專利名稱：一種超強(qiáng)光大視場溫度自適應(yīng)紅外鏡頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉 及一種紅外鏡頭，尤其涉及一種用于工作環(huán)境溫度變化大的紅外鏡 頭。
背景技術(shù)：
紅外鏡頭是紅外成像光學(xué)儀器的重要部件，負(fù)責(zé)接收目標(biāo)輻射的紅外光線，并將 其會聚成像于紅外探測器件上。由于熱脹冷縮現(xiàn)象，紅外鏡頭的零部件尺寸會發(fā)生變化， 光學(xué)材料的折射率會隨溫度變化發(fā)生變化，光學(xué)材料折射率隨溫度的變化用光熱系數(shù)(dn/ dt)來描述。由于這些因素，溫度變化時(shí)，紅外鏡頭的焦距、后工作距發(fā)生變化，產(chǎn)生離焦現(xiàn) 象，降低成像清晰度，嚴(yán)重時(shí)，系統(tǒng)無法成像。特別是在紅外光學(xué)系統(tǒng)中，常用的光學(xué)材料的 光熱系數(shù)較大；而紅外光學(xué)儀器的使用溫度范圍寬，成像質(zhì)量要求高；紅外鏡頭焦深小，對 調(diào)焦準(zhǔn)確度要求高。就需要采取技術(shù)措施，減弱或消除使用環(huán)境溫度變化對紅外鏡頭成像 的影響，這就是溫度自適應(yīng)技術(shù)?，F(xiàn)有的溫度自適應(yīng)技術(shù)分為主動式和被動式。主動式溫度自適應(yīng)技術(shù)利用溫度傳 感器測量環(huán)境溫度，經(jīng)微處理器計(jì)算、分析后，形成驅(qū)動信號，通過電機(jī)驅(qū)動鏡頭產(chǎn)生調(diào)焦 運(yùn)動，達(dá)到溫度補(bǔ)償目的。這種方式，需要精密補(bǔ)償裝置，機(jī)構(gòu)復(fù)雜，可靠性差。被動式溫度 自適應(yīng)技術(shù)則在鏡頭內(nèi)部實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，但設(shè)計(jì)難度高，它又有兩種 實(shí)現(xiàn)方式1)機(jī)械被動式溫度自適應(yīng)技術(shù)。采用溫度敏感性材料制造確定的結(jié)構(gòu)件，當(dāng)鏡 頭使用環(huán)境溫度變化時(shí)，該構(gòu)件由于熱脹冷縮現(xiàn)象產(chǎn)生與鏡頭溫度離焦量方向相反、數(shù)量 相等的長度變化，實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。2)光學(xué)被動式溫度自適應(yīng)技術(shù)。利用不同光熱特性的光 學(xué)材料，相互組合，使其溫度變化互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。目前，用于致冷型探測器的溫度自適應(yīng)紅外鏡頭其F數(shù)一般不小于2.0，體積大， 光學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。非致冷探測器的光電效率較低，需要小F數(shù)的鏡頭，以鏡頭的強(qiáng)光特性提 供高的像面照度，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)探測。實(shí)用的紅外系統(tǒng)必須對熱差進(jìn)行補(bǔ)償，但當(dāng)鏡頭的F數(shù) 較小、視場角較大時(shí)，設(shè)計(jì)很難實(shí)現(xiàn)，目前多采用像面調(diào)焦的方式對鏡頭的熱差進(jìn)行對焦補(bǔ) 償，屬于機(jī)械補(bǔ)償技術(shù)。目前的報(bào)道中只有利用光學(xué)消熱差技術(shù)設(shè)計(jì)大F數(shù)，小視場的溫度 自適應(yīng)鏡頭。光學(xué)被動消熱差技術(shù)在小F數(shù)，大視場的溫度自適應(yīng)鏡頭上的設(shè)計(jì)難度大。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種溫度自適應(yīng)紅外光學(xué)鏡頭，可在_40°C 72°C溫度 范圍內(nèi)清晰成像，實(shí)現(xiàn)溫度自適應(yīng)調(diào)節(jié)，以解決紅外成像光學(xué)儀器由于使用環(huán)境溫度變化 而產(chǎn)生的離焦、成像質(zhì)量下降的現(xiàn)象。本實(shí)用新型所述的超強(qiáng)光大視場溫度自適應(yīng)紅外鏡頭，由第一透鏡、第二透鏡和 第三透鏡三片透鏡組成，透鏡光焦度依次為正、負(fù)、正結(jié)構(gòu)。第一透鏡采用低光熱系數(shù)硫系 玻璃材料，也可據(jù)鏡頭技術(shù)指標(biāo)及設(shè)計(jì)需要選用硒化鋅、硫化鋅材料；第二透鏡和第三透鏡 采用光學(xué)鍺單晶材料。其工作原理是第二透鏡產(chǎn)生正熱差，與第一透鏡、第三透鏡產(chǎn)生的負(fù)熱差及鏡頭結(jié)構(gòu)件的熱脹冷縮相補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)鏡頭的溫度自適應(yīng)?！罢⒇?fù)、正”對稱式光學(xué)結(jié) 構(gòu)有利于光學(xué)鏡頭的像差校正，并利用非球面、二元光學(xué)(DOE)技術(shù)校正高級像差，從而實(shí) 現(xiàn)紅外鏡頭的超強(qiáng)光、大視場功能。本實(shí)現(xiàn)新型經(jīng)使用證明鏡頭結(jié)構(gòu)簡單，在-40°C 72°C的溫度范圍，鏡頭溫度補(bǔ) 償準(zhǔn)確、可靠，成像清晰，技術(shù)參數(shù)穩(wěn)定；鏡頭具有超強(qiáng)光、大視場特性，能提高熱成像儀的 可分辨溫差、作用距離、觀察范圍等技術(shù)性能。
圖1是本實(shí)用新型的光學(xué)原理圖；圖2是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)圖；圖3是實(shí)施例在20°C時(shí)的光學(xué)傳遞函數(shù)曲線圖；圖4是實(shí)施例在-40°C時(shí)的光學(xué)傳遞函數(shù)曲線圖；圖5是實(shí)施例在72°C時(shí)的光學(xué)傳遞函數(shù)曲線圖；圖6是一不具有熱補(bǔ)償功能的鏡頭光學(xué)原理圖；圖7是圖6鏡頭在20°C、-20°C、60°C時(shí)的光學(xué)傳遞函數(shù)曲線圖；圖中，1為第一透鏡，2為第二透鏡，3為第三透鏡，4為紅外探測器保護(hù)窗口，5為紅 外探測器焦平面，6為熱像儀殼體，7為定焦環(huán)，8為第二隔圈，9為第一隔圈，10為壓緊圈，11 為鏡體。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖，通過實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。如圖1、圖2所示，第一透鏡1、第二透鏡2和第三透鏡3共三片透鏡構(gòu)成超強(qiáng)光、 大視場溫度自適應(yīng)紅外鏡頭光學(xué)系統(tǒng)接收并匯聚目標(biāo)的紅外輻射，匯聚后的紅外輻射透過 探測器保護(hù)窗口 4在紅外探測器焦平面5上成像。第一隔圈9及第二隔圈8將透鏡分隔開 指定間隔，壓緊圈10將透鏡組壓緊于鏡體11中，定焦環(huán)7用螺紋機(jī)構(gòu)固邊于熱像儀殼體6 上，鏡體11與定焦環(huán)7用多頭螺紋邊接，旋轉(zhuǎn)鏡體11，即可實(shí)現(xiàn)調(diào)焦。消熱差設(shè)計(jì)保證調(diào) 焦完成后，產(chǎn)品在使用過程中，環(huán)境溫度在-40°C 72°C范圍內(nèi)變化時(shí)，鏡頭不產(chǎn)生焦面漂 移，成像質(zhì)量穩(wěn)定。鏡頭中的機(jī)械構(gòu)件采用工藝性能良好的LY12鋁合金。各光學(xué)鏡片及鏡 頭結(jié)構(gòu)件在溫度自適應(yīng)過程中，不相互運(yùn)動，僅由于熱脹冷縮產(chǎn)生形變。第一透鏡1是正光焦度透鏡，采用Ge2tlSb15Se65作為材料，其兩光學(xué)工作面都是球 面，具有負(fù)熱差。第二透鏡2是負(fù)光焦度透鏡，采用光學(xué)鍺單晶作為材料，其前光學(xué)工作面 是二元光學(xué)(DOE)，后光學(xué)工作面是非球面，具有正熱差。第三透鏡3是正光焦度透鏡，采用 光學(xué)鍺單晶作為材料，其兩光學(xué)工作面都是球面，具有負(fù)熱差。各透鏡的熱差值與鏡頭結(jié)構(gòu) 件熱脹冷縮相補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)鏡頭溫度自適應(yīng)。本實(shí)用新型采用“正、負(fù)、正”的對稱式光學(xué)結(jié)構(gòu)，這是可校正全部初級像差的最 簡單結(jié)構(gòu)；第二透鏡2的后工作面加工非球面，可以校正光學(xué)系統(tǒng)的高級像差。以三片鏡 片實(shí)現(xiàn)大相對孔徑、廣角系統(tǒng)像差校正，實(shí)現(xiàn)超強(qiáng)光、大視場鏡頭設(shè)計(jì)。第一透鏡1采用的 Ge2tlSb15Se65材料，具有低光熱系數(shù)特性和低折射率(n1(l.6uffl = 2. 5817)，與采用高折射率鍺材 料(n1Q.6im = 4. 0038)的第二透鏡2形成“低(正透鏡)、高(負(fù)透鏡)折射率”的自校正初級像差光學(xué)結(jié)構(gòu)布局，使光學(xué)系統(tǒng)像差容易校正。由于第一透鏡1采用的Ge2tlSb15Se65材料 在7 14um光譜段具有大色散特性，在光學(xué)系統(tǒng)中的第二透鏡2的前工作面加工DOE結(jié)構(gòu)， 得用DOE的大色散特性，產(chǎn)生反向色差，與第一透鏡產(chǎn)生的色差相補(bǔ)償，同時(shí)也補(bǔ)償?shù)谌?鏡產(chǎn)生的微量色差，使光學(xué)系統(tǒng)的色差得到校正。光學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)
面序號面型 面半徑 面間隔材料直徑
1球面18.53.7 Ge20Sb15Se6517.5
2球面55.340.315
3二元光學(xué) 9.1182鍺15
4非球面 6.3587.4212
5球面199.994鍺21
6球面-39.126.321
7平面1鍺
8平面0.84
9平面技術(shù)指標(biāo)焦距14. 8F/# 0.8視場角45°工作波長7 14um圖3、圖4、圖5給出實(shí)施例在工作環(huán)境溫度分別為20°C、-40°C、72°C時(shí)鏡頭傳遞 函數(shù)曲線圖。圖6是一個(gè)不具有熱補(bǔ)償功能的鏡頭，光學(xué)材料全部采用鍺，與本實(shí)施例的技術(shù) 指標(biāo)相同。圖7顯示了鏡頭在20°C、-2(TC、6(rC時(shí)，鏡頭中心點(diǎn)的傳遞函數(shù)曲線圖，可以看 出，未曾經(jīng)消熱差設(shè)計(jì)的鏡頭在使用環(huán)境溫度變化時(shí)，其成像質(zhì)量惡化情況。對比來看，當(dāng)環(huán)境溫度在-40°C 72°C變化時(shí)，在201p/mm空間頻率處，其傳遞函 數(shù)可保持40%以上，成像質(zhì)量穩(wěn)定，具有良好的熱補(bǔ)償效果。本實(shí)用新型的特點(diǎn)是1)鏡頭溫度自適應(yīng)范圍-40°C 72°C，溫度補(bǔ)償可靠；2) 以光學(xué)方式實(shí)現(xiàn)溫度自適應(yīng)，溫度適應(yīng)過程實(shí)時(shí)；3)光學(xué)溫度自適應(yīng)方式，同時(shí)補(bǔ)償溫度 適應(yīng)過程中鏡片的形變，實(shí)現(xiàn)鏡頭像差補(bǔ)償，成像質(zhì)量穩(wěn)定；4)鏡頭視場大，全視場45° ； 5)鏡頭F數(shù)0. 8，相對孔徑大，具有超強(qiáng)光特性，像面照度高，提高了熱成像儀作用距離及 可分辨溫差。本實(shí)用新型利用不同材料的光熱特性差異，非球面技術(shù)和二元光學(xué)技術(shù)，以簡 單、穩(wěn)定、可靠的光學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)廣角、大相對孔徑紅外鏡頭的溫度自應(yīng)，可廣泛應(yīng)用于長波 紅外非致冷焦平面熱成像系統(tǒng)。
權(quán)利要求一種超強(qiáng)光大視場溫度自適應(yīng)紅外鏡頭，其特征在于由第一透鏡(1)、第二透鏡(2)和第三透鏡(3)三片透鏡組成，透鏡的光焦度依次為正、負(fù)、正結(jié)構(gòu)，第一透鏡(1)采用低光熱系數(shù)硫系玻璃材料，其兩光學(xué)工作面都是球面，具有負(fù)熱差，第二透鏡(2)采用光學(xué)鍺單晶材料，其前光學(xué)工作面是二元光學(xué)面，后光學(xué)工作面是非球面，具有正熱差，第三透鏡(3)采用光學(xué)鍺單晶材料，其兩光學(xué)工作面都是球面，具有負(fù)熱差。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超強(qiáng)光大視場溫度自適應(yīng)紅外鏡頭，其特征在于第一透鏡 (1)還可采用硒化鋅或者硫化鋅材料。
專利摘要一種超強(qiáng)光大視場溫度自適應(yīng)紅外鏡頭，由第一透鏡、第二透鏡和第三透鏡三片透鏡組成，透鏡光焦度依次為正、負(fù)、正結(jié)構(gòu)。第一透鏡采用低光熱系數(shù)硫系玻璃材料，也可根據(jù)需要選用硒化鋅、硫化鋅材料；第二透鏡和第三透鏡采用光學(xué)鍺單晶材料，第二透鏡產(chǎn)生正熱差，與第一透鏡、第三透鏡產(chǎn)生的負(fù)熱差及鏡頭結(jié)構(gòu)件的熱脹冷縮相補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)鏡頭的溫度自適應(yīng)，“正、負(fù)、正”對稱式光學(xué)結(jié)構(gòu)有利于光學(xué)鏡頭的像差校正，并利用非球面、二元光學(xué)技術(shù)校正高級像差。本實(shí)現(xiàn)新型結(jié)構(gòu)簡單，在-40℃～72℃的溫度范圍，鏡頭溫度補(bǔ)償準(zhǔn)確、可靠，成像清晰，技術(shù)參數(shù)穩(wěn)定并具有超強(qiáng)光、大視場特性，能提高熱成像儀的可分辨溫差、作用距離、觀察范圍等技術(shù)性能。
文檔編號G02B13/14GK201765372SQ20102025801
公開日2011年3月16日 申請日期2010年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月14日
發(fā)明者丁黎梅, 劉玉英, 張瑩昭, 李洪兵, 李茂忠, 白玉琢, 陳勇林, 陳驥 申請人:昆明物理研究所