CN201765372U - 一种超强光大视场温度自适应红外镜头 - Google Patents
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Abstract
一种超强光大视场温度自适应红外镜头，由第一透镜、第二透镜和第三透镜三片透镜组成，透镜光焦度依次为正、负、正结构。第一透镜采用低光热系数硫系玻璃材料，也可根据需要选用硒化锌、硫化锌材料；第二透镜和第三透镜采用光学锗单晶材料，第二透镜产生正热差，与第一透镜、第三透镜产生的负热差及镜头结构件的热胀冷缩相补偿，实现镜头的温度自适应，“正、负、正”对称式光学结构有利于光学镜头的像差校正，并利用非球面、二元光学技术校正高级像差。本实现新型结构简单，在-40℃～72℃的温度范围，镜头温度补偿准确、可靠，成像清晰，技术参数稳定并具有超强光、大视场特性，能提高热成像仪的可分辨温差、作用距离、观察范围等技术性能。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种红外镜头，尤其涉及一种用于工作环境温度变化大的红外镜头。
背景技术
红外镜头是红外成像光学仪器的重要部件，负责接收目标辐射的红外光线，并将其会聚成像于红外探测器件上。由于热胀冷缩现象，红外镜头的零部件尺寸会发生变化，光学材料的折射率会随温度变化发生变化，光学材料折射率随温度的变化用光热系数(dn/dt)来描述。由于这些因素，温度变化时，红外镜头的焦距、后工作距发生变化，产生离焦现象，降低成像清晰度，严重时，系统无法成像。特别是在红外光学系统中，常用的光学材料的光热系数较大；而红外光学仪器的使用温度范围宽，成像质量要求高；红外镜头焦深小，对调焦准确度要求高。就需要采取技术措施，减弱或消除使用环境温度变化对红外镜头成像的影响，这就是温度自适应技术。
现有的温度自适应技术分为主动式和被动式。主动式温度自适应技术利用温度传感器测量环境温度，经微处理器计算、分析后，形成驱动信号，通过电机驱动镜头产生调焦运动，达到温度补偿目的。这种方式，需要精密补偿装置，机构复杂，可靠性差。被动式温度自适应技术则在镜头内部实现温度补偿，结构简单，可靠性高，但设计难度高，它又有两种实现方式：1)机械被动式温度自适应技术。采用温度敏感性材料制造确定的结构件，当镜头使用环境温度变化时，该构件由于热胀冷缩现象产生与镜头温度离焦量方向相反、数量相等的长度变化，实现温度补偿。2)光学被动式温度自适应技术。利用不同光热特性的光学材料，相互组合，使其温度变化互补，实现温度补偿。
目前，用于致冷型探测器的温度自适应红外镜头其F数一般不小于2.0，体积大，光学结构复杂。非致冷探测器的光电效率较低，需要小F数的镜头，以镜头的强光特性提供高的像面照度，实现目标探测。实用的红外系统必须对热差进行补偿，但当镜头的F数较小、视场角较大时，设计很难实现，目前多采用像面调焦的方式对镜头的热差进行对焦补偿，属于机械补偿技术。目前的报道中只有利用光学消热差技术设计大F数，小视场的温度自适应镜头。光学被动消热差技术在小F数，大视场的温度自适应镜头上的设计难度大。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种温度自适应红外光学镜头，可在-40℃～72℃温度范围内清晰成像，实现温度自适应调节，以解决红外成像光学仪器由于使用环境温度变化而产生的离焦、成像质量下降的现象。
本实用新型所述的超强光大视场温度自适应红外镜头，由第一透镜、第二透镜和第三透镜三片透镜组成，透镜光焦度依次为正、负、正结构。第一透镜采用低光热系数硫系玻璃材料，也可据镜头技术指标及设计需要选用硒化锌、硫化锌材料；第二透镜和第三透镜采用光学锗单晶材料。其工作原理是第二透镜产生正热差，与第一透镜、第三透镜产生的负热差及镜头结构件的热胀冷缩相补偿，实现镜头的温度自适应。“正、负、正”对称式光学结构有利于光学镜头的像差校正，并利用非球面、二元光学(DOE)技术校正高级像差，从而实现红外镜头的超强光、大视场功能。
本实现新型经使用证明：镜头结构简单，在-40℃～72℃的温度范围，镜头温度补偿准确、可靠，成像清晰，技术参数稳定；镜头具有超强光、大视场特性，能提高热成像仪的可分辨温差、作用距离、观察范围等技术性能。
附图说明
图1是本实用新型的光学原理图；
图2是本实用新型的结构图；
图3是实施例在20℃时的光学传递函数曲线图；
图4是实施例在-40℃时的光学传递函数曲线图；
图5是实施例在72℃时的光学传递函数曲线图；
图6是一不具有热补偿功能的镜头光学原理图；
图7是图6镜头在20℃、-20℃、60℃时的光学传递函数曲线图；
图中，1为第一透镜，2为第二透镜，3为第三透镜，4为红外探测器保护窗口，5为红外探测器焦平面，6为热像仪壳体，7为定焦环，8为第二隔圈，9为第一隔圈，10为压紧圈，11为镜体。
具体实施方式
以下结合附图，通过实施例对本实用新型作进一步的详细说明。
如图1、图2所示，第一透镜1、第二透镜2和第三透镜3共三片透镜构成超强光、大视场温度自适应红外镜头光学系统接收并汇聚目标的红外辐射，汇聚后的红外辐射透过探测器保护窗口4在红外探测器焦平面5上成像。第一隔圈9及第二隔圈8将透镜分隔开指定间隔，压紧圈10将透镜组压紧于镜体11中，定焦环7用螺纹机构固边于热像仪壳体6上，镜体11与定焦环7用多头螺纹边接，旋转镜体11，即可实现调焦。消热差设计保证调焦完成后，产品在使用过程中，环境温度在-40℃～72℃范围内变化时，镜头不产生焦面漂移，成像质量稳定。镜头中的机械构件采用工艺性能良好的LY12铝合金。各光学镜片及镜头结构件在温度自适应过程中，不相互运动，仅由于热胀冷缩产生形变。
第一透镜1是正光焦度透镜，采用Ge20Sb15Se65作为材料，其两光学工作面都是球面，具有负热差。第二透镜2是负光焦度透镜，采用光学锗单晶作为材料，其前光学工作面是二元光学(DOE)，后光学工作面是非球面，具有正热差。第三透镜3是正光焦度透镜，采用光学锗单晶作为材料，其两光学工作面都是球面，具有负热差。各透镜的热差值与镜头结构件热胀冷缩相补偿，实现镜头温度自适应。
本实用新型采用“正、负、正”的对称式光学结构，这是可校正全部初级像差的最简单结构；第二透镜2的后工作面加工非球面，可以校正光学系统的高级像差。以三片镜片实现大相对孔径、广角系统像差校正，实现超强光、大视场镜头设计。第一透镜1采用的Ge20Sb15Se65材料，具有低光热系数特性和低折射率(n10.6um＝2.5817)，与采用高折射率锗材料(n10.6um＝4.0038)的第二透镜2形成“低(正透镜)、高(负透镜)折射率”的自校正初级像差光学结构布局，使光学系统像差容易校正。由于第一透镜1采用的Ge20Sb15Se65材料在7～14um光谱段具有大色散特性，在光学系统中的第二透镜2的前工作面加工DOE结构，得用DOE的大色散特性，产生反向色差，与第一透镜产生的色差相补偿，同时也补偿第三透镜产生的微量色差，使光学系统的色差得到校正。
光学结构参数：
技术指标：
焦距： 14.8
F/#： 0.8
视场角： 45°
工作波长：7～14um
图3、图4、图5给出实施例在工作环境温度分别为20℃、-40℃、72℃时镜头传递函数曲线图。
图6是一个不具有热补偿功能的镜头，光学材料全部采用锗，与本实施例的技术指标相同。图7显示了镜头在20℃、-20℃、60℃时，镜头中心点的传递函数曲线图，可以看出，未曾经消热差设计的镜头在使用环境温度变化时，其成像质量恶化情况。
对比来看，当环境温度在-40℃～72℃变化时，在20lp/mm空间频率处，其传递函数可保持40％以上，成像质量稳定，具有良好的热补偿效果。
本实用新型的特点是：1)镜头温度自适应范围-40℃～72℃，温度补偿可靠；2)以光学方式实现温度自适应，温度适应过程实时；3)光学温度自适应方式，同时补偿温度适应过程中镜片的形变，实现镜头像差补偿，成像质量稳定；4)镜头视场大，全视场45°；5)镜头F数：0.8，相对孔径大，具有超强光特性，像面照度高，提高了热成像仪作用距离及可分辨温差。本实用新型利用不同材料的光热特性差异，非球面技术和二元光学技术，以简单、稳定、可靠的光学结构实现广角、大相对孔径红外镜头的温度自应，可广泛应用于长波红外非致冷焦平面热成像系统。
Claims (2)
1.一种超强光大视场温度自适应红外镜头，其特征在于：由第一透镜(1)、第二透镜(2)和第三透镜(3)三片透镜组成，透镜的光焦度依次为正、负、正结构，第一透镜(1)采用低光热系数硫系玻璃材料，其两光学工作面都是球面，具有负热差，第二透镜(2)采用光学锗单晶材料，其前光学工作面是二元光学面，后光学工作面是非球面，具有正热差，第三透镜(3)采用光学锗单晶材料，其两光学工作面都是球面，具有负热差。
2.根据权利要求1所述的超强光大视场温度自适应红外镜头，其特征在于：第一透镜(1)还可采用硒化锌或者硫化锌材料。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Assignee: Yunnan KIRO-CH Photonics Co., Ltd. Assignor: Kunming Inst. of Physics Contract record no.: 2012530000038 Denomination of utility model: Infrared lens with ultra-strong light, large viewing field and temperature self-adaptation Granted publication date: 20110316 License type: Exclusive License Record date: 20120702 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20110316 Termination date: 20150714 |
|
| EXPY | Termination of patent right or utility model |