長(zhǎng)波紅外光學(xué)機(jī)械混合無(wú)熱化鏡頭及其裝配方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種長(zhǎng)波紅外光學(xué)機(jī)械混合無(wú)熱化鏡頭及其裝配方法，該鏡頭主要由光學(xué)系統(tǒng)和伸縮機(jī)構(gòu)組成；光學(xué)系統(tǒng)，包括第一透鏡（901）和第二透鏡（902）；伸縮機(jī)構(gòu)，包括伸縮筒（710）、擋圈（707）、第一外鏡筒（701）、第二外鏡筒（708）和彈性部件（706）；其中：第一透鏡（901）和第二透鏡（902）安裝在內(nèi)鏡筒（702）中；內(nèi)鏡筒（702）外部套設(shè)有伸縮筒（710），內(nèi)鏡筒（702）上固設(shè)有擋圈（707）；伸縮筒（710）的端面與擋圈（707）的端面相接觸，擋圈（707）的另一端設(shè)有一個(gè)彈性部件（706）；伸縮筒（710）的前、后半部分別套設(shè)有第一外鏡筒（701）和第二外鏡筒（708）。采用本發(fā)明，能夠降低鏡頭的復(fù)雜程度，并降低整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的成本。
【專利說(shuō)明】長(zhǎng)波紅外光學(xué)機(jī)械混合無(wú)熱化鏡頭及其裝配方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種紅外被動(dòng)式無(wú)熱化鏡頭，尤其涉及一種長(zhǎng)波紅外光學(xué)機(jī)械混合無(wú)熱化鏡頭及其裝配方法。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著非制冷探測(cè)器技術(shù)的不斷發(fā)展和日益成熟，長(zhǎng)波紅外非制冷光學(xué)系統(tǒng)在軍用和民用領(lǐng)域均得到了廣泛的應(yīng)用，同時(shí)，也對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量提出了越來(lái)越高的要求。由于紅外光學(xué)材料和機(jī)械材料存在一定的熱效應(yīng)，工作溫度的劇烈變化會(huì)對(duì)光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，例如引起焦距變化、像面漂移、成像質(zhì)量下降等。為了消除或降低溫度的變化對(duì)光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的影響，必須采用相應(yīng)的補(bǔ)償技術(shù)，使光學(xué)系統(tǒng)在一個(gè)較大的溫差范圍內(nèi)保持焦距基本不變，從而確保成像質(zhì)量良好。
[0003]目前,在紅外光學(xué)系統(tǒng)的補(bǔ)償技術(shù)中，大致可分為:機(jī)械無(wú)熱化、光學(xué)無(wú)熱化和光學(xué)機(jī)械混合無(wú)熱化技術(shù)。所述機(jī)械無(wú)熱化技術(shù)，本質(zhì)上是通過(guò)某種機(jī)構(gòu)移動(dòng)一片或者多片透鏡補(bǔ)償像面的漂移，根據(jù)實(shí)現(xiàn)位移機(jī)構(gòu)的不同又可分為電子主動(dòng)式和機(jī)械被動(dòng)式。所述光學(xué)無(wú)熱化技術(shù)，是利用光學(xué)材料的熱特性之間的差異，通過(guò)不同特性材料的合理組合來(lái)消除溫度的影響。所述光學(xué)機(jī)械混合無(wú)熱化技術(shù)，即通過(guò)機(jī)械和光學(xué)的組合方式來(lái)實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)的無(wú)熱化。
[0004]現(xiàn)有采用光學(xué)機(jī)械混合無(wú)熱化技術(shù)的紅外光學(xué)系統(tǒng)，在鏡頭設(shè)計(jì)過(guò)程中既要考慮光學(xué)材料的熱特性，還得考慮通過(guò)機(jī)械補(bǔ)償?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)達(dá)到無(wú)熱化，因此，設(shè)計(jì)的鏡頭結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，并且增加了整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的制造成本。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種長(zhǎng)波紅外光學(xué)機(jī)械混合無(wú)熱化鏡頭及其裝配方法，以降低鏡頭的復(fù)雜程度，并且降低整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的成本。
[0006]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0007]—種長(zhǎng)波紅外光學(xué)機(jī)械混合無(wú)熱化鏡頭，該鏡頭包括光學(xué)系統(tǒng)和伸縮機(jī)構(gòu)；所述光學(xué)系統(tǒng)，包括第一透鏡901和第二透鏡902 ;所述伸縮機(jī)構(gòu)，包括伸縮筒710、擋圈707、第一外鏡筒701、第二外鏡筒708和彈性部件706 ;其中:所述第一透鏡901和第二透鏡902安裝在內(nèi)鏡筒702中；所述內(nèi)鏡筒702外部套設(shè)有伸縮筒710，內(nèi)鏡筒702上固設(shè)有擋圈707 ；伸縮筒710的端面與所述擋圈707的端面相接觸，所述擋圈707的另一端設(shè)有一個(gè)彈性部件706 ;所述伸縮筒710的前、后半部分別套設(shè)有第一外鏡筒701和第二外鏡筒708。
[0008]其中:紅外入射光依次通過(guò)第一透鏡901、第二透鏡902后會(huì)聚到達(dá)成像面100。
[0009]安裝在內(nèi)鏡筒702中第一透鏡901和第二透鏡902分別通過(guò)第一壓圈703和第二壓圈704固定；所述第一透鏡901和第二透鏡902為硫系玻璃。
[0010]所述第一透鏡901的凸面SI為球面或非球面、凹面S2為非球面或球面；所述第二透鏡902的凸面S3、凹面S4均為非球面或球面結(jié)構(gòu)；其中的一個(gè)凹面非球面中帶有衍射面。
[0011]所述彈性部件706為波形墊圈，所述彈性部件706始終處于受壓負(fù)載狀態(tài)。
[0012]所述鏡頭前端設(shè)置有密封圈，具體為:第一密封圈705設(shè)置于第二外鏡筒708外部，第二密封圈709設(shè)置于第二外鏡筒708與第一外鏡筒701之間的連接處，第三密封圈711設(shè)置于第一壓圈703、內(nèi)鏡筒702與第一透鏡901的結(jié)合處，第四密封圈712設(shè)置于第一外鏡筒701與內(nèi)鏡筒702之間。
[0013]所述的內(nèi)鏡筒702、擋圈707、第一外鏡筒701、第二外鏡筒708、第一壓圈703、第二壓圈704的材料為鋁合金、鎂合金或不銹鋼；伸縮筒710的材料為聚甲醛、ABS或尼龍。
[0014]所述伸縮筒710的膨脹系數(shù)大于第一外鏡筒701、第二外鏡筒708的膨脹系數(shù)。
[0015]所述鏡頭的固定焦距在1mm到100mm，光圈F.NO在0.8到1.5之間。
[0016]一種長(zhǎng)波紅外光學(xué)機(jī)械混合無(wú)熱化鏡頭的裝配方法，包括如下步驟:
[0017]A、將伸縮筒710套入內(nèi)鏡筒702，再將擋圈707通過(guò)螺紋旋緊在內(nèi)鏡筒702上；
[0018]B、將彈性部件706套入內(nèi)鏡筒702，直至靠在擋圈707的端面上；
[0019]C、將安裝有第一密封圈705和第二密封圈709的第二外鏡筒708套在伸縮筒710上，再將安裝有第四密封圈712的第一外鏡筒701套入內(nèi)鏡筒702并通過(guò)螺紋和第二外鏡筒708旋緊；
[0020]D、將第二透鏡902安裝在內(nèi)鏡筒702內(nèi)并通過(guò)第二壓圈704將其固定；
[0021]E、將第一透鏡901和第三密封圈711安裝在內(nèi)鏡筒702上并通過(guò)第一壓圈703將其固定。
[0022]本發(fā)明提供的長(zhǎng)波紅外光學(xué)機(jī)械混合無(wú)熱化鏡頭及其裝配方法，具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0023]該無(wú)熱化鏡頭只需兩片透鏡，結(jié)合光學(xué)和機(jī)械的補(bǔ)償方式實(shí)現(xiàn)寬溫度范圍內(nèi)的無(wú)熱化功能。較現(xiàn)有的無(wú)熱化方案具有以下優(yōu)勢(shì):與多種光學(xué)材料配比實(shí)現(xiàn)光學(xué)無(wú)熱化方案相比，具有鏡頭鏡片數(shù)量少，使用單種光學(xué)材料，鏡頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。與采用機(jī)械無(wú)熱化方案相比，本發(fā)明由于在光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中利用了衍射光學(xué)元件具有反向色散、反向光熱膨脹系數(shù)的特點(diǎn)，通過(guò)折、衍射零件光焦度的合理分配和匹配，大大降低了由溫度差引起的離焦量，從而也大大減小了補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的補(bǔ)償量，所以補(bǔ)償結(jié)構(gòu)上比機(jī)械被動(dòng)式無(wú)熱化更加簡(jiǎn)單可靠，同時(shí)也沒(méi)有電子主動(dòng)式機(jī)械無(wú)熱化的電子元器件。
[0024]本發(fā)明米用的鏡片材料為一種硫系玻璃，在材料成本上硫系玻璃具有明顯的優(yōu)勢(shì)，而且硫系玻璃在大批量生產(chǎn)時(shí)可進(jìn)行精密模壓，可以大大降低加工成本，具有廣闊的市場(chǎng)前景。
[0025]本發(fā)明采用光學(xué)無(wú)熱化和機(jī)械無(wú)熱化相結(jié)合的方式，保證了整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)在外界溫度一定范圍內(nèi)變化時(shí)，光學(xué)系統(tǒng)整體焦距不變或者變化很小，從而保持良好的成像質(zhì)量，同時(shí)改善了鏡頭的復(fù)雜程度，降低了整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)成本。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0026]圖1為本發(fā)明實(shí)施例的長(zhǎng)波紅外光學(xué)機(jī)械混合無(wú)熱化鏡頭剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖2為圖1所示無(wú)熱化鏡頭的伸縮筒立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖3為圖1所示無(wú)熱化鏡頭的第一透鏡901非球面加衍射面示意圖；
[0029]圖4為本發(fā)明的無(wú)熱化鏡頭在-40°C時(shí)的MTF曲線圖；
[0030]圖5為本發(fā)明的無(wú)熱化鏡頭在20°C時(shí)的MTF曲線圖；
[0031]圖6為本發(fā)明的無(wú)熱化鏡頭在80°C時(shí)的MTF曲線圖。
[0032]【主要部件符號(hào)說(shuō)明】
[0033]100:成像面
[0034]701:第一外鏡筒
[0035]702:內(nèi)鏡筒
[0036]703:第一壓圈
[0037]704:第二壓圈
[0038]705:第一密封圈
[0039]706:彈性部件
[0040]707:擋圈
[0041]708:第二外鏡筒
[0042]709:第二密封圈
[0043]710:伸縮筒
[0044]711:第三密封圈
[0045]712:第四密封圈
[0046]901:第一透鏡
[0047]902:第二透鏡
[0048]S1:第一透鏡901的凸面
[0049]S2:第一透鏡901的凹面
[0050]S3:第二透鏡902的凸面
[0051]S4:第二透鏡902的凹面
[0052]L1:伸縮筒710的長(zhǎng)度
[0053]L2:第二外鏡筒708與伸縮筒710的側(cè)靠面到S4中心點(diǎn)的長(zhǎng)度。

【具體實(shí)施方式】
[0054]下面結(jié)合附圖及本發(fā)明的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的長(zhǎng)波紅外光學(xué)機(jī)械混合無(wú)熱化鏡頭及其裝配方法作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
[0055]圖1為本發(fā)明實(shí)施例的長(zhǎng)波紅外光學(xué)機(jī)械混合無(wú)熱化鏡頭剖面結(jié)構(gòu)示意圖。經(jīng)實(shí)際設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，本發(fā)明適用于焦距在1mm至100mm,光圈F.NO在0.8到1.5之間的紅外定焦鏡頭。該無(wú)熱化鏡頭，主要包括由兩個(gè)鏡片構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)和一個(gè)具有隨溫度變化帶動(dòng)所述光學(xué)系統(tǒng)補(bǔ)償移動(dòng)的伸縮機(jī)構(gòu)(即無(wú)熱化鏡頭的機(jī)械補(bǔ)償機(jī)構(gòu))，通過(guò)該伸縮機(jī)構(gòu)，能夠保證當(dāng)外界溫度在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，鏡頭的整體焦距基本不變，從而能夠保證清晰的成像質(zhì)量。所述鏡頭的光學(xué)系統(tǒng)，主要包括第一透鏡901和第二透鏡902。所述鏡頭的伸縮機(jī)構(gòu)，主要包括伸縮筒710 (其立體結(jié)構(gòu)請(qǐng)參考圖2)、擋圈707、第一外鏡筒701、第二外鏡筒708和彈性部件706。
[0056]下面以固定焦距為60mm,光圈Fl.25的長(zhǎng)波紅外光機(jī)無(wú)熱化鏡頭的設(shè)計(jì)為例,對(duì)本發(fā)明的無(wú)熱化鏡頭及裝配過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明。該固定焦距為60mm，F(xiàn)l.25的長(zhǎng)波紅外光機(jī)無(wú)熱化鏡頭，可適配于640*480/25um、640*480/17um的探測(cè)器。
[0057]如圖1所示，該長(zhǎng)波紅外光機(jī)無(wú)熱化鏡頭的光學(xué)系統(tǒng)由兩片硫系玻璃構(gòu)成，其沿光軸從物側(cè)到像側(cè)依次設(shè)置有:具有正屈光力的第一透鏡901，具有正屈光力的第二透鏡902以及成像面100。紅外入射光通過(guò)第一透鏡901，進(jìn)入第二透鏡902，最后會(huì)聚到達(dá)成像面100。所述第一透鏡901的凸面SI為球面，凹面S2為非球面，所述第二透鏡902的凸面S3、凹面S4均為非球面結(jié)構(gòu)。其中凹面S2非球面中帶有衍射面，如圖3所示。但在實(shí)際設(shè)計(jì)中，鏡頭的第一、第二透鏡的球面和非球面的位置是可以改變的，例如，第一透鏡901的凸面SI可以是非球面、凹面S2可以是球面；所述第二透鏡902的凸面S3、凹面S4均可以是球面結(jié)構(gòu)；其中的一個(gè)凹面非球面中帶有衍射面即可。
[0058]第一透鏡901和第二透鏡902為硫系玻璃，在8 μ m~12 μ m具有良好的透過(guò)率，透明區(qū)域覆蓋三個(gè)大氣窗口。硫系玻璃折射率隨溫度變化系數(shù)dn/dT相對(duì)于其他的紅外光學(xué)材料較小，在光學(xué)系統(tǒng)中采用兩片硫系玻璃鏡片，并在第一透鏡901的凹面S2非球面中設(shè)置衍射面，可利用衍射光學(xué)元件具有反向色散、反向光熱膨脹系數(shù)的特點(diǎn)，加上合理的光焦度分配顯著減少由溫度變化而引起的像面漂移量，再配合隨溫度伸縮的機(jī)械結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)良好的無(wú)熱化功能。在加工方式上帶有衍射面的非球面硫系玻璃鏡片可以像使用其它材料的非球面鏡片一樣進(jìn)行高精度車削加工完成，更可利用其軟化溫度較低的特性進(jìn)行高精度模壓成型，相較于高精度車削加工的低效率和高成本，高精度模壓成型在批量生產(chǎn)時(shí)具有極大地成本優(yōu)勢(shì)。
[0059]表一:光學(xué)元件參數(shù)表
[0060]

【權(quán)利要求】
1.一種長(zhǎng)波紅外光學(xué)機(jī)械混合無(wú)熱化鏡頭，其特征在于，該鏡頭包括光學(xué)系統(tǒng)和伸縮機(jī)構(gòu)；所述光學(xué)系統(tǒng)，包括第一透鏡(901)和第二透鏡(902);所述伸縮機(jī)構(gòu)，包括伸縮筒(710)、擋圈(707)、第一外鏡筒(701)、第二外鏡筒(708)和彈性部件(706);其中:所述第一透鏡(901)和第二透鏡(902 )安裝在內(nèi)鏡筒(702 )中；所述內(nèi)鏡筒(702 )外部套設(shè)有伸縮筒(710)，內(nèi)鏡筒(702)上固設(shè)有擋圈(707);伸縮筒(710)的端面與所述擋圈(707)的端面相接觸，所述擋圈(707)的另一端設(shè)有一個(gè)彈性部件(706);所述伸縮筒(710)的前、后半部分別套設(shè)有第一外鏡筒(701)和第二外鏡筒(708)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述長(zhǎng)波紅外光學(xué)機(jī)械混合無(wú)熱化鏡頭，其特征在于，紅外入射光依次通過(guò)第一透鏡(901)、第二透鏡(902 )后會(huì)聚到達(dá)成像面(100 )。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述長(zhǎng)波紅外光學(xué)機(jī)械混合無(wú)熱化鏡頭，其特征在于，安裝在內(nèi)鏡筒(702)中第一透鏡(901)和第二透鏡(902)分別通過(guò)第一壓圈(703)和第二壓圈(704)固定；所述第一透鏡(901)和第二透鏡(902)為硫系玻璃。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述長(zhǎng)波紅外光學(xué)機(jī)械混合無(wú)熱化鏡頭，其特征在于，所述第一透鏡(901)的凸面SI為球面或非球面、凹面S2為非球面或球面；所述第二透鏡(902)的凸面S3、凹面S4均為非球面或球面結(jié)構(gòu)；其中的一個(gè)凹面非球面中帶有衍射面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述長(zhǎng)波紅外光學(xué)機(jī)械混合無(wú)熱化鏡頭，其特征在于，所述彈性部件(706)為波形墊圈，所述彈性部件(706)始終處于受壓負(fù)載狀態(tài)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述長(zhǎng)波紅外光學(xué)機(jī)械混合無(wú)熱化鏡頭，其特征在于，所述鏡頭前端設(shè)置有密封圈，具體為:第一密封圈(705)設(shè)置于第二外鏡筒(708)外部，第二密封圈(709 )設(shè)置于第二外鏡筒(708 )與第一外鏡筒(701)之間的連接處，第三密封圈(711)設(shè)置于第一壓圈(703)、內(nèi)鏡筒(702)與第一透鏡(901)的結(jié)合處，第四密封圈(712)設(shè)置于第一外鏡筒(701)與內(nèi)鏡筒(702)之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述長(zhǎng)波紅外光學(xué)機(jī)械混合無(wú)熱化鏡頭，其特征在于，所述的內(nèi)鏡筒(702)、擋圈(707)、第一外鏡筒(701)、第二外鏡筒(708)、第一壓圈(703)、第二壓圈(704)的材料為鋁合金、鎂合金或不銹鋼；伸縮筒(710)的材料為聚甲醛、ABS或尼龍。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述長(zhǎng)波紅外光學(xué)機(jī)械混合無(wú)熱化鏡頭，其特征在于，所述伸縮筒(710)的膨脹系數(shù)大于第一外鏡筒(701)、第二外鏡筒(708)的膨脹系數(shù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1?8任一所述長(zhǎng)波紅外光學(xué)機(jī)械混合無(wú)熱化鏡頭，其特征在于，所述鏡頭的固定焦距在1mm到100mm，光圈F.NO在0.8到1.5之間。
10.一種長(zhǎng)波紅外光學(xué)機(jī)械混合無(wú)熱化鏡頭的裝配方法，其特征在于，包括如下步驟: A、將伸縮筒(710)套入內(nèi)鏡筒(702)，再將擋圈(707)通過(guò)螺紋旋緊在內(nèi)鏡筒(702)上； B、將彈性部件(706)套入內(nèi)鏡筒(702)，直至靠在擋圈(707)的端面上； C、將安裝有第一密封圈(705)和第二密封圈(709)的第二外鏡筒(708)套在伸縮筒(710)上，再將安裝有第四密封圈(712)的第一外鏡筒(701)套入內(nèi)鏡筒(702)并通過(guò)螺紋和第二外鏡筒(708)旋緊； D、將第二透鏡(902)安裝在內(nèi)鏡筒(702)內(nèi)并通過(guò)第二壓圈(704)將其固定； E、將第一透鏡(901)和第三密封圈(711)安裝在內(nèi)鏡筒(702)上并通過(guò)第一壓圈(703)將其固定。
【文檔編號(hào)】G02B7/02GK104199168SQ201410490072
【公開(kāi)日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2014年9月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月23日
【發(fā)明者】王昌龍, 沈洪, 朱光春, 姚鈞 申請(qǐng)人:寧波舜宇紅外技術(shù)有限公司