CN111897107A - 一种中波红外无热化镜头 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种中波红外无热化镜头，解决现有中波红外镜头采用主动补偿措施保持光学系统在宽温度范围内成像性能稳定，而补偿过程影响测量精度，以及调焦机构导致系统体积大、成本高的问题。该镜头包括镜筒以及设在镜筒内的光学系统，光学系统包括沿光轴从左到右依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；第一透镜的左侧为物面，第四透镜的右侧为像面；镜筒材料为铝；第一透镜为一个正光焦度弯向像方的弯月Si透镜；第二透镜为一个负光焦度弯向物方的弯月Ge透镜；第三透镜为一个正光焦度弯向物方的弯月ZnS透镜；第四透镜为一个正光焦度弯向像方的弯月IG6透镜；通过对光学元件材料及光焦度进行匹配设计，可实现光学系统的无热化设计。

Description

一种中波红外无热化镜头
技术领域
本发明涉及一种中波红外镜头，具体涉及一种大靶面制冷型中波红外无热化镜头。
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-40℃～+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。
目前中波红外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，但温度调焦元件主动补偿过程中会影响测量精度，并且需要温度调焦电机及其控制系统、传感器等机构(调节机构)，增加了系统整体的体积重量和成本。
发明内容
为了解决现有中波红外镜头采用主动补偿措施保持光学系统在宽温度范围内成像性能稳定，而补偿过程影响测量精度，以及调焦机构导致系统体积大、成本高的技术问题，本发明提供了一种中波红外无热化镜头。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种中波红外无热化镜头，其特殊之处在于：包括镜筒以及设置在镜筒内的光学系统，定义光线从左到右入射，所述光学系统包括沿光轴从左到右依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；第一透镜的左侧为物面，第四透镜的右侧为像面；
所述镜筒材料为铝；
所述第一透镜为一个正光焦度弯向像方的弯月Si透镜；
所述第二透镜为一个负光焦度弯向物方的弯月Ge透镜；
所述第三透镜为一个正光焦度弯向物方的弯月ZnS透镜；
所述第四透镜为一个正光焦度弯向像方的弯月IG6透镜。
进一步地，所述第一透镜的厚度为8.5mm，其前表面为球面，曲率半径为52.98；
后表面为球面，曲率半径为78.76；
所述第二透镜的厚度为8.5mm，其前表面为非球面，曲率半径为-58.065，非球面系数为A＝1.24×10-7，B＝-9.65×10-9，C＝2.6×10-11；
后表面为非球面，曲率半径为-100.7，非球面系数为A＝-3.22×10-7,B＝-1.18×10-8，C＝2.14×10-11。
所述第三透镜的厚度为8.5mm，其前表面为非球面，曲率半径为-45.67，非球面系数为A＝2.7×10-5，B＝-7.93×10-8，C＝4.49×10-11；
后表面为非球面，曲率半径为-46.5，非球面系数为A＝2.05×10-5,B＝-7.03×10-8，C＝6.09×10-11；
所述第四透镜的厚度为7mm，其前表面为非球面，曲率半径为41.53，非球面系数为A＝1.47×10-6,B＝-3.18×10-8，C＝5.3×10-11；
后表面为球面，曲率半径为64.5。
进一步地，所述光学系统的焦距为50mm，F数为2。
进一步地，所述第一透镜后表面到第二透镜前表面之间的距离为8.41mm；
所述第二透镜后表面到第三透镜前表面之间的距离为5.42mm；
所述第三透镜后表面到第四透镜前表面之间的距离为3.26mm。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1、本发明中波红外无热化镜头通过对光学系统的光学元件材料及光焦度进行匹配设计，即可实现光学系统的无热化设计，成像质量良好，具有可靠性和稳定性高、可维护性好的优点。
2、本发明中波红外无热化镜头适用于高分辨率1280×1024，像元尺寸15μm×15μm的大靶面热像仪，在-40℃～+60℃工作温度范围内，无需温度调焦，即可保持成像性能一致，采用一次成像的结构形式，具有轴向尺寸短、畸变小、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、结构简单、稳定性高的特点。
附图说明
图1是本发明中波红外无热化镜头中光学系统的光路结构图(未示出镜筒)；
图2是空间频率为33lp/mm、+20℃状态时，本发明光学系统的MTF曲线图；
图3是空间频率为33lp/mm、-40℃状态时，本发明光学系统的MTF曲线图；
图4是空间频率为33lp/mm、+60℃状态时，本发明光学系统的MTF曲线图；
图5是本发明光学系统+20℃状态下畸变曲线图；
图6是本发明光学系统-40℃状态下畸变曲线图；
图7是本发明光学系统+60℃状态下畸变曲线图；
其中，附图标记如下：
1-第一透镜，2-第二透镜，3-第三透镜，4-第四透镜，5-探测器，51-保护玻璃，52-靶面。
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所示，一种中波红外无热化镜头，包括镜筒以及设置在镜筒内的光学系统，光学系统为50mm/F2制冷型中波红外无热化光学系统，采用一次像结构形式和四片透镜组成式设计，通过材料匹配及各透镜光焦度分配实现-40℃～+60℃的无热化设计。
定义光线从左到右入射，光学系统包括沿光轴从左到右依次设置的第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3和第四透镜4；第一透镜1的左侧为物面，第四透镜4的右侧为像面；所述第一透镜1为一个靠近物面的正光焦度弯向像方的弯月Si透镜；所述第二透镜2为一个负光焦度弯向物方的弯月Ge透镜；所述第三透镜3为一个正光焦度弯向物方的弯月ZnS透镜；所述第四透镜4为一个正光焦度弯向像方的弯月IG6透镜；镜筒的材料为铝。
本实施例光学系统各透镜的具体参数见表1所示；
表1本实施例光学系统各透镜的具体参数(单位：mm)
Figure BDA0002606181290000041
表中，第四透镜4的后表面到探测器保护玻璃51之间的距离为5.55mm；本实施例第一透镜1将进入光学系统的大视场光线进行汇聚，第二透镜2对汇聚后光线进行发散，使得大视场光学系统像差得到更好的平衡，第三透镜3及第四透镜4对光线再次进行会聚，经过探测器5的保护玻璃51成像在热像仪靶面(红外探测器5的靶面52)。光学被动式无热化的基本原理是利用不同材料具有不同热效应的特点，在光学系统中将具有不同热特性的光学材料进行合理组合，以便使温度对焦距、像面位置和像质的影响减到最小，达到热补偿的目的。例如，将折射率温度系数变化大的材料焦距设为较小的正值，折射率温度系数小的材料焦距设为较大的负值，同时保证想要的组合光焦度，将该光学材料组合使用。因此通过对本实施例光学系统各透镜合理分配光焦度，就可以减小系统的热焦移，使其移动的范围在焦深之内，或者完全补偿。
本实施例镜头焦距50mm，F数为2，适用于高分辨率1280×1024，像元尺寸15μm×15μm的大靶面中波红外热像仪，通过光学系统的光学元件(各透镜)材料与光焦度匹配，可实现光学系统的无热化设计。
如图2至图4所示，本实施例光学系统在+20℃、-40℃、+60℃状态下，空间频率为33lp/mm时的MTF曲线值，从中可以看出，全工作温度范围内具有较好的成像质量；如图5至图7所示，本实施例光学系统在+20℃、-40℃、+60℃状态下光学系统畸变曲线，从中可以看出，全工作温度范围内全视场畸变较小，能够满足红外目标测量精度要求。
本实施例中波红外无热化镜头在-40℃～+60℃工作温度范围内，无需温度调焦，可保持成像性能一致，采用一次成像的结构形式，具有轴向尺寸短、畸变小、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、结构简单、稳定性高的特点。
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 (4)

1.一种中波红外无热化镜头，其特征在于：包括镜筒以及设置在镜筒内的光学系统，定义光线从左到右入射，所述光学系统包括沿光轴从左到右依次设置的第一透镜(1)、第二透镜(2)、第三透镜(3)和第四透镜(4)；第一透镜(1)的左侧为物面，第四透镜(4)的右侧为像面；
所述镜筒材料为铝；
所述第一透镜(1)为一个正光焦度弯向像方的弯月Si透镜；
所述第二透镜(2)为一个负光焦度弯向物方的弯月Ge透镜；
所述第三透镜(3)为一个正光焦度弯向物方的弯月ZnS透镜；
所述第四透镜(4)为一个正光焦度弯向像方的弯月IG6透镜。
2.根据权利要求1所述中波红外无热化镜头，其特征在于：所述第一透镜(1)的厚度为8.5mm，其前表面为球面，曲率半径为52.98；
后表面为球面，曲率半径为78.76；
所述第二透镜(2)的厚度为8.5mm，其前表面为非球面，曲率半径为-58.065，非球面系数为A＝1.24×10-7，B＝-9.65×10-9，C＝2.6×10-11；
后表面为非球面，曲率半径为-100.7，非球面系数为A＝-3.22×10-7,B＝-1.18×10-8，C＝2.14×10-11；
所述第三透镜(3)的厚度为8.5mm，其前表面为非球面，曲率半径为-45.67，非球面系数为A＝2.7×10-5，B＝-7.93×10-8，C＝4.49×10-11；
后表面为非球面，曲率半径为-46.5，非球面系数为A＝2.05×10-5,B＝-7.03×10-8，C＝6.09×10-11；
所述第四透镜(4)的厚度为7mm，其前表面为非球面，曲率半径为41.53，非球面系数为A＝1.47×10-6,B＝-3.18×10-8，C＝5.3×10-11；
后表面为球面，曲率半径为64.5。
3.根据权利要求1或2所述中波红外无热化镜头，其特征在于：所述光学系统的焦距为50mm，F数为2。
4.根据权利要求3所述中波红外无热化镜头，其特征在于：所述第一透镜(1)后表面到第二透镜(2)前表面之间的距离为8.41mm；
所述第二透镜(2)后表面到第三透镜(3)前表面之间的距离为5.42mm；
所述第三透镜(3)后表面到第四透镜(4)前表面之间的距离为3.26mm。
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