CN108345093A - 共口径双视场双色红外成像镜头 - Google Patents

共口径双视场双色红外成像镜头 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种共口径双视场双色红外成像镜头，包括镜筒，设置在镜筒前端的保护窗；入射光线从保护窗入射至镜筒内，先经过共口径前固定组后被分光棱镜分成透射的长波红外光以及反射的中波红外光；沿着长波红外光的方向依次设置长波中央固定组、长波变倍镜组、长波后固定组、长波红外探测器；中波红外光先经过中波前固定组后被平面反射镜反射后穿过中波后固定组被中波红外探测器接收。该镜头有大视场，体积小结构紧凑，变焦结构简单，并且能够实现长波红外变焦系统与中波红外定焦系统共口径设计，实现成像镜头光学被动消热差。

Description

共口径双视场双色红外成像镜头
技术领域
本发明属于红外热成像领域，具体涉及一种共口径双视场双色红外成像镜头。
背景技术
双视场光学系统具有大小不同的两个成像视场，大视场可增大空间感知范围，小视场可对感兴趣的场景进行详细观察。双色红外光学系统能够同时获取目标的长波与中波两个不同波段的特征信息，提高系统的观测感知能力。共口径双色红外成像镜头采用长波红外光学系统与中波红外光学系统共用前端光路的设计方法，使两个波段的光学系统共用同一个光轴，能够在被检测目标处于旋转运动状态或测量相机处于旋转运动状态的情况下获得良好的观测效果。
应用于机器视觉中的成像镜头焦距一般较短，视场角较大，分光镜在光学系统中占据的空间较大，使得长、中波光学系统实现共口径设计难度较大，若在其中一路加入变焦光路并使光学系统在较大的温度范围内实现光学被动消热差，则设计难度进一步提升。
发明内容
为了解决背景技术的问题，本发明提供了一种具有大视场，体积小结构紧凑，变焦结构简单，能够实现长波红外变焦系统与中波红外定焦系统共口径设计的成像镜头，实现成像镜头光学被动消热差。
本发明技术方案的基本介绍：
本发明的成像镜头适用于长波红外波段(7.7～10.3μm)和中波红外波段(3.7～4.8μm)。
本发明相比于现有技术的特别之处在于：采用分光棱镜进行光谱分光实现长波红外和中波红外共口径设计，其中长波红外实现了双视场变焦设计；
本发明的具体技术方案是：
本发明提供了一种共口径双视场双色红外成像镜头，包括镜筒，设置在镜筒前端的保护窗以及设置在镜筒内的共口径前固定组、分光棱镜、长波中央固定组、长波变倍镜组、长波后固定组、长波红外探测器、中波前固定组、平面反射镜、中波后固定组以及中波红外探测器；
入射光线从保护窗入射至镜筒内，入射光线先经过共口径前固定组后被分光棱镜分成透射的长波红外光以及反射的中波红外光；
沿着长波红外光的方向依次设置长波中央固定组、长波变倍镜组、长波后固定组、长波红外探测器；
中波红外光先经过中波前固定组后被平面反射镜反射后穿过中波后固定组被中波红外探测器接收。
进一步地，上述共口径前固定组是由沿着入射光线传输方向依次叠放的4片透镜组成，且0.02<共口径前固定组的光焦度绝对值<0.03，其中4片透镜沿着入射光线传输方向依次采用IRG205、Ge、ZnS和IRG205材料制成。
进一步地，上述分光棱镜选用ZnS材料制成。
进一步地，上述长波中央固定组沿着长波红外光传输的方向由依次叠放的2片透镜组成，0.006<长波中央固定组光焦度绝对值<0.008，且2片透镜沿光线传输方向依次采用ZnS和IRG205材料制成，2片透镜顶点间距小于3mm。
进一步地，上述长波变倍镜组沿着长波红外光传输的方向由依次叠放的2片透镜组成，0.02<长波变倍镜组光焦度绝对值<0.03，且2片透镜沿着光线传输方向依次采用Ge和IRG205材料制成。
进一步地，上述长波后固定组为单片正透镜，材料为IRG205，0.04<长波后固定组光焦度绝对值<0.05。
进一步地，上述中波前固定组为单片正透镜，材料为锗，0.005<中波前固定组光焦度绝对值<0.006。
进一步地，上述中波后固定组沿着中波红外光传输的方向由依次叠放的3片单透镜组成，0.03<中波后固定组光焦度绝对值<0.04，且3片单透镜沿光线传输方向依次采用Ge、IRG205和Si材料制成。
进一步地，上述保护窗采用多光谱ZnS材料制成。
进一步地，上述长波红外探测器以及中波红外探测器均采用无热化设计，满足-40°至+60°工作温度。
本发明中长波红外光学系统通过切入/切出变焦组5实现小/大视场的切换，能够满足视场快速切换的要求，减小目标丢失概率。切换变焦组时，光线通过后固定组汇聚于焦平面上，且保持焦平面位置不变。中波红外光学系统采用定焦形式，其视场与长波红外大视场相同，长波与中波红外光学系统同时工作，可获得目标不同波段的信息，并可实现中波系统持续观测，长波系统详细观察的工作模式；
本发明的优点是：
1、本发明镜头实现了长波红外与中波红外双色共口径双色设计，两个波段系统共轴成像，便于双色图像的匹配。
2、本发明探测器无热化设计可满足-40℃～60℃的宽工作温度，在该温度范围内不用调焦。
3、本发明的成像镜头可匹配F/2制冷型探测器，具有较强的能量收集能力，可以大幅提高成像信噪比。
4、本发明的长波双视场采用长波变倍镜组切换式变焦形式，变焦速度快。
5、本发明体积(保护窗顶点到像面位置)285mm×116mm×50mm，结构紧凑；
6、本发明采用分光棱镜在光路中部对长波红外与中波红外进行分光，避免倾斜分光平板在光路中引入非对称像差，降低设计难度。
7、本发明采用了最常用的热膨胀系数为236×10-7/的普通铝合金镜筒，可保证在-40℃～60℃的温度范围内，在空间频率33lp/mm处，长波红外光学系统两个焦距所有视场的光学传递函数MTF大于0.15，中波红外光学系统光学传递函数MTF大于0.5，解决了现有共口径光学系统在不同温度下需要调焦使成像清晰的问题。
附图说明
图1本发明长波红外变焦镜组切入光路中的结构示意图。
图2本发明长波红外变焦镜组切出光路中的结构示意图。
图3本发明常温工况下长波红外小视场光学传递函数图。
图4本发明-40℃工况下长波红外小视场光学传递函数图。
图5本发明60℃工况下长波红外小视场光学传递函数图。
图6本发明常温工况下长波红外大视场光学传递函数图。
图7本发明-40℃工况下长波红外大视场光学传递函数图。
图8本发明60℃工况下长波红外大视场光学传递函数图。
图9本发明常温工况下中波红外光学传递函数图。
图10本发明-40℃工况下中波红外光学传递函数图。
图11本发明60℃工况下中波红外光学传递函数图。
附图标记如下：
1-镜筒、2-保护窗、3-共口径前固定组、4-分光棱镜、5-长波中央固定组、6-长波变倍镜组、7-长波后固定组、8-长波红外探测器、9-中波前固定组、10-平面反射镜、11-中波后固定组、12-中波红外探测器。
具体实施方式
为了进一步清楚阐述本技术方案的特点，下面结合附图，提供一个本发明具体实施方式的最佳实施方式，对本发明进行说明，但是不应当将其理解为对本发明的限定。
参阅图1、图2。共口径成像镜头包括镜筒1、保护窗2以及设置在镜筒内的光学系统，其中保护窗2设置在镜筒1前端，镜筒1内的光学系统包括共口径前固定组3、分光棱镜4、长波中央固定组5、长波变倍镜组6、长波后固定组7、长波红外探测器8、中波前固定组9、平面反射镜10、中波后固定组11以及中波红外探测器12；
入射光线从保护窗2入射至镜筒1内，入射光线先经过共口径前固定组3后被分光棱镜4分成透射的长波红外光以及反射的中波红外光；
沿着长波红外光的方向依次设置长波中央固定组5、长波变倍镜组6、长波后固定组7、长波红外探测器8；通过长波变倍镜组的切入/切出实现长波红外光路的小/大视场变化，其余各组位置均固定不变。切换光学系统视场时光学系统总长不变。
中波红外光先经过中波前固定组9后被平面反射镜10反射后穿过中波后固定组11被中波红外探测器12接收，其中平面反射镜10用于折叠光路，使光学系统体积小、结构紧凑。
本实施例中采用共口径分光的形式，使用长波红外探测器、中波红外探测器实现双色光路设计。其中，长波红外探测器参数为：波段7.7～10.3μm，640×512分辨率，像元尺寸15μm，F数为2。中波红外探测器参数为3.7～4.8μm，640×512分辨率，像元尺寸15μm，F数为2。
为实现光学系统的消热差和色差，系统内各参数应满足一下条件：
式中为每块透镜的光焦度，为光学系统光焦度，vi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引起的焦距变化，aL为镜筒材料的热膨胀系数，L为镜筒长度。
为实现共口径设计与消热差、色差，保护窗材料选用长、中波段色差系数差异较大、透过率较高机械强度好的ZnS材料，且其对红外能量的吸收系数较小，增加系统的透过率。
其中，共口径前固定组3是由沿着入射光线传输方向依次叠放的4片透镜(如图1和图2所示，4片透镜的标号分别是301、302、303、304)组成，且0.02<共口径前固定组的光焦度绝对值<0.03，4片透镜沿着入射光线传输方向依次采用IRG205、Ge、ZnS和IRG205材料制成，其中采用Ge、ZnS和IRG205三种材料单独消除热差、两个波段间色差和各自波段内色差。
为实现共口径设计与消热差、色差，分光棱镜4材料选用长、中波段色差系数差异较大的ZnS材料，且其对红外能量的吸收系数较小，增加系统的透过率。
为消热差和色差，长波中央固定组5沿着长波红外光传输的方向由依次叠放的2片透镜(如图1和图2所示，2片透镜的标号分别是501、502)组成，0.006<长波中央固定组光焦度绝对值<0.008，其中2片透镜沿着长波红外光传输方向依次采用ZnS和IRG205材料制成，2片透镜顶点间距小于3mm。
为消热差和色差，长波变倍镜组6沿着长波红外光传输的方向由依次叠放的2片透镜组成，0.02<长波变倍镜组光焦度绝对值<0.03，其中2片透镜沿着长波红外光传输方向依次采用Ge和IRG205材料制成。为了实现光学系统视场的切换且焦面位置稳定不动，两透镜间间隔小于11mm，小视场时中央固定组5与长波变倍镜组6之间的间隔小于26mm。
为消热差和色差及稳定焦面位置，长波后固定组7为单片正透镜，材料为IRG205，0.04<长波后固定组光焦度绝对值<0.05。小视场时与长波变倍镜组6的间隔大于7mm，大视场时与长波中央固定组5的间隔大于65mm。
为消热差和色差，所述中波前固定组9为单片正透镜，材料为锗，0.005<中波前固定组光焦度绝对值<0.006，其与中波后固定组11之间的轴向间隔大于50mm，具有足够的中波后固定组11为3片单透镜(如图1和图2所示，4片透镜的标号分别是1101、1102、1103)组成，0.03<光焦度绝对值<0.04，其中3片单透镜沿着中波红外光传输方向依次采用Ge、IRG205和Si材料制成，插入平面反射镜10进行光路折叠，减小系统体积。
在本实施例中，镜筒1材料优选普通铝合金而无需其他特殊材料，在-40℃～60℃内具有较好的像质。为了获得更加优异的设计结果，可以采用其他热膨胀系数更好地材料。
为了提高光学系统的成像质量，本实施例中包含7个非球面，而未使用衍射面。
本实施例中，长波红外与中波红外实现共口径的红外成像镜头，且能够实现光学被动消热差，温度适用范围为-40℃至+60℃，镜筒采用热膨胀系数为236×10-7/k的铝合金材料。如图3至图11所示分别为该镜头在-40℃、60℃和常温时长波红外长、短焦及中波红外波段系统的光学传递函数，均接近衍射极限，实现被动消热差设计。本发明的成像镜头适用于长波红外波段(7.7～10.3μm)和中波红外波段(3.7～4.8μm)；
长波红外光学系统F数为2，最大口径小于50mm，焦距为22/55mm，变倍比为2.5倍，属于切入/切出式变焦，视场切换前后光学系统总长恒定；中波红外光学系统F数为2，最大口径小于50mm，焦距为22mm。
以上利用实施例对本发明的描述，其意图是示例性的，不对本发明的保护范围起限制作用。因此，对于本领域技术人员显而易见的，在不脱离本发明所提出的权利要求范围的条件内，可对所描述的本发明进行特征替换或修改。

Claims (10)

1.一种共口径双视场双色红外成像镜头，包括镜筒，其特征在于：
还包括设置在镜筒前端的保护窗以及设置在镜筒内的共口径前固定组、分光棱镜、长波中央固定组、长波变倍镜组、长波后固定组、长波红外探测器、中波前固定组、平面反射镜、中波后固定组以及中波红外探测器；
入射光线从保护窗入射至镜筒内，入射光线先经过共口径前固定组后被分光棱镜分成透射的长波红外光以及反射的中波红外光；
沿着长波红外光的方向依次设置长波中央固定组、长波变倍镜组、长波后固定组、长波红外探测器；
中波红外光先经过中波前固定组后被平面反射镜反射后穿过中波后固定组被中波红外探测器接收。
2.根据权利要求1所述的共口径双视场双色红外成像镜头，其特征在于：
所述共口径前固定组是由沿着入射光线传输方向依次叠放的4片透镜组成，且0.02<共口径前固定组的光焦度绝对值<0.03，其中4片透镜沿着入射光线传输方向依次采用IRG205、Ge、ZnS和IRG205材料制成。
3.根据权利要求1或2所述的共口径双视场双色红外成像镜头，其特征在于：分光棱镜选用ZnS材料制成。
4.根据权利要求3所述的共口径双视场双色红外成像镜头，其特征在于：
长波中央固定组沿着长波红外光传输的方向由依次叠放的2片透镜组成，0.006<长波中央固定组光焦度绝对值<0.008，且2片透镜沿光线传输方向依次采用ZnS和IRG205材料制成，2片透镜顶点间距小于3mm。
5.根据权利要求4所述的共口径双视场双色红外成像镜头，其特征在于：长波变倍镜组沿着长波红外光传输的方向由依次叠放的2片透镜组成，0.02<长波变倍镜组光焦度绝对值<0.03，且2片透镜沿着光线传输方向依次采用Ge和IRG205材料制成。
6.根据权利要求5所述的共口径双视场双色红外成像镜头，其特征在于：长波后固定组为单片正透镜，材料为IRG205，0.04<长波后固定组光焦度绝对值<0.05。
7.根据权利要求6所述的共口径双视场双色红外成像镜头，其特征在于：中波前固定组为单片正透镜，材料为锗，0.005<中波前固定组光焦度绝对值<0.006。
8.根据权利要求7所述的共口径双视场双色红外成像镜头，其特征在于：中波后固定组沿着中波红外光传输的方向由依次叠放的3片单透镜组成，0.03<中波后固定组光焦度绝对值<0.04，且3片单透镜沿光线传输方向依次采用Ge、IRG205和Si材料制成。
9.根据权利要求8所述的共口径双视场双色红外成像镜头，其特征在于：所述保护窗采用多光谱ZnS材料制成。
10.根据权利要求9所述的共口径双视场双色红外成像镜头，其特征在于：所述长波红外探测器以及中波红外探测器均采用无热化设计，满足-40°至+60°工作温度。
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