CN112817068B - 一种紧凑型无热化中波红外双视场快速变倍镜头 - Google Patents
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Abstract
一种紧凑型无热化中波红外双视场快速变倍镜头解决了长焦距中波谱段的双视场无热化问题。该光学镜头实现U型结构折叠光路，沿光线入射方向依次设置前固定镜组、第一反射镜、中固定镜组、第二反射镜、变倍切换镜组，后固定镜组、中波制冷型红外探测器。变倍切换镜组设置与一次像面后方，通过变倍切换镜组在光路中的切入/切出实现不同视场的转换，即光学系统焦距的变化，镜头的焦距为400mm和200mm两档。采用切换式变倍方式实现快速变倍功能，变倍后像面一致性较好。采用Si、Ge、ZnSe、ZnS四种材料实现双视场‑40℃至+60℃无热化变倍设计，匹配F/4制冷型探测器，用于像面不大于12.3mm，像元尺寸不小于15μm的探测器。
Description
技术领域
本发明涉及光电成像设备领域，具体涉及一种紧凑型无热化中波红外双视场快速变倍镜头。
背景技术
光电设备主要由光学镜头、探测器以及外围电路和设备组成，光学镜头是一个重要组成部分。红外光电设备具有全天时、高分辨、环境适应性强等优势，从而被广泛应用。在一些安防应用中，中波红外具有其特殊的意义，对于快速移动目标，双视场的设计极大的方便了不同物距下对目标的监视，但同时对双视场切换时间提出了较高的要求。由于红外材料种类有限，热膨胀系数较大，故无热化设计相对较难，对于变倍型镜头而言更加困难。此外，光学镜头景深随着光学镜头的焦距变长会相对变短，导致无热化设计更加困难。
综上所述，在光学镜头设计中如何解决长焦距中波谱段的双视场无热化问题，仍是一项技术难题。
发明的内容
本发明的目的是解决长焦距中波谱段的双视场无热化问题，而提供一种紧凑型无热化中波红外双视场快速变倍镜头。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案如下：
一种紧凑型无热化中波红外双视场快速变倍镜头，其特征之处在于：镜筒内设置前固定镜组、第一反射镜、中固定镜组、第二反射镜、变倍切换镜组、后固定镜组、中波制冷型红外探测器；
光线入射至镜筒内，先经过前固定镜组后被第一反射镜反射，再依次经过中固定镜组、第二反射镜，第二反射镜反射后依次穿过变倍切换镜组、后固定镜组，再被中波制冷型红外探测器接收；
采用二次成像结构设计，所述变倍切换镜组设置于一次像面后方；变倍切换镜组切入光路时为系统为长焦状态，切出时为短焦状态；
所述前固定镜组是由沿着入射光线传输方向依次叠放的两片透镜组成，分别是第一透镜和第二透镜，且分别采用Si和Ge材料制成；
所述中固定镜组是由沿着入射光线传输方向依次叠放的两片透镜组成，分别是第三透镜和第四透镜，且分别采用ZnSe和Ge材料制成；
所述变倍切换镜组是由沿着入射光线传输方向依次叠放的两片透镜组成，分别是第一变倍镜、第二变倍镜，且分别采用ZnSe和Ge材料制成；
所述后固定镜组是由沿着入射光线传输方向依次叠放的两片透镜组成，分别是分别是第五透镜和第六透镜，且分别采用ZnS和Si材料制成。
进一步地，光路为U型结构折叠光路，前固定镜组一侧是光线入射口，另一侧沿入射光线传输方向依次设置第一反射镜、中固定组与第二反射镜，且第一反射镜、第二反射镜均与入射光线光轴夹角均为45°，变倍切换镜组、后固定镜组、中波制冷型红外探测器设置在前固定镜组与第二反射镜之间。
进一步地，所述前固定镜组的光焦度的满足条件为：0.028＜光焦度绝对值＜0.032。
进一步地，所述中固定镜组的光焦度的满足条件为：0.0028＜光焦度绝对值＜0.0032。
进一步地，所述变倍切换镜组的光焦度的满足条件为：0.14＜光焦度绝对值＜0.15。
进一步地，所述后固定镜组的光焦度的满足条件为：0.078＜光焦度绝对值＜0.081。
进一步地，所述变倍切换镜组切入光路时系统焦距为400mm，变倍切换镜组切出光路时系统焦距为200mm。
进一步地，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第一变倍镜和第六透镜的表面均有一面采用非球面；第一反射镜与第二反射镜均为普通红外反射镜。
进一步地，所述变倍切换镜组口径不大于15mm；镜头的长度为196mm，宽度185mm，高度120mm。
进一步地，镜头满足-40℃至60℃工作温度，匹配F/4制冷型探测器，用于像面不大于12.3mm，像元尺寸不小于15μm的探测器。
本发明的有益效果是：
1.仅使用4种材料解决无热化问题。整个镜头仅采用Si、Ge、ZnS、ZnSe四种材料，实现了双视场-40℃至+60℃无热化设计，其中变倍切换镜组采用两种材料实现变倍组无热化求解。无热化设计可满足-40℃至+60℃的宽工作温度，在该温度范围内不用调焦。采用4种常用材料实现双视场无热化，利于生产。
2.实现双视场快速变倍。双视场采用切换式变倍形式，变倍切换镜组设置于一次像面后方，可实现快速变倍。通过变倍切换镜组在光路中切入/切出来实现不同视场的转换，即光学系统焦距的变化，变倍切换镜组切入光路时为长焦，切出时为短焦。
3.该光学镜头结构紧凑。该光学镜头长度为196mm，宽度185mm，高度120mm。第一反射镜与第二反射镜45°安装，合理分配各镜组的光角度，实现合适间距，实现U型结构折叠光路；采用二次成像结构设计，变倍切换镜组设置于一次像面后方，体积小，结构紧凑，采用切换式变倍方式，可以满足快速变倍要求体积小，使镜头紧凑。
4.适用范围广。该系统可匹配F/4制冷型探测器，可满足像面不大于12.3mm，像元尺寸不小于15μm的探测器，满足现在当代技术条件下的大部分探测器。
5.该光学镜头焦距长，焦距分别为200mm和400mm。
附图说明
图1是紧凑型无热化中波红外双视场快速变倍镜头的结构图；
图2是紧凑型无热化中波红外双视场快速变倍镜头的长焦光路图；
图3是紧凑型无热化中波红外双视场快速变倍镜头的短焦光路图；
图4是紧凑型无热化中波红外双视场快速变倍镜头的长焦常温光学系统传函；
图5是紧凑型无热化中波红外双视场快速变倍镜头的短焦常温光学系统传函；
图6是紧凑型无热化中波红外双视场快速变倍镜头的长焦-40℃光学系统传函；
图7是紧凑型无热化中波红外双视场快速变倍镜头的短焦-40℃光学系统传函；
图8是紧凑型无热化中波红外双视场快速变倍镜头的长焦60℃光学系统传函；
图9是紧凑型无热化中波红外双视场快速变倍镜头的短焦60℃光学系统传函；
图10是紧凑型无热化中波红外双视场快速变倍镜头的长焦畸变曲线；
图11是紧凑型无热化中波红外双视场快速变倍镜头的短焦畸变曲线；
附图标记如下所示
1-前固定镜组，11-第一透镜，12-第二透镜，2-第一反射镜，3-中固定镜组，31-第三透镜，32-第四透镜，4-第二反射镜，5-变倍切换镜组，51-第一变倍镜，52-第二变倍镜，6-后固定镜组，61-第五透镜，62-第六透镜，7-中波制冷型红外探测器。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示，一种紧凑型无热化中波红外双视场快速变倍镜头，沿光线入射方向依次设置前固定镜组1、第一反射镜2、中固定镜组3、第二反射镜4、变倍切换镜组5、后固定镜组6、中波制冷型红外探测器7；光线在穿过前固定镜组1后经过第一反射镜2反射，由上至下经过中固定镜组3、第二反射镜4，再次反射后由右至左穿过变倍切换镜组5、后固定镜组6，最后被中波制冷型红外探测器7接收。该镜头采用二次成像结构设计，变倍切换镜组5设置于一次像面后方。
其中，前固定镜组1是由沿着入射光线传输方向依次叠放的两片透镜组成，分别是第一透镜11和第二透镜12，且分别采用Si和Ge材料制成；中固定镜组3是由沿着入射光线传输方向依次叠放的两片透镜组成，分别是第三透镜31和第四透镜32，且分别采用ZnSe和Ge材料制成；变倍切换镜组5是由沿着入射光线传输方向依次叠放的两片透镜组成，分别是第一变倍镜51、第二变倍镜52，且分别采用ZnSe和Ge材料制成；后固定镜组6是由沿着入射光线传输方向依次叠放的两片透镜组成，分别是分别是第五透镜61和第六透镜62，且分别采用ZnS和Si材料制成。采用Si、Ge、ZnS、ZnSe四种材料，实现了双视场-40℃至+60℃无热化设计，其中变倍组采用两种材料实现变倍组无热化求解。
第一反射镜2与第二反射镜4均为普通红外反射镜，第一反射镜2与第二反射镜4与入射光线光轴夹角均为45°，实现U型结构折叠光路，合理分配各镜组的光角度实现合适间距，有效的减小了镜头体积，使镜头紧凑。
前固定镜组1光焦度的满足条件为：0.028＜光焦度绝对值＜0.032；中固定镜组3光焦度的满足条件为：0.0028＜光焦度绝对值＜0.0032；变倍切换镜组5光焦度的满足条件为：0.14＜光焦度绝对值＜0.15；后固定镜组6光焦度的满足条件为：0.078＜光焦度绝对值＜0.081。
如图2、图3所示，通过变倍切换镜组5在光路中切入/切出来实现不同视场的转换，即光学系统焦距的变化，变倍切换镜组5切入光路时为长焦，焦距为400mm，切出时为短焦，焦距为200mm。采用公告号CN 109946811 A的中国发明专利一种快速响应的双视场切换机构实现快速变倍，该切换机构采用电磁铁作为驱动元件实现快速变焦，并且采用电限位、机械限位、磁力锁紧机构加机械锁紧机构的限位形式，能够适应弹载恶劣的力学环境。
第一透镜11、第二透镜12、第三透镜31、第四透镜32、第一变倍镜51和第六透镜62的表面均有一面采用非球面；第一反射镜2与第二反射镜4均为普通红外反射镜。该光学镜头采用了6个非球面，最大限度的消除球差，维持良好的像差修正，以获得所需要的性能，同时减小透镜尺寸。
变倍切换镜组5口径不大于15mm，体积小，重量轻，结构紧凑。可匹配F/4制冷型探测器，并对体积严格控制，镜头的长度为196mm，宽度为185mm，高度为120mm。
图4与图5是紧凑型无热化中波红外双视场快速变倍镜头的常温光学系统传函图，其中，图4为长焦常温调制传递函数图，可以看出其中心视场在33lp/mm处接近衍射极限，边缘视场也具有相对较高传函。图5为短焦常温调制传递函数，可以看出中心视场在33lp/mm处传函值接近衍射极限，边缘视场也具有相对较高传函，可以保证较好的成像质量。
图6与图7是紧凑型无热化中波红外双视场快速变倍镜头的低温-40℃光学系统传函图，其中，图6为长焦低温-40℃调制传递函数图，可以看出其中心视场在33lp/mm处接近衍射极限，边缘视场也具有相对较高传函。图7为短焦低温-40℃调制传递函数，可以看出中心视场在33lp/mm处传函值接近衍射极限，边缘视场也具有相对较高传函，可以保证较好的成像质量。
图8与图9是紧凑型无热化中波红外双视场快速变倍镜头的高温+60℃光学系统传函图，其中，图8为长焦高温+60℃调制传递函数图，可以看出其中心视场在33lp/mm处接近衍射极限，边缘视场也具有相对较高传函。图9为短焦高温+60℃调制传递函数，可以看出中心视场在33lp/mm处传函值接近衍射极限，边缘视场也具有相对较高传函，可以保证较好的成像质量。
图10与图11是紧凑型无热化中波红外双视场快速变倍镜头的光学系统畸变曲线，其中，图10为长焦畸变曲线图，可以看出其长焦时全视场小于0.5％。图11为短焦畸变曲线，可以看出全视场小于0.7％。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、同等替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种紧凑型无热化中波红外双视场快速变倍镜头，其特征在于：镜筒内设置前固定镜组(1)、第一反射镜(2)、中固定镜组(3)、第二反射镜(4)、变倍切换镜组(5)、后固定镜组(6)、中波制冷型红外探测器(7)；
光线入射至镜筒内，先经过前固定镜组(1)后被第一反射镜(2)反射，再依次经过中固定镜组(3)、第二反射镜(4)，第二反射镜(4)反射后依次穿过变倍切换镜组(5)、后固定镜组(6)，再被中波制冷型红外探测器(7)接收；
采用二次成像结构设计，所述变倍切换镜组(5)设置于一次像面后方；变倍切换镜组(5)切入光路时为系统为长焦状态，切出时为短焦状态；
所述前固定镜组(1)是由沿着入射光线传输方向依次叠放的两片透镜组成，分别是第一透镜(11)和第二透镜(12)，且分别采用Si和Ge材料制成；
所述中固定镜组(3)是由沿着入射光线传输方向依次叠放的两片透镜组成，分别是第三透镜(31)和第四透镜(32)，且分别采用ZnSe和Ge材料制成；
所述变倍切换镜组(5)是由沿着入射光线传输方向依次叠放的两片透镜组成，分别是第二变倍镜(52)、第一变倍镜(51)，且分别采用ZnSe和Ge材料制成；
所述后固定镜组(6)是由沿着入射光线传输方向依次叠放的两片透镜组成，分别是第六透镜(62)和第五透镜(61)，且分别采用ZnS和Si材料制成。
2.根据权利要求1所述的一种紧凑型无热化中波红外双视场快速变倍镜头，其特征在于：光路为U型结构折叠光路，前固定镜组(1)一侧是光线入射口，另一侧沿入射光线传输方向依次设置第一反射镜(2)、中固定镜组(3)与第二反射镜(4)，且第一反射镜(2)、第二反射镜(4)均与入射光线光轴夹角均为45°，变倍切换镜组(5)、后固定镜组(6)、中波制冷型红外探测器(7)设置在前固定镜组(1)与第二反射镜(4)之间。
3.根据权利要求2所述的一种紧凑型无热化中波红外双视场快速变倍镜头，其特征在于：所述前固定镜组(1)光焦度的满足条件为：0.028＜光焦度绝对值＜0.032。
4.根据权利要求3所述的一种紧凑型无热化中波红外双视场快速变倍镜头，其特征在于：所述中固定镜组(3)光焦度的满足条件为：0.0028＜光焦度绝对值＜0.0032。
5.根据权利要求4所述的一种紧凑型无热化中波红外双视场快速变倍镜头，其特征在于：所述变倍切换镜组(5)光焦度的满足条件为：0.14＜光焦度绝对值＜0.15。
6.根据权利要求5所述的一种紧凑型无热化中波红外双视场快速变倍镜头，其特征在于：所述后固定镜组(6)光焦度的满足条件为：0.078＜光焦度绝对值＜0.081。
7.根据权利要求1至6任一所述的一种紧凑型无热化中波红外双视场快速变倍镜头，其特征在于：所述变倍切换镜组(5)切入光路时系统焦距为400mm，变倍切换镜组(5)切出光路时系统焦距为200mm。
8.根据权利要求7所述的一种紧凑型无热化中波红外双视场快速变倍镜头，其特征在于：所述第一透镜(11)、第二透镜(12)、第三透镜(31)、第四透镜(32)、第一变倍镜(51)和第六透镜(62)的表面均有一面采用非球面；第一反射镜(2)与第二反射镜(4)均为普通红外反射镜。
9.根据权利要求8所述的一种紧凑型无热化中波红外双视场快速变倍镜头，其特征在于：所述变倍切换镜组(5)口径不大于15mm；镜头的长度为196mm，宽度185mm，高度120mm。
10.根据权利要求9所述的一种紧凑型无热化中波红外双视场快速变倍镜头，其特征在于：满足-40℃至60℃工作温度，匹配F/4制冷型探测器，用于像面不大于12.3mm，像元尺寸不小于15μm的探测器。
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| CN112817068A (zh) | 2021-05-18 |
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Legal Events
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