CN201383027Y - 远红外无热化光学系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种无热化远红外光学系统，包括由外向里依次固定连接的外镜筒、补偿筒、放置有远红外镜头的内镜筒，上述外镜筒与内镜筒的线膨胀系数相同；上述补偿筒在垂直于远红外镜头光轴方向上与上述内/外镜筒之间留有一定的间隙；上述补偿筒与外镜筒定位的面到镜头定位面的距离(L1)，以及补偿筒与外镜筒定位的面到补偿筒与内镜筒定位的面的距离(L2)，满足公式L1＝(α补/α外)L2+ΔX/(ΔTα外)，其中ΔT为－40℃～60℃范围内温度变化差值，ΔX为上述光学系统在温度变化ΔT后沿光轴方向产生的最大离焦量，α外为外镜筒的线膨胀系数，α补为补偿筒的线膨胀系数。通过引入补偿筒，并确定其放置位置，利用材料热膨胀的差异实现焦移补偿，使成像面像面保持稳定。
Description
技术领域
本实用新型涉及光学系统，尤其涉及一种远红外无热化光学系统。
背景技术
红外热成像技术作为一种新兴技术近几年有了飞速的发展，被广泛应用于军事、电力检测、全天候监控、测温等很多行业，尤其是在军事方面的应用非常广泛。其中远红外热成像的光学系统中最常用的光学材料就是单晶锗，单晶锗有一个重要的指标就是dn/dt，即折射率温度的变化量，锗的dn/dt是0.000396/℃，是一个很大的值，而普通光学玻璃的dn/dt平均仅为0.0000036/℃，这样就造成远红外光学系统通常随着温度的变化产生很大焦移量，使成像质量变得很差。为解决这个问题，目前国内通常的方法是增加一个手动或电动调焦结构，出现焦点漂移后通过调整光学系统的局部结构进行焦移补偿。这种结构通常比较复杂，且有时稳定性不好，容易出现电子元器老化等问题。
发明内容
为了解决上述传统远红外无热化光学系统所带来的问题和缺陷，本实用新型提供了一种远红外无热化光学系统，包括由外向里依次固定连接的，外镜筒、补偿筒、放置有远红外镜头的内镜筒，上述外镜筒与内镜筒的线膨胀系数相同；上述补偿筒在垂直于远红外镜头光轴方向上与上述内/外镜筒之间留有一定的间隙，以防止当温度变化时补偿筒与内/外镜筒因为膨胀而相互抱死；上述补偿筒与外镜筒定位的面到镜头定位面的距离L1，以及补偿筒与外镜筒定位的面到补偿筒与内镜筒定位的面的距离L2，满足公式
其中ΔT为-40℃～60℃范围内温度变化差值，ΔX为上述光学系统在温度变化ΔT后沿光轴方向产生的最大离焦量，α外为外镜筒的线膨胀系数，α补为补偿筒的线膨胀系数。
上述补偿筒的线膨胀系数大于上述外镜筒的线膨胀系数。
上述远红外镜头还包括多个透镜，该多个透镜按预设间距用隔圈隔开，放置在内镜筒中。
上述内镜筒、隔圈的线膨胀系数相同。
上述内/外镜筒与隔圈的材料为不锈钢。
上述补偿筒的材料为尼龙66。
上述补偿筒一端与上述内镜筒通过螺钉进行连接，使二者连为一体。
上述外镜筒与上述补偿筒的另一端螺纹连接，使用端面定位并由螺钉止动。
相较于传统的远红外无热化光学系统，本实用新型通过引入补偿筒，并确定补偿筒的最佳放置位置，然后依靠各种机械材料的膨胀系数的差异，经过精心的材料组合，充分利用材料热膨胀的差异实现焦移补偿，保持成像面在很大温度范围(-40℃～60℃)内像面保持稳定。
附图说明
图1为本实用新型一具体实施例的25mm远红外镜头的无热化光学系统。
具体实施方式
下面结合附图，对本实用新型的具体实施作进一步的详细说明。对于所属技术领域的技术人员而言，从对本实用新型的详细说明中，本实用新型的上述和其他目的、特征和优点将显而易见。
参照图1，为一种25mm远红外镜头的无热化光学系统10，包括由外向里依次连接的外镜筒101、补偿筒201、内镜筒301；该补偿筒201一端与内镜筒301通过紧固螺钉801进行连接，使二者连为一体，在垂直于光轴20方向上补偿筒201与内镜筒301之间留有足够的间隙，以保证当温度升高或降低时内镜筒301不会与补偿筒201相互抱死而阻碍了内镜筒301沿轴20向前移或后退；外镜筒101，该外镜筒101与上述补偿筒201的另一端螺纹连接，使用端面100定位并由螺钉901止动，在垂直于光轴20方向上外镜筒301与补偿筒201之间也要留有足够的间隙，以防止当温度变化时补偿筒201与外镜筒101因为膨胀而相互抱死；远红外镜头3000，包括四个透镜，其中第一、三透镜3001、3003分别为平凸透镜和弯月透镜，采用的AMTIR-1材料(dn/dt为0.000072/℃)，第二透镜3002为凹透镜，采用的ZnSe单晶材料(dn/dt为0.000060/℃)，第四透镜3004为弯月透镜，采用的是锗单晶(dn/dt为0.000396℃)，各透镜之间的空气间隔随温度变化按常用不锈钢材料膨胀系数设置，并以隔圈4000隔开，设置在内镜筒301中；上述内镜筒301、外镜筒101、隔圈4000采用相同牌号的不锈钢材料制成，这样在温度变化时保证膨胀情况相一致，不使透镜由于应力产生变形；上述补偿筒201采用的是尼龙66；镜筒之间采用较为精密的公差配合，可以使内镜筒301在轴向移动中实现导向的作用。
对于上述补偿筒与外镜筒定位的面100到镜头定位面200的距离L1，以及补偿筒与外镜筒定位的面100到补偿筒与内镜筒定位的面300的距离L2，满足公式
其中ΔT为-40℃～60℃范围内温度变化差值，ΔX为上述光学系统在温度变化ΔT后沿光轴方向产生的最大离焦量，α外为外镜筒的线膨胀系数，α补为补偿筒的线膨胀系数。
上述公式是由ΔX＝ΔT×α外×L1-ΔT×α补×L2变化得到，其中ΔX＝ΔT×α×L是材料学中计算各种材料热膨胀产生尺寸变化的通用公式。本实例的公式就是由该通用公式导出的，其中常用材料的线膨胀系数α的值可以通过光学仪器设计手册(国防工业出版社)或其它各种机械设计手册查得。
上述ΔX的确定方法为：首先，在光学系统10未引入补偿筒201时，对光学系统10进行光学设计，利用Zemax软件的热分析功能，分别按低温(-40℃)、常温(20℃)、高温(60℃)进行热拾取，并考虑温度变化引起的镜片之间的间隔变化建立三个温度下的多重结构，利用软件的优化功能对三个温度同时进行光学优化设计，并充分利用光学材料之间的温度补偿作用使整个光学系统在成像质量良好的前提下，产生尽量小的焦移，因为焦移量越小，最后利用机械材料之间的膨胀系数差异补偿起来才越容易。经过软件模拟，上述25mm远红外镜头的无热化光学系统10在-40℃～60℃温度范围内变化时，系统的最大离焦量为110μm，远大于系统焦深，故需要利用不同机械材料之间的线膨胀系数的差值进行补偿。
在本实施例中，内镜筒总长为37.5mm，首先根据实际安装时结构的要求大致确定L2的长度为19.5mm，α外＝12×10-6/℃，α补＝70×10-6/℃，经公式
计算L1＝22mm。需要注意的是，在计算过程中要注意符号正负号的选取。(从20℃升到60℃，ΔX＝-44μmm；从20℃降到-40℃，ΔX＝66μmm，从-40℃到60℃，ΔX合计为110μm。)值得注意的是，一般来说，首先根据光学系统结构的要求确定L2的大致值，并根据光学软件Zemax模拟出来的ΔX值求出L1的值；此时如果L1的值在结构设计无法实现，可能就要重新调整L2的值并重新求出符合结构要求的L1的值。这是一个反复的过程。
实际表现出来就是，图中所示200所在的面为镜头的定位基准面，我们假定它是不动的，当温度发生变化时，比如当温度从20℃升到60℃时，外镜筒101沿光轴20向左侧方向膨胀，带动补偿筒201与内镜筒301都向左侧方向产生微量移动；而补偿筒201由于采用的是尼龙66，其线膨胀系数大于外镜筒101的线膨胀系数，即补偿筒201产生的沿光轴方向位移大于外镜筒101沿光轴方向位移，且由于补偿筒201是在镜头的前端部位(面100)处与外镜筒101相互固定，它向后的一端是没有固定的，可以自由伸缩的，所以当温度升高到60℃时，实际上内镜筒向右侧产生了移动，并且由于补偿筒设置的位置关系，使得此种变化后产生的离焦量恰好弥补了光学系统镜头因温度变化所产生的离焦量，从而实现离焦补偿。反之，也是如此。从而这种结构就实现了-40℃～60℃温度变化过程中像面的稳定，保证了成像质量。
结合上述实施例的描述，本实用新型提供了一种无热化远红外光学系统，通过在该光学系统中引入补偿筒，并利用光学材料的dn/dt、各种机械材料的膨胀系数，经过精心的分析和材料组合，确定补偿筒的设置方式和位置，尽量减少高低温度变化时焦点漂移的距离，充分利用材料热膨胀的差异实现焦移补偿，保持成像面在很大温度范围(-40℃～60℃)内像面保持稳定。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并非因此限定本实用新型的专利保护范围，本实用新型还可用于其他光学系统中，并不限运用于“25mm远红外镜头的无热化光学系统”，所述远红外镜头也不限于“四片透镜”。故凡运用本实用新型的说明书及图示内容所谓的等效结构变化，或直接或间接运用于其他相关技术领域均同理皆包含于本实用新型所涵盖之范围内。
Claims (8)
1.一种无热化远红外光学系统，其特征在于，包括由外向里依次固定连接的，外镜筒、补偿筒、放置有远红外镜头的内镜筒，上述外镜筒与内镜筒的线膨胀系数相同；
上述补偿筒在垂直于远红外镜头光轴方向上与上述内/外镜筒之间留有一定的间隙，以防止当温度变化时补偿筒与内/外镜筒因为膨胀而相互抱死；
上述补偿筒与外镜筒定位的面到镜头定位面的距离(L1)，以及补偿筒与外镜筒定位的面到补偿筒与内镜筒定位的面的距离(L2)，满足公式
其中ΔT为-40℃～60℃范围内温度变化差值，ΔX为上述光学系统在温度变化ΔT后沿光轴方向产生的最大离焦量，α外为外镜筒的线膨胀系数，α补为补偿筒的线膨胀系数。
2.根据权利要求1所述的无热化远红外光学系统，其特征在于，上述补偿筒的线膨胀系数大于上述外镜筒的线膨胀系数。
3.根据权利要求1或2所述的无热化远红外光学系统，其特征在于，上述远红外镜头还包括多个透镜，该多个透镜按预设间距用隔圈隔开，放置在内镜筒中。
4.根据权利要求3所述的无热化远红外光学系统，其特征在于，上述内镜筒、隔圈的线膨胀系数相同。
5.根据权利要求4所述的无热化远红外光学系统，其特征在于，上述内/外镜筒与隔圈的材料为不锈钢。
6.根据权利要求5所述的无热化远红外光学系统，其特征在于，上述补偿筒的材料为尼龙66。
7.根据权利要求1所述的无热化远红外光学系统，其特征在于，上述补偿筒一端与上述内镜筒通过螺钉进行连接，使二者连为一体。
8.根据权利要求1或7所述的无热化远红外光学系统，其特征在于，上述外镜筒与上述补偿筒的另一端螺纹连接，使用端面定位并由螺钉止动。
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