长波红外光学机械混合无热化镜头及其装配方法
【专利摘要】本发明公开了一种长波红外光学机械混合无热化镜头及其装配方法，该镜头主要由光学系统和伸缩机构组成；光学系统，包括第一透镜（901）和第二透镜（902）；伸缩机构，包括伸缩筒（710）、挡圈（707）、第一外镜筒（701）、第二外镜筒（708）和弹性部件（706）；其中：第一透镜（901）和第二透镜（902）安装在内镜筒（702）中；内镜筒（702）外部套设有伸缩筒（710），内镜筒（702）上固设有挡圈（707）；伸缩筒（710）的端面与挡圈（707）的端面相接触，挡圈（707）的另一端设有一个弹性部件（706）；伸缩筒（710）的前、后半部分别套设有第一外镜筒（701）和第二外镜筒（708）。采用本发明，能够降低镜头的复杂程度，并降低整个光学系统的成本。
【专利说明】长波红外光学机械混合无热化镜头及其装配方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种红外被动式无热化镜头，尤其涉及一种长波红外光学机械混合无热化镜头及其装配方法。
【背景技术】
[0002]随着非制冷探测器技术的不断发展和日益成熟，长波红外非制冷光学系统在军用和民用领域均得到了广泛的应用，同时，也对光学系统的成像质量提出了越来越高的要求。由于红外光学材料和机械材料存在一定的热效应，工作温度的剧烈变化会对光学系统产生严重的影响，例如引起焦距变化、像面漂移、成像质量下降等。为了消除或降低温度的变化对光学系统成像质量的影响，必须采用相应的补偿技术，使光学系统在一个较大的温差范围内保持焦距基本不变，从而确保成像质量良好。
[0003]目前,在红外光学系统的补偿技术中，大致可分为:机械无热化、光学无热化和光学机械混合无热化技术。所述机械无热化技术，本质上是通过某种机构移动一片或者多片透镜补偿像面的漂移，根据实现位移机构的不同又可分为电子主动式和机械被动式。所述光学无热化技术，是利用光学材料的热特性之间的差异，通过不同特性材料的合理组合来消除温度的影响。所述光学机械混合无热化技术，即通过机械和光学的组合方式来实现光学系统的无热化。
[0004]现有采用光学机械混合无热化技术的红外光学系统，在镜头设计过程中既要考虑光学材料的热特性，还得考虑通过机械补偿的方式实现整个光学系统达到无热化，因此，设计的镜头结构较为复杂，并且增加了整个光学系统的制造成本。
【发明内容】
[0005]有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种长波红外光学机械混合无热化镜头及其装配方法，以降低镜头的复杂程度，并且降低整个光学系统的成本。
[0006]为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的:
[0007]—种长波红外光学机械混合无热化镜头，该镜头包括光学系统和伸缩机构；所述光学系统，包括第一透镜901和第二透镜902 ;所述伸缩机构，包括伸缩筒710、挡圈707、第一外镜筒701、第二外镜筒708和弹性部件706 ;其中:所述第一透镜901和第二透镜902安装在内镜筒702中；所述内镜筒702外部套设有伸缩筒710，内镜筒702上固设有挡圈707 ；伸缩筒710的端面与所述挡圈707的端面相接触，所述挡圈707的另一端设有一个弹性部件706 ;所述伸缩筒710的前、后半部分别套设有第一外镜筒701和第二外镜筒708。
[0008]其中:红外入射光依次通过第一透镜901、第二透镜902后会聚到达成像面100。
[0009]安装在内镜筒702中第一透镜901和第二透镜902分别通过第一压圈703和第二压圈704固定；所述第一透镜901和第二透镜902为硫系玻璃。
[0010]所述第一透镜901的凸面SI为球面或非球面、凹面S2为非球面或球面；所述第二透镜902的凸面S3、凹面S4均为非球面或球面结构；其中的一个凹面非球面中带有衍射面。
[0011]所述弹性部件706为波形垫圈，所述弹性部件706始终处于受压负载状态。
[0012]所述镜头前端设置有密封圈，具体为:第一密封圈705设置于第二外镜筒708外部，第二密封圈709设置于第二外镜筒708与第一外镜筒701之间的连接处，第三密封圈711设置于第一压圈703、内镜筒702与第一透镜901的结合处，第四密封圈712设置于第一外镜筒701与内镜筒702之间。
[0013]所述的内镜筒702、挡圈707、第一外镜筒701、第二外镜筒708、第一压圈703、第二压圈704的材料为铝合金、镁合金或不锈钢；伸缩筒710的材料为聚甲醛、ABS或尼龙。
[0014]所述伸缩筒710的膨胀系数大于第一外镜筒701、第二外镜筒708的膨胀系数。
[0015]所述镜头的固定焦距在1mm到100mm，光圈F.NO在0.8到1.5之间。
[0016]一种长波红外光学机械混合无热化镜头的装配方法，包括如下步骤:
[0017]A、将伸缩筒710套入内镜筒702，再将挡圈707通过螺纹旋紧在内镜筒702上；
[0018]B、将弹性部件706套入内镜筒702，直至靠在挡圈707的端面上；
[0019]C、将安装有第一密封圈705和第二密封圈709的第二外镜筒708套在伸缩筒710上，再将安装有第四密封圈712的第一外镜筒701套入内镜筒702并通过螺纹和第二外镜筒708旋紧；
[0020]D、将第二透镜902安装在内镜筒702内并通过第二压圈704将其固定；
[0021]E、将第一透镜901和第三密封圈711安装在内镜筒702上并通过第一压圈703将其固定。
[0022]本发明提供的长波红外光学机械混合无热化镜头及其装配方法，具有以下优点:
[0023]该无热化镜头只需两片透镜，结合光学和机械的补偿方式实现宽温度范围内的无热化功能。较现有的无热化方案具有以下优势:与多种光学材料配比实现光学无热化方案相比，具有镜头镜片数量少，使用单种光学材料，镜头结构简单的优点。与采用机械无热化方案相比，本发明由于在光学系统的设计中利用了衍射光学元件具有反向色散、反向光热膨胀系数的特点，通过折、衍射零件光焦度的合理分配和匹配，大大降低了由温度差引起的离焦量，从而也大大减小了补偿结构的补偿量，所以补偿结构上比机械被动式无热化更加简单可靠，同时也没有电子主动式机械无热化的电子元器件。
[0024]本发明米用的镜片材料为一种硫系玻璃，在材料成本上硫系玻璃具有明显的优势，而且硫系玻璃在大批量生产时可进行精密模压，可以大大降低加工成本，具有广阔的市场前景。
[0025]本发明采用光学无热化和机械无热化相结合的方式，保证了整个光学系统在外界温度一定范围内变化时，光学系统整体焦距不变或者变化很小，从而保持良好的成像质量，同时改善了镜头的复杂程度，降低了整个光学系统成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1为本发明实施例的长波红外光学机械混合无热化镜头剖面结构示意图；
[0027]图2为图1所示无热化镜头的伸缩筒立体结构示意图；
[0028]图3为图1所示无热化镜头的第一透镜901非球面加衍射面示意图；
[0029]图4为本发明的无热化镜头在-40°C时的MTF曲线图；
[0030]图5为本发明的无热化镜头在20°C时的MTF曲线图；
[0031]图6为本发明的无热化镜头在80°C时的MTF曲线图。
[0032]【主要部件符号说明】
[0033]100:成像面
[0034]701:第一外镜筒
[0035]702:内镜筒
[0036]703:第一压圈
[0037]704:第二压圈
[0038]705:第一密封圈
[0039]706:弹性部件
[0040]707:挡圈
[0041]708:第二外镜筒
[0042]709:第二密封圈
[0043]710:伸缩筒
[0044]711:第三密封圈
[0045]712:第四密封圈
[0046]901:第一透镜
[0047]902:第二透镜
[0048]S1:第一透镜901的凸面
[0049]S2:第一透镜901的凹面
[0050]S3:第二透镜902的凸面
[0051]S4:第二透镜902的凹面
[0052]L1:伸缩筒710的长度
[0053]L2:第二外镜筒708与伸缩筒710的侧靠面到S4中心点的长度。
【具体实施方式】
[0054]下面结合附图及本发明的实施例对本发明的长波红外光学机械混合无热化镜头及其装配方法作进一步详细的说明。
[0055]图1为本发明实施例的长波红外光学机械混合无热化镜头剖面结构示意图。经实际设计和验证，本发明适用于焦距在1mm至100mm,光圈F.NO在0.8到1.5之间的红外定焦镜头。该无热化镜头，主要包括由两个镜片构成的光学系统和一个具有随温度变化带动所述光学系统补偿移动的伸缩机构(即无热化镜头的机械补偿机构)，通过该伸缩机构，能够保证当外界温度在一定范围内变化时，镜头的整体焦距基本不变，从而能够保证清晰的成像质量。所述镜头的光学系统，主要包括第一透镜901和第二透镜902。所述镜头的伸缩机构，主要包括伸缩筒710 (其立体结构请参考图2)、挡圈707、第一外镜筒701、第二外镜筒708和弹性部件706。
[0056]下面以固定焦距为60mm,光圈Fl.25的长波红外光机无热化镜头的设计为例,对本发明的无热化镜头及装配过程进行说明。该固定焦距为60mm，Fl.25的长波红外光机无热化镜头，可适配于640*480/25um、640*480/17um的探测器。
[0057]如图1所示，该长波红外光机无热化镜头的光学系统由两片硫系玻璃构成，其沿光轴从物侧到像侧依次设置有:具有正屈光力的第一透镜901，具有正屈光力的第二透镜902以及成像面100。红外入射光通过第一透镜901，进入第二透镜902，最后会聚到达成像面100。所述第一透镜901的凸面SI为球面，凹面S2为非球面，所述第二透镜902的凸面S3、凹面S4均为非球面结构。其中凹面S2非球面中带有衍射面，如图3所示。但在实际设计中，镜头的第一、第二透镜的球面和非球面的位置是可以改变的，例如，第一透镜901的凸面SI可以是非球面、凹面S2可以是球面；所述第二透镜902的凸面S3、凹面S4均可以是球面结构；其中的一个凹面非球面中带有衍射面即可。
[0058]第一透镜901和第二透镜902为硫系玻璃，在8 μ m~12 μ m具有良好的透过率，透明区域覆盖三个大气窗口。硫系玻璃折射率随温度变化系数dn/dT相对于其他的红外光学材料较小，在光学系统中采用两片硫系玻璃镜片，并在第一透镜901的凹面S2非球面中设置衍射面，可利用衍射光学元件具有反向色散、反向光热膨胀系数的特点，加上合理的光焦度分配显著减少由温度变化而引起的像面漂移量，再配合随温度伸缩的机械结构能够实现良好的无热化功能。在加工方式上带有衍射面的非球面硫系玻璃镜片可以像使用其它材料的非球面镜片一样进行高精度车削加工完成，更可利用其软化温度较低的特性进行高精度模压成型，相较于高精度车削加工的低效率和高成本，高精度模压成型在批量生产时具有极大地成本优势。
[0059]表一:光学元件参数表
[0060]
【权利要求】
1.一种长波红外光学机械混合无热化镜头，其特征在于，该镜头包括光学系统和伸缩机构；所述光学系统，包括第一透镜(901)和第二透镜(902);所述伸缩机构，包括伸缩筒(710)、挡圈(707)、第一外镜筒(701)、第二外镜筒(708)和弹性部件(706);其中:所述第一透镜(901)和第二透镜(902 )安装在内镜筒(702 )中；所述内镜筒(702 )外部套设有伸缩筒(710)，内镜筒(702)上固设有挡圈(707);伸缩筒(710)的端面与所述挡圈(707)的端面相接触，所述挡圈(707)的另一端设有一个弹性部件(706);所述伸缩筒(710)的前、后半部分别套设有第一外镜筒(701)和第二外镜筒(708)。
2.根据权利要求1所述长波红外光学机械混合无热化镜头，其特征在于，红外入射光依次通过第一透镜(901)、第二透镜(902 )后会聚到达成像面(100 )。
3.根据权利要求1所述长波红外光学机械混合无热化镜头，其特征在于，安装在内镜筒(702)中第一透镜(901)和第二透镜(902)分别通过第一压圈(703)和第二压圈(704)固定；所述第一透镜(901)和第二透镜(902)为硫系玻璃。
4.根据权利要求1所述长波红外光学机械混合无热化镜头，其特征在于，所述第一透镜(901)的凸面SI为球面或非球面、凹面S2为非球面或球面；所述第二透镜(902)的凸面S3、凹面S4均为非球面或球面结构；其中的一个凹面非球面中带有衍射面。
5.根据权利要求1所述长波红外光学机械混合无热化镜头，其特征在于，所述弹性部件(706)为波形垫圈，所述弹性部件(706)始终处于受压负载状态。
6.根据权利要求1所述长波红外光学机械混合无热化镜头，其特征在于，所述镜头前端设置有密封圈，具体为:第一密封圈(705)设置于第二外镜筒(708)外部，第二密封圈(709 )设置于第二外镜筒(708 )与第一外镜筒(701)之间的连接处，第三密封圈(711)设置于第一压圈(703)、内镜筒(702)与第一透镜(901)的结合处，第四密封圈(712)设置于第一外镜筒(701)与内镜筒(702)之间。
7.根据权利要求1所述长波红外光学机械混合无热化镜头，其特征在于，所述的内镜筒(702)、挡圈(707)、第一外镜筒(701)、第二外镜筒(708)、第一压圈(703)、第二压圈(704)的材料为铝合金、镁合金或不锈钢；伸缩筒(710)的材料为聚甲醛、ABS或尼龙。
8.根据权利要求1所述长波红外光学机械混合无热化镜头，其特征在于，所述伸缩筒(710)的膨胀系数大于第一外镜筒(701)、第二外镜筒(708)的膨胀系数。
9.根据权利要求1?8任一所述长波红外光学机械混合无热化镜头，其特征在于，所述镜头的固定焦距在1mm到100mm，光圈F.NO在0.8到1.5之间。
10.一种长波红外光学机械混合无热化镜头的装配方法，其特征在于，包括如下步骤: A、将伸缩筒(710)套入内镜筒(702)，再将挡圈(707)通过螺纹旋紧在内镜筒(702)上； B、将弹性部件(706)套入内镜筒(702)，直至靠在挡圈(707)的端面上； C、将安装有第一密封圈(705)和第二密封圈(709)的第二外镜筒(708)套在伸缩筒(710)上，再将安装有第四密封圈(712)的第一外镜筒(701)套入内镜筒(702)并通过螺纹和第二外镜筒(708)旋紧； D、将第二透镜(902)安装在内镜筒(702)内并通过第二压圈(704)将其固定； E、将第一透镜(901)和第三密封圈(711)安装在内镜筒(702)上并通过第一压圈(703)将其固定。
【文档编号】G02B7/02GK104199168SQ201410490072
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年9月23日 优先权日:2014年9月23日
【发明者】王昌龙, 沈洪, 朱光春, 姚钧 申请人:宁波舜宇红外技术有限公司