CN110632748A - 一种模块化折反射式中波红外无热镜头 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种模块化折反射式中波红外无热镜头，解决现有红外光学系统体积大、成本高、可靠性和成像质量差的问题。该镜头包括依次设置的主次镜组和中波投影镜组，主次镜组的左侧为物面，中波投影镜组的右侧为像面；主次镜组采用卡塞格林结构，由一个主反射镜和一个次反射镜构成；中波投影镜组由五个透镜构成，依次为第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜及第五透镜，第一透镜是一个正光焦度弯向像方的弯月透镜，第二透镜是一个正光焦度弯向物方的弯月透镜，第三透镜是一个负光焦度弯向物方的弯月透镜，第四透镜是一个负光焦度弯向像方的弯月透镜，第五透镜是一个正光焦度弯向像方的弯月透镜；主次镜组的像面作为中波投影镜组的物面。

Description

一种模块化折反射式中波红外无热镜头

技术领域

本发明涉及一种无热化镜头，具体涉及一种模块化制冷型折反射式中波红外无热镜头。

背景技术

红外光学系统是一类功能很明显的被动探测光学系统，此类系统能够探测、定位并连续跟踪在红外背景辐射和其他干扰下发射红外线的物体和目标。因此在目标搜寻、预警探测、森林防火等领域具有广阔的应用前景。

由于红外材料的折射率温度系数比可见光玻璃大1～2个数量级，而在高精度探测、预警领域，要求红外系统能够在-55℃～+60℃的温度范围内工作，所以环境温度的变化对红外系统的性能影响很大。

目前红外无热化镜头多为长波红外波无热化镜头，且多为透射式镜头，此种透射式镜头受材料限制，口径一般为200mm；中波红外波段镜头多采用主动补偿措施保持红外光学系统在宽温度范围内成像性能稳定，由于这种光学镜头需要温度调焦电机及其控制系统、传感器等机构对温度进行调焦，增加了系统整体的体积重量和成本，同时降低系统可靠性和成像质量。

发明内容

为了解决现有红外光学系统需要对温度进行调焦，导致系统体积大、成本高、可靠性和成像质量差的技术问题，本发明提供了一种模块化折反射式中波红外无热镜头。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种模块化折反射式中波红外无热镜头，其特殊之处在于：包括从左至右依次设置的主次镜组和中波投影镜组，主次镜组的左侧为物面，中波投影镜组的右侧为像面；所述主次镜组采用卡塞格林结构，由一个凹抛物面的主反射镜和一个凸双曲面次反射镜构成；所述中波投影镜组由五个透镜构成，从左至右依次为第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜及第五透镜，第一透镜是一个正光焦度弯向像方的弯月透镜，第二透镜是一个正光焦度弯向物方的弯月透镜，第三透镜是一个负光焦度弯向物方的弯月透镜，第四透镜是一个负光焦度弯向像方的弯月透镜，第五透镜是一个正光焦度弯向像方的弯月透镜；

来自物面的光束依次由主反射镜、次反射镜反射后，依次经第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜透射后，成像在热像仪靶面，所述主次镜组的像面作为中波投影镜组的物面。

进一步地，所述主反射镜和次反射镜的材料为微晶；所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜及第五透镜分别采用硅材料、硫化锌材料、锗材料、锗材料、硅材料制成。

进一步地，所述第一透镜的厚度为6mm，其前表面为球面，曲率半径为47.25；后表面为球面，曲率半径为135.74。

进一步地，所述第二透镜的厚度为14.06mm，其前表面为球面，曲率半径为-30.9；后表面为非球面，曲率半径为-21.75，非球面系数A＝6.85×10^-5,B＝-2.32×10^-7，C＝3.81×10^-10。

进一步地，所述第三透镜的厚度为5mm，其前表面为非球面，曲率半径为-18.382，非球面系数A＝1.14×10^-4,B＝-2.08×10^-7，C＝2.84×10^-10；后表面为非球面，曲率半径为-28，非球面系数A＝4.38×10^-5,B＝7.13×10^-9，C＝-1.58×10^-10。

进一步地，所述第四透镜的厚度为4.5mm，其前表面为球面，曲率半径为34.67；后表面为球面，曲率半径为25.47。

进一步地，所述第五透镜的厚度为8.2mm，其前表面为球面，曲率半径为29.0133；后表面为球面，曲率半径为54.2。

进一步地，所述主反射镜的前表面为抛物面，曲率半径为-862.97，非球面系数K＝-1；

进一步地，所述次反射镜的后表面为双曲面，曲率半径为-379.4，非球面系数K＝-3.58。

与现有技术相比，本发明的优点是：

本发明模块化折反射式中波红外无热镜头通过对主次镜组和中波投影镜组的无热化设计，通过不同材料及光焦度配合实现整系统的无热化设计，可实现在-55℃～+60℃工作温度范围内，无需温度调焦，保持成像性能一致，成像质量良好，像面稳定；无需温度调焦电机、传感器及控制系统，使得结构简单，具有可靠性和稳定性高、可维护性好的特点。

附图说明

图1是本发明模块化折反射式中波红外无热镜头的光路图；

图2是本发明模块化折反射式中波红外无热镜头中主次镜组的光路图；

图3是本发明模块化折反射式中波红外无热镜头中中波投影镜组的光路图；

图4a是本发明主次镜组在空间频率为33lp/mm、温度为+20℃时的MTF曲线图；

图4b是本发明主次镜组在空间频率为33lp/mm、温度为+60℃时的MTF曲线图；

图4c是本发明主次镜组在空间频率为33lp/mm、温度为-55℃时的MTF曲线图；

图5a是本发明中波投影镜组在空间频率为33lp/mm、温度为+20℃时的MTF曲线图；

图5b是本发明中波投影镜组在空间频率为33lp/mm、温度为+60℃时的MTF曲线图；

图5c是本发明中波投影镜组在空间频率为33lp/mm、温度为-55℃时的MTF曲线图；

图6a是本发明中波红外无热化光学系统在空间频率为33lp/mm、温度为+20℃时的MTF曲线图；

图6b是本发明中波红外无热化光学系统在空间频率为33lp/mm、温度为+60℃时的MTF曲线图；

图6c是本发明中波红外无热化光学系统在空间频率为33lp/mm、温度为-55℃时的MTF曲线图；

其中，附图标记如下：

1-主反射镜，2-次反射镜，3-第一透镜，4-第二透镜，5-第三透镜，6-第四透镜，7-第五透镜。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

如图1和表1所示，一种模块化折反射式中波红外无热镜头，包括从左至右依次设置的主次镜组和中波投影镜组，主次镜组的左侧为物面，中波投影镜组的右侧为像面；主次镜组通过光学材料与结构材料匹配实现无热化设计；中波投影镜组通过光学元件材料与光焦度匹配实现无热化设计，实现整体具有温度调焦无需运动部件、成像品质高、稳定性高的特点。

如图2所示，主次镜组采用卡塞格林结构，由一个凹抛物面的主反射镜1将平行于光轴入射的光线汇聚在其焦点上，凹抛物面主镜为系统入瞳，一个凸双曲面次反射镜2的一个焦点与主反射镜1焦点重合，将光线汇聚在双曲面另一个焦点即一次像面处。该主次镜组(材料均为微晶)以焦深为边界条件，通过光焦度及材料线膨胀系数匹配，计算得出结构材料线膨胀系数范围，由结构材料匹配实现主次镜组无热化设计。主反射镜1和次反射镜2的材料为微晶，实测线胀系数，温度变化可计算得出主反射镜1和次反射镜2曲率半径变化，由此可计算得出主反射镜1和次反射镜2焦距及焦面变化；优化主反射镜1和次反射镜2间隔，使得主反射镜1和次反射镜2焦面位置不变，以此间隔计算得出主反射镜1和次反射镜2间结构材料线胀系数，进而实现主次镜组无热化设计。

如图3所示，中波投影镜组采用5片式结构，由五个透镜构成，从左至右依次为第一透镜3、第二透镜4、第三透镜5、第四透镜6及第五透镜7，第一透镜3是一个正光焦度弯向像方的弯月Si透镜，第二透镜4是一个正光焦度弯向物方的弯月ZnS透镜，第三透镜5是一个负光焦度弯向物方的弯月Ge透镜，第四透镜6是一个负光焦度弯向像方的弯月Ge透镜，第五透镜7是一个正光焦度弯向像方的弯月Si透镜；来自物面的光束依次由主反射镜1、次反射镜2反射后，进入中波投影镜组，中波投影镜组对光线进行汇聚，在第五透镜7的出射光路上设置保护玻璃8，成像在热像仪靶面，将入瞳投影到冷屏位置，实现光阑与冷屏匹配，中波投影镜组通过光学元件材料与光焦度匹配实现无热化设计，不同材料及光焦度配合即可实现无热化，在光学系统中，主次镜组像面作为中波投影镜组物面。

表1本实施例光学系统各透镜的具体参数(单位：mm)

本实施例模块化折反射式中波红外无热镜头焦距1050mm，F数为3，适用于分辨率640×512，像元尺寸15μm中波红外热像仪。

如图4a、4b、4c所示，主次镜组在空间频率为33lp/mm，温度分别为+20℃、+60℃、-55℃时的MTF曲线图，如图5a、5b、5c所示，中波投影镜组在空间频率为33lp/mm，温度分别为+20℃、+60℃、-55℃时的MTF曲线图，可以看出两镜组在-55℃～+60℃温度范围内成像质量良好。如图6a、6b、6c所示，,折反式中波红外无热化光学系统在空间频率为33lp/mm，温度分别为+20℃、+60℃、-55℃时的MTF曲线，可以看出系统在-55℃～+60℃温度范围内成像质量良好，能够满足在全工作温度范围内对红外目标探测跟踪要求。

以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴。

Claims (9)

1.一种模块化折反射式中波红外无热镜头，其特征在于：包括从左至右依次设置的主次镜组和中波投影镜组，主次镜组的左侧为物面，中波投影镜组的右侧为像面；

所述主次镜组采用卡塞格林结构，由一个凹抛物面的主反射镜(1)和一个凸双曲面次反射镜(2)构成；

所述中波投影镜组由五个透镜构成，从左至右依次为第一透镜(3)、第二透镜(4)、第三透镜(5)、第四透镜(6)及第五透镜(7)，第一透镜(3)是一个正光焦度弯向像方的弯月透镜，第二透镜(4)是一个正光焦度弯向物方的弯月透镜，第三透镜(5)是一个负光焦度弯向物方的弯月透镜，第四透镜(6)是一个负光焦度弯向像方的弯月透镜，第五透镜(7)是一个正光焦度弯向像方的弯月透镜；

来自物面的光束依次由主反射镜(1)、次反射镜(2)反射后，依次经第一透镜(3)、第二透镜(4)、第三透镜(5)、第四透镜(6)、第五透镜(7)透射后，成像在热像仪靶面，所述主次镜组的像面作为中波投影镜组的物面。

2.根据权利要求1所述的一种模块化折反射式中波红外无热镜头，其特征在于：所述主反射镜(1)和次反射镜(2)的材料为微晶；

所述第一透镜(3)、第二透镜(4)、第三透镜(5)、第四透镜(6)及第五透镜(7)分别采用硅材料、硫化锌材料、锗材料、锗材料、硅材料制成。

3.根据权利要求2所述的一种模块化折反射式中波红外无热镜头，其特征在于：所述第一透镜(3)的厚度为6mm，其前表面为球面，曲率半径为47.25；

后表面为球面，曲率半径为135.74。

4.根据权利要求3所述的一种模块化折反射式中波红外无热镜头，其特征在于：所述第二透镜(4)的厚度为14.06mm，其前表面为球面，曲率半径为-30.9；

后表面为非球面，曲率半径为-21.75，非球面系数A＝6.85×10^-5,B＝-2.32×10^-7，C＝3.81×10^-10。

5.根据权利要求4所述的一种模块化折反射式中波红外无热镜头，其特征在于：所述第三透镜(5)的厚度为5mm，其前表面为非球面，曲率半径为-18.382，非球面系数A＝1.14×10^-4,B＝-2.08×10^-7，C＝2.84×10^-10；

后表面为非球面，曲率半径为-28，非球面系数A＝4.38×10^-5,B＝7.13×10^-9，C＝-1.58×10^-10。

6.根据权利要求5所述的一种模块化折反射式中波红外无热镜头，其特征在于：所述第四透镜(6)的厚度为4.5mm，其前表面为球面，曲率半径为34.67；

后表面为球面，曲率半径为25.47。

7.根据权利要求6所述的一种模块化折反射式中波红外无热镜头，其特征在于：所述第五透镜(7)的厚度为8.2mm，其前表面为球面，曲率半径为29.0133；

后表面为球面，曲率半径为54.2。

8.根据权利要求1至7任一所述的一种模块化折反射式中波红外无热镜头，其特征在于：所述主反射镜(1)的前表面为抛物面，曲率半径为-862.97，非球面系数K＝-1。

9.根据权利要求8所述的一种模块化折反射式中波红外无热镜头，其特征在于：所述次反射镜(2)的后表面为双曲面，曲率半径为-379.4，非球面系数K＝-3.58。

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