈、19-微动开关档钉、20-微动开关、21-微动开关架、22-盘头螺钉、23-螺钉、24-电机架立柱，25-排气孔，26-排气通道。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

如图1所示一种长波制冷型无热化镜头，其特征在于：所述镜头的光学系统中沿光线从左向右入射方向依次设有正光焦度弯月透镜A、负光焦度弯月透镜B、正光焦度弯月透镜C、光阑D、像面E。

本实施例中，所述正光焦度弯月透镜A与负光焦度弯月透镜B之间的空气间隔为15mm，所述负光焦度弯月透镜B与正光焦度弯月透镜C之间的空气间隔为3mm，所述正光焦度弯月透镜C与光阑D之间的空气间隔为12mm，所述光阑D到像面E的距离为19.8mm。

本实施例中，所述镜头的光学系统沿光线从左向右正光焦度弯月透镜A的前表面到像面E的距离为总长L ，f为焦距，L:f<0.843。

本实施例中，所述正光焦度弯月透镜A、负光焦度弯月透镜B、正光焦度弯月透镜C的材料为锗。

本实施例中，所述正光焦度弯月透镜A的后表面为非球面，所述负光焦度弯月透镜B的前表面为非球面。

在本实施例中，装配示意如图3所示，透镜A安装在镜筒内。透镜B、透镜C为调焦镜片，安装于调焦筒内。调焦筒与镜筒内表面贴合，调焦筒外表面沿圆周方向均布设计有三个导钉，三个导钉与调焦凸轮内表面对应设置的三条均布的调焦槽，镜筒内表面具有径向设置的三条导槽，调焦筒外表面具有与导槽配合的突起，这样当调焦凸轮旋转时，调焦筒在镜筒上导槽及导钉的作用作前后径向直线运动，从而实现调焦的功能。

本实施例中，所述镜头设有电动调焦机构，如图3所示，保证温度变化时成像清晰。调焦凸轮与调焦齿轮做成分体加工，调焦凸轮套入调焦齿轮内，通过沉头螺钉固定连接，调焦凸轮调节槽藏在调焦齿轮内部，使镜头整体简洁美观，同时避免调焦凸轮槽外露出现落灰现象。

本实施例中，所述镜头调焦电机采用背负式安装方式，如图4所示，镜头整体简洁美观，同时电机朝前布置，避免与连接法兰干涉，使镜头整体布局紧凑。连接法兰设计有穿线孔，便于走线布局，方便安装。

本实施例中，所述镜头调焦到位采用微动开关限位，如图4所示，以防电机堵转而损坏。

本实施例中，所述镜头调焦镜筒排气孔25及C片压圈设有排气通道26，如图4所示，避免形成密封体导致排气不顺影响调焦组移动，造成调焦卡滞。

本实施例中，所述镜头前端设有镜盖，如图3所示，在不使用和运输过程中对A片进行保护，提高镜头使用寿命。

本实施例中，所述镜头各机械零部件均氧化着黑处理，各压圈、隔圈等内壁处均加工诺干条宽度适当的齿纹，并涂上消光漆，利用镜筒内壁对杂散光辐射的散射和吸收，从而达到抑制杂散光的目的。

本实施例中，所述镜头达到了如下的技术指标：

1)工作波段：7.7μm～9.3μm；

2)面阵：320（H）x256（V）（有效像元数）；

3)像元大小：30μm；

4)相对孔径：F2；

5)焦距：75mm±1%；

6)光学结构：透射式；

7)透过率：＞90%；

8)畸变：＜2%；

9)传递函数：中心0.7视场内空间截止频率处传函，常温不小于0.55，高低温不小于0.5；

10)弥散斑直径：不大于20μm（RMS）；

11)出瞳要求：设计时保证镜头尾镜到探测器窗口距离大于6.5mm；

12)温度补偿方式：电动调焦；

13)成像质量:在工作温度范围内成像清晰，无明显冷反射现象；

14)镀膜要求：镜片镀长波红外增透膜，波长范围7μm～10μm。膜层质量符合GJB2485-95 3.3项要求，膜层牢固性符合GJB2485-95 3.4.1项要求；

15)镜头尺寸：≤50mm（L）x90mm（W）x90mm（H）；

16)镜头重量:≤350g；

17)穿线孔:镜头法兰面留有电机控制线过孔；

18)镜头配有保护盖；

19)表面涂覆要求：喷塑黑色无光。

以下表格的数据，将说明本发明实施例的光学参数。

表一：光学元件参数表

其中所述镜头的光学系统中沿图1中从左向右入射方向依次为正光焦度弯月透镜A的S1面（左侧面）、S2面（右侧面），负光焦度弯月透镜B的S3面（左侧面）、S4面（右侧面），负光焦度弯月透镜C的S5面（左侧面）、S6面（右侧面）。

表二：非球面数据

非球面表达式为：

Z代表光轴方向的位置，r代表相对光轴的垂直方向上的高度，c代表曲率半径，k代表圆锥系数，

代表非球面系数。

在非球面数据中，E-n代表“

”，例如4.57E-007代表

在光学设计中，仅使用一种锗材料，首先分析几何光学的性质和像差特点，合理分配各个组元的光焦度。在光学系统中，正光焦度弯月透镜A的后表面为非球面，有利于校正大相对孔径引入的像差，负光焦度弯月透镜B的前表面为非球面，靠近像面，有利于校正像散和场曲，并且能校正部分整体的剩余像差。前两组透镜正负光焦度分配，有利于降低整体的像差。计算光学系统的出瞳与光阑匹配，实现100%冷光阑效率。光学材料和机械材料由于温度变化产生热离焦，通过机电调焦的方式，补偿光学系统的光热离焦，使光学系统能够在一个较大的温度范围内保持良好的成像质量，在-40℃～+60℃温度范围内实现温度机械无热化的特点，该光学系统高透过率、低成本、结构小巧。

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 (3)

1.一种长波制冷型无热化镜头，其特征在于：包括镜头及设置于镜头内的光学系统，所述光学系统沿光线输入至输出方向依次设有正光焦度弯月透镜A、负光焦度弯月透镜B、正光焦度弯月透镜C、光阑D、像面E，所述正光焦度弯月透镜A的前表面到像面E的距离为总长L，焦距为f,L:f<0.843;

所述正光焦度弯月透镜A与负光焦度弯月透镜B之间的空气间隔为15mm，所述负光焦度弯月透镜B与正光焦度弯月透镜C之间的空气间隔为3mm，所述正光焦度弯月透镜C与光阑D之间的空气间隔为12mm，所述光阑D到像面E的距离为19.8mm;

所述正光焦度弯月透镜A、负光焦度弯月透镜B、正光焦度弯月透镜C的材料为锗；

所述正光焦度弯月透镜A的后表面为非球面，所述负光焦度弯月透镜B的前表面为非球面；

所述镜头包括镜筒及设置于镜筒前侧内套设的调焦筒，所述正光焦度弯月透镜A设置于镜筒内，所述负光焦度弯月透镜B嵌于调焦筒中部，所述正光焦度弯月透镜C固定于调焦筒前侧，所述正光焦度弯月透镜C前端设置有固定连接于调焦筒前侧的C片压圈，所述负光焦度弯月透镜B与正光焦度弯月透镜C之间设置有BC隔圈，所述镜筒后侧设置有镜盖，镜筒内具有限位正光焦度弯月透镜A的A片压圈；

所述调焦筒前侧端固定连接有连接法兰，所述连接法兰的后侧设置有电机，所述电机的输出轴固定有驱动齿轮，所述连接法兰与镜筒之间具有套设在调焦筒外部的调焦齿轮，所述调焦齿轮外表面具有与驱动齿轮配合的齿面，所述调焦齿轮内表面固定连接有调焦凸轮，所述调焦筒外表面固定连接有调焦导钉，所述调焦凸轮的内表面具有沿圆周方向斜向设置的调节槽，所述调焦导钉外侧端嵌入调节槽内以带动调焦筒在径向方向的移动；

所述连接法兰上还设置有限位开关，所述调焦齿轮的外部具有限位挡钉；

所述A片压圈、C片压圈、BC隔圈内壁具有齿纹并涂覆有消光漆，利用镜筒内壁对杂散光辐射进行散射和吸收。

2.根据权利要求1所述的长波制冷型无热化镜头，其特征在于：所述电机固定于电机架上，所述电机架经电机架立柱与连接法兰固定连接。

3.根据权利要求1所述的长波制冷型无热化镜头，其特征在于：所述镜头调焦筒与C片压圈之间留有使镜筒内部空间与外部联通的通气通道，避免形成密封体影响调焦组移动，导致排气不顺调焦卡滞。

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