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CN113448067B - 一种切换式变焦的消热差型长波红外变焦镜头 - Google Patents

一种切换式变焦的消热差型长波红外变焦镜头 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种切换式变焦的消热差型长波红外变焦镜头，解决现有无热化设计的系统视场角一般较大，而小视场设计的系统难以实现系统的被动消热差设计的问题。该消热差型长波红外变焦镜头包括镜筒、前固定镜组、第一反射镜、后固定镜组、第二反射镜、变焦镜组、二次成像镜组和长波红外探测器组件；前固定镜组、第一反射镜、后固定镜组、第二反射镜、二次成像镜组和长波红外探测器组件沿着光路依次设置，变焦镜组设置在第二反射镜和二次成像镜组之间的光路上，且能够切入和切出光路；该变焦镜头是一种具有小视场、结构紧凑、变焦结构简单，能够实现切换式变焦的长波红外镜头，且该镜头实现被动消热差设计，增强对环境温度变化的适应性。

Description

一种切换式变焦的消热差型长波红外变焦镜头
技术领域
本发明属于红外热成像领域，具体涉及一种切换式变焦的消热差型长波红外变焦镜头。
背景技术
长波红外成像系统主要利用物体自身辐射的热能量进行成像，从而实现物体的远距离探测，其主要应用于火灾预警探测、抢险救援、高端成像监视等领域。长波红外双视场系统具有大小不同的两个成像视场，可实现对目标区域大范围感知及远距离详查，在实际应用中相比于定焦系统具有更大的优势，已成为目前的研究热点。
中国专利CN 102269871 A公开了一种双色双视场红外成像光学系统，该系统实现9°×6.75°/3°×2.25°的双视场系统设计；中国专利CN 108345093 A公开了一种共口径双视场双色红外成像镜头，该镜头实现长波红外系统焦距22mm/55mm设计，且系统实现了被动无热化设计；何红星等人在“一种高性能双视场长波红外光学系统，红外技术，第39卷，第5期”中实现了视场角为1.7°×1.28°/17°×12.8°的长波红外双视场系统，但该系统采用调焦组进行系统热差补偿，未实现被动消热差化设计。
通过上述文献资料可知，目前的长波红外光学系统实现无热化设计的系统视场角一般较大，在目标详查方面应用受限，而实现小视场设计的系统难以实现系统的被动消热差设计，致使在系统的应用中需依据不同的环境温度对系统进行调焦，环境适应能力弱，增加了系统使用的复杂度。因此，研制一款拥有小视场且被动消热差的长波红外变焦镜头显得尤其必要。
发明内容
本发明的目的是解决现有无热化设计的系统视场角一般较大，而小视场设计的系统难以实现系统的被动消热差设计的问题，提供一种切换式变焦的消热差型长波红外变焦镜头。该变焦镜头是一种具有小视场、结构紧凑、变焦结构简单，能够实现切换式变焦的长波红外镜头，且该镜头实现被动消热差设计，增强对环境温度变化的适应性。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种切换式变焦的消热差型长波红外变焦镜头，包括镜筒和设置在镜筒内的前固定镜组、第一反射镜、后固定镜组、第二反射镜、变焦镜组、二次成像镜组和长波红外探测器组件；所述前固定镜组、第一反射镜、后固定镜组、第二反射镜、二次成像镜组和长波红外探测器组件沿着光路依次设置，所述变焦镜组设置在第二反射镜和二次成像镜组之间的光路上，且能够切入和切出光路；变焦镜组切入光路，入射光线经过前固定镜组后由第一反射镜进行光线折转至后固定镜组，光线由后固定镜组汇聚至第二反射镜，第二反射镜将光线二次折转至变焦镜组，并经过二次成像镜组后到达长波红外探测器组件，从而实现长波红外变焦镜头的小视场成像；变焦镜组切出光路，入射光线经过前固定镜组后由第一反射镜进行光线折转至后固定镜组，光线由后固定镜组汇聚至第二反射镜，第二反射镜将光线二次折转至二次成像镜组后到达长波红外探测器组件，从而实现长波红外变焦镜头的大视场成像；所述前固定镜组包括至少两片透镜，透镜材料分别选用硫系玻璃和ZnSe材料，且0.002＜前固定镜组光焦度＜0.003；所述后固定镜组的透镜材料采用硫系玻璃材料，且-0.01＜后固定镜组光焦度＜-0.009；所述变焦镜组包括至少两片透镜，透镜材料分别选用硫系玻璃材料与单晶锗材料，且0.015＜变焦镜组光焦度＜0.03；所述二次成像镜组的透镜材料采用硫系玻璃材料，且0.045＜二次成像镜组光焦度＜0.055；上述各透镜参数满足以下条件：
Figure BDA0003077881710000021
Figure BDA0003077881710000031
Figure BDA0003077881710000032
式中，
Figure BDA0003077881710000033
为各透镜的光焦度；
Figure BDA0003077881710000034
为长波红外变焦镜头的光焦度；vi为各透镜的色散系数；
Figure BDA0003077881710000035
为透镜材料因折射率/温度系数dn/dt引起的焦距变化；aL为镜筒材料的热膨胀系数，L为镜筒长度。
进一步地，所述第一反射镜和第二反射镜的材料为红外晶体材料及金属材料。
进一步地，所述前固定镜组包括第一前固定透镜和第二前固定透镜，所述第二前固定透镜的物侧面为非球面。
进一步地，所述后固定镜组包括后固定透镜，其像侧面为非球面。
进一步地，所述变焦镜组包括第一变焦透镜和第二变焦透镜，所述第二变焦透镜的像侧面为非球面。
进一步地，所述二次成像镜组包括第一成像透镜、第二成像透镜和第三成像透镜，所述第一成像透镜的物侧面、第二成像透镜的物侧面、第三成像透镜的像侧面均为非球面。
进一步地，所述镜筒材料选用热膨胀系数为236×10-7的普通铝合金。
进一步地，所述长波红外探测器组件的像素阵列640×512，像元尺寸为15μm，F数为2.5。
进一步地，所述长波红外变焦镜头的F数为2.5，最大口径小于130mm，视场角为3.36°×2.70°/1.68°×1.35°，变倍比为2×。
与现有技术相比，本发明具有的有益技术效果如下：
1.本发明长波红外变焦镜头通过变焦镜组的切入实现镜头的小视场成像，通过变焦镜组的切出实现镜头的大视场成像，此种变焦方式能够实现大小视场的快速切换，减小目标丢失的概率；同时，该长波红外变焦镜头可实现小视场的长波红外变焦设计，利于目标信息的详查应用。
2.本发明长波红外变焦镜头可在工作温度-40℃～60℃的宽温度范围内实现被动消热差设计，增强镜头环境适应性，简化镜头使用复杂度。
3.本发明长波红外变焦镜头可匹配F/2.5制冷型探测器，具有较强的能量收集能力，可大幅提高成像信噪比。
4.本发明长波红外变焦镜头的镜筒材料选用常用的热膨胀系数为236×10-7的普通铝合金镜筒，可保证在-40℃～60℃的宽温度范围内，在空间频率33lp/mm处，两个视场角的光学传递函数接近衍射极限，像质良好。
附图说明
图1为本发明长波红外变焦镜头的小视场光路示意图；
图2为本发明长波红外变焦镜头的大视场光路示意图；
图3为本发明长波红外变焦镜头的小视场常温20℃光学系统传递函数；
图4为本发明长波红外变焦镜头的小视场常温-40℃光学系统传递函数；
图5为本发明长波红外变焦镜头的小视场常温60℃光学系统传递函数；
图6为本发明长波红外变焦镜头的大视场常温20℃光学系统传递函数；
图7为本发明长波红外变焦镜头的大视场常温-40℃光学系统传递函数；
图8为本发明长波红外变焦镜头的大视场常温60℃光学系统传递函数。
附图说明：1-前固定镜组，2-后固定镜组，3-变焦镜组，4-二次成像镜组，5-第一反射镜，6-第二反射镜，7-长波红外探测器组件，11-第一前固定透镜，12-第二前固定透镜，31-第一变焦透镜，32-第二变焦透镜，41-第一成像透镜，42-第二成像透镜，43-第三成像透镜。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用来解释本发明的技术原理，目的并不是用来限制本发明的保护范围。
本发明提供一种切换式变焦的消热差型长波红外变焦镜头，该成像镜头适用于7.7μm～9.5μm的长波红外波段，其采用切入/切出的方式实现镜头的小/大视场切换，具有视场角小且实现被动消热差设计的特点。具体的，该系统通过变焦镜组的切入实现镜头的小视场成像，通过变焦镜组的切出实现镜头的大视场成像，此种变焦方式能够实现视场的快速切换，减小目标丢失的概率。切换变焦镜组时，光线通过二次成像镜组汇聚于焦平面上，且保持不同工作温度时的焦平面位置不变。
如图1和图2所示，本发明提供的切换式变焦的消热差型长波红外变焦镜头包括镜筒和设置在镜筒内的前固定镜组1、第一反射镜5、后固定镜组2、第二反射镜6、变焦镜组3、二次成像镜组4和长波红外探测器组件7；前固定镜组1、第一反射镜5、后固定镜组2、第二反射镜6、二次成像镜组4和长波红外探测器组件7沿着光路依次设置，变焦镜组3设置在第二反射镜6、二次成像镜组4之间的光路上，且能够切入和切出光路。
变焦镜组3切入光路，入射光线经过前固定镜组1后由第一反射镜5进行光线折转至后固定镜组2，光线由后固定镜组2汇聚至第二反射镜6，光线由第二反射镜6二次折转至变焦镜组3，并经过二次成像镜组4后到达长波红外探测器组件7，此时实现长波红外镜头小视场成像。变焦镜组3切出光路，入射光线经过前固定镜组1后由第一反射镜5进行光线折转至后固定镜组2，光线由后固定镜组2汇聚至第二反射镜6，光线由第二反射镜6二次折转至二次成像镜组4后到达长波红外探测器组件7，此时实现长波红外镜头大视场成像。
本发明长波红外变焦镜头适用于7.7μm～9.5μm的长波红外波段，在工作温度-40℃～60℃范围内实现被动消热差设计。
为实现消色差和被动消热差，前固定镜组1包括第一前固定透镜11和第二前固定透镜12，且0.002＜前固定镜组光焦度＜0.003，其中第一前固定透镜11和第二前固定透镜12的材料分别使用折射率/温度系数较小的硫系玻璃材料和ZnSe材料，第二前固定透镜12物侧面为非球面。
为实现消色差和被动消热差，后固定镜组2包括后固定透镜，且-0.01＜后固定镜组光焦度＜-0.009，后固定透镜的材料使用硫系玻璃材料，且其像侧面为非球面。
为实现消色差和被动消热差，变焦镜组3包括第一变焦透镜31和第二变焦透镜32，且0.015＜变焦镜组光焦度＜0.03，第一变焦透镜31和第二变焦透镜32分别选用硫系玻璃与单晶锗，且第二变焦透镜32的像侧面为非球面。
为实现消色差和被动消热差，二次成像镜组4包括第一成像透镜41、第二成像透镜42和第三成像透镜43，且0.045＜二次成像镜组光焦度＜0.055，第一成像透镜41、第二成像透镜42和第三成像透镜43的材料均使用硫系玻璃材料，且第一成像透镜41的物侧面、第二成像透镜42的物侧面、第三成像透镜43的像侧面为非球面。
本发明第一反射镜5和第二反射镜6起光路折叠作用，入射光线经过第一反射镜5和第二反射镜6进行两次折转，对光路实现U型折叠，缩短了长波红外镜头长度，使镜头体积小，结构紧凑，实现了镜头小型化设计，其材料可选为光学玻璃HK9L等可见光常用玻璃材料、常用的红外晶体材料及金属材料。
本发明镜筒材料优选普通铝合金而无需其他特殊材料，在-40℃～60℃内具有较好的像质。为了获得更加优异的设计结果，可以采用其他热膨胀系数更好地材料。
本发明长波红外探测器组件7的F数为2.5，像素阵列640×512，像元尺寸为15μm。
为实现长波红外镜头的消色差和被动消热差，系统内各参数应满足以下条件：
Figure BDA0003077881710000061
Figure BDA0003077881710000062
Figure BDA0003077881710000071
式中，
Figure BDA0003077881710000072
为各透镜的光焦度；
Figure BDA0003077881710000073
为长波红外变焦镜头的光焦度；vi为各透镜的色散系数；
Figure BDA0003077881710000074
为透镜材料因折射率/温度系数dn/dt引起的焦距变化；aL为镜筒材料的热膨胀系数，L为镜筒长度。
为了提高光学系统的成像质量，本实施例中包含6个非球面，而未使用衍射面。长波红外镜头能够实现光学被动消热差，温度适用范围为-40℃～60℃，镜筒采用热膨胀系数为236×10-7/K的铝合金材料。图3至图8所示分别为该镜头在常温20℃、-40℃和60℃时长波红外镜头大视场、小视场的光学传递函数，均接近衍射极限，实现被动消热差设计。本发明的成像镜头适用于长波红外波段(7.7～9.5μm)；长波红外镜头F数为2.5，最大口径小于130mm，视场角为3.36°×2.70°/1.68°×1.35°，变倍比为2×，属于切入/切出式变焦，视场切换前后镜头总长恒定。

Claims (4)

1.一种切换式变焦的消热差型长波红外变焦镜头，其特征在于：包括镜筒和设置在镜筒内的前固定镜组(1)、第一反射镜(5)、后固定镜组(2)、第二反射镜(6)、变焦镜组(3)、二次成像镜组(4)和长波红外探测器组件(7)；
所述前固定镜组(1)、第一反射镜(5)、后固定镜组(2)、第二反射镜(6)、二次成像镜组(4)和长波红外探测器组件(7)沿着光路依次设置，所述变焦镜组(3)设置在第二反射镜(6)和二次成像镜组(4)之间的光路上，且能够切入和切出光路；
变焦镜组(3)切入光路，入射光线经过前固定镜组(1)后由第一反射镜(5)进行光线折转至后固定镜组(2)，光线由后固定镜组(2)汇聚至第二反射镜(6)，第二反射镜(6)将光线二次折转至变焦镜组(3)，并经过二次成像镜组(4)后到达长波红外探测器组件(7)，从而实现长波红外变焦镜头的小视场成像；
变焦镜组(3)切出光路，入射光线经过前固定镜组(1)后由第一反射镜(5)进行光线折转至后固定镜组(2)，光线由后固定镜组(2)汇聚至第二反射镜(6)，第二反射镜(6)将光线二次折转至二次成像镜组(4)后到达长波红外探测器组件(7)，从而实现长波红外变焦镜头的大视场成像；
所述前固定镜组(1)包括至少两片透镜，透镜材料分别选用硫系玻璃和ZnSe材料，且0.002＜前固定镜组光焦度＜0.003；
所述后固定镜组(2)的透镜材料采用硫系玻璃材料，且-0.01＜后固定镜组光焦度＜-0.009；
所述变焦镜组(3)包括至少两片透镜，透镜材料分别选用硫系玻璃材料与单晶锗材料，且0.015＜变焦镜组光焦度＜0.03；
所述二次成像镜组(4)的透镜材料采用硫系玻璃材料，且0.045＜二次成像镜组光焦度＜0.055；
上述各透镜参数满足以下条件：
Figure FDA0003554252280000021
Figure FDA0003554252280000022
Figure FDA0003554252280000023
式中，
Figure FDA0003554252280000024
为各透镜的光焦度；
Figure FDA0003554252280000025
为长波红外变焦镜头的光焦度；vi为各透镜的色散系数；
Figure FDA0003554252280000026
为透镜材料因折射率/温度系数dn/dt引起的焦距变化；aL为镜筒材料的热膨胀系数，L为镜筒长度；
所述第一反射镜(5)和第二反射镜(6)的材料为红外晶体材料及金属材料；
所述前固定镜组(1)包括第一前固定透镜(11)和第二前固定透镜(12)，所述第二前固定透镜(12)的物侧面为非球面；
所述后固定镜组(2)包括后固定透镜，其像侧面为非球面；
所述变焦镜组(3)包括第一变焦透镜(31)和第二变焦透镜(32)，所述第二变焦透镜(32)的像侧面为非球面；
所述二次成像镜组(4)包括第一成像透镜(41)、第二成像透镜(42)和第三成像透镜(43)，所述第一成像透镜(41)的物侧面、第二成像透镜(42)的物侧面、第三成像透镜(43)的像侧面均为非球面。
2.根据权利要求1所述的切换式变焦的消热差型长波红外变焦镜头，其特征在于：所述镜筒材料选用热膨胀系数为236×10-7的普通铝合金。
3.根据权利要求2所述的切换式变焦的消热差型长波红外变焦镜头，其特征在于：所述长波红外探测器组件(7)的像素阵列640×512，像元尺寸为15μm，F数为2.5。
4.根据权利要求3所述的切换式变焦的消热差型长波红外变焦镜头，其特征在于：所述长波红外变焦镜头的F数为2.5，最大口径小于130mm，视场角为3.36°×2.70°/1.68°×1.35°，变倍比为2×。
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