CN104297900A - 抗高强度冲击的非制冷长波红外镜头 - Google Patents

抗高强度冲击的非制冷长波红外镜头 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种抗高强度冲击的非制冷长波红外镜头，其光学***沿光线入射方向依次设有正透镜A、负透镜B和正透镜C，所述正透镜A、负透镜B和正透镜C均为锗镜片，所述正透镜A和负透镜B之间的空气间隔是20.5mm，所述负透镜B和正透镜C之间的空气间隔是4.3mm。本发明合理选取光学材料，提高镜头机械性能；合理分配各镜片光焦度，以保证光学***像质优良的同时具有很高的抗冲击安全系数；根据设计经验对镜片的外形参数给出了一些要求，最终找出安全系数高且像质优良的光学结构；在保证结构紧凑的前提下，给出各镜片适当的装夹角度以提高了镜头的冲击的能力，满足大过载的环境要求。

Description

抗高强度冲击的非制冷长波红外镜头
技术领域
本发明涉及一种用于跟踪侦察的抗高强度冲击的非制冷长波红外镜头，属于夜视侦察镜头领域。
背景技术
普通红外镜头一般应用于室内或者环境条件较好的室外使用，由于红外镜头具有晚间作用距离远、抗干扰性能好，图像直观、易于观察，穿透烟尘、雾霾能力强，可全天候、全天时工作，具有多目标全景观察、追踪和目标识别能力及良好的抗目标隐形能力等优点，红外镜头的应用也越来越广泛，但一般对冲击的要求不会很高，在10g以下。对于12000g加速度高强度的冲击环境，普通红外镜头的机械强度不够，镜片的强质比太小。在大过载的作用下，会使镜片、镜头发生永久变形、探测器相对位置发生位移，导致镜头的像质变坏，理论像面和探测器焦平面位置不重合等，从而导致探测器收集到的图像模糊甚至完全看不到图像；更严重的，将可能导致镜片碎裂。因此，传统的普通红外镜头不适合在特殊的应用环境中使用。
发明内容
鉴于现有普通红外镜头根本不能满足12000g加速度高强度的冲击环境，本发明的目的在于提供一种结构紧凑的抗高强度冲击的非制冷长波红外镜头，以适应特殊的应用环境。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种抗高强度冲击的非制冷长波红外镜头，所述镜头的光学***沿光线入射方向依次设有正透镜A、负透镜B和正透镜C，所述正透镜A、负透镜B和正透镜C均为锗镜片，所述正透镜A和负透镜B之间的空气间隔是20.5mm，所述负透镜B和正透镜C之间的空气间隔是4.3mm。
进一步的，所述正透镜A的孔径为54.100mm，边缘厚度为9.000mm，中心厚度为8.700mm，装夹角度为18.82°。
进一步的，所述负透镜B的孔径为55.266mm，边缘厚度为2.900mm，中心厚度为4.500mm，装夹角度为68.75°。
进一步的，所述正透镜C的孔径为25.400mm，边缘厚度为0.949mm，中心厚度为6.090mm，装夹角度为67.18°。
进一步的，所述镜头的机械结构包括安装在主体前部的镜筒，所述正透镜A安装在镜筒前端内并由主体前端面顶住，所述负透镜B和正透镜C依次安装在镜筒后端内，所述正透镜C由镜筒内的台阶定位，所述负透镜B和正透镜C之间设置有隔圈，所述负透镜B由压圈压紧。
进一步的，所述镜筒前部的周侧壁通过径向的紧定螺钉紧固于主体外壁，所述镜筒后部的外凸缘通过轴向的内六角圆柱头螺钉和弹簧垫片固定于主体内壁上。
进一步的，所述主体内还安装有电子舱。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：（1）在光学设计中，合理选取光学材料，提高镜头机械性能；（2）在光学设计中，合理分配各镜片光焦度，以保证光学***像质优良的同时具有很高的抗冲击安全系数；（3）根据设计经验对镜片的外形参数给出了一些要求，即要求镜片一定的形状参数并通过Solid works分析各镜片的安全系数，最终找出安全系数高且像质优良的光学结构，并可以与长波红外非制冷型384×288，25μm探测器适配；（4）在保证结构紧凑的前提下，给出各镜片适当的装夹角度以提高了镜头的冲击的能力，满足大过载的环境要求。
附图说明
图1为本发明实施例的光学***图。
图2为本发明实施例的机械结构图。
图3为正透镜A的形状示意图。
图4为负透镜B的形状示意图。
图5为正透镜C的形状示意图。
图1中：A-正透镜A，B-负透镜B，C-正透镜C，O-像面。
图5中：1-正透镜A，2-负透镜B，3-压圈，4-镜筒，5-紧定螺钉，6-隔圈，7-正透镜C，8-内六角圆柱头螺钉，9-弹簧垫片，10-主体，11-电子舱。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的阐述。
如图1~4所示，一种抗高强度冲击的非制冷长波红外镜头，所述镜头的光学***沿光线自左向右入射方向及自下向上入射方向依次设有正透镜A、负透镜B和正透镜C，所述正透镜A、负透镜B和正透镜C均为锗镜片，所述正透镜A和负透镜B之间的空气间隔H1是20.5mm，所述负透镜B和正透镜C之间的空气间隔H2是4.3mm。
在本实施例中，由上述镜片组构成的光学***达到了如下的技术指标：（1）工作波段：8μm-12μm；（2）焦距：f′=50mm±1mm；（3）探测器：长波红外非制冷型384×288，像元尺寸25μm*25μm；（4）视场角：10.97°×8.24°；（5）相对孔径D/ f′：1/1；（6）光学体积：60mm×53mm×53mm（长×宽×高）；（7）光学传递含数（MTF）：0视场，不低于0.517lp/mm；0.7视场，不低于0.4517lp/mm；（8）冲击强度：12000g。
在本实施例中，所述正透镜A的孔径D1为54.100mm，边缘厚度B1为9.000mm，中心厚度O1为8.700mm，装夹角度θ1 为18.82°；所述负透镜B的孔径D2为55.266mm，边缘厚度B2为2.900mm，中心厚度O2为4.500mm，装夹角度θ2为68.75°；所述正透镜C的孔径D3为25.400mm，边缘厚度B3为0.949mm，中心厚度O3为6.090mm，装夹角度θ3为67.18°。
本发明具备大相对孔径、抗高强度冲击和高透过率等特点；使用的力学的环境要求为：轴向过载大于等于12000g，反向过载大于等于2000g，横向过载大于等于2000g。由于产品的过载过大，达到12000g；因此在设计中，合理选取光学材料，三片镜片全采用机械性能更优的锗材料，提高镜头机械性能；合理分配各镜片光焦度，并根据设计经验对镜片的外形参数给出了一些要求，把这些参数作为光学设计的边界条件，代入ZEMAX光学程序进行计算。设计的光学镜片给出适当的安装角度并通过Solid works分析各镜片的安全系数，调整镜片外形形状及各镜片安装角度，最终找出安全系数高且像质优良的光学结构。
用Solid works三维程序建模，进行有限元分析。如分析结果不能满足大过载要求时，对镜片的形状参数进行修改，即在满足光学指标的前提下，尽可能地提高安全系数指标（即减小正透镜A孔径，适当增加正透镜A边缘厚度，减小正透镜A中心厚度，加大装夹正透镜A的角度）。对修改后的镜片形状参数再进行光学计算和三维有限元分析。通过这样反复的计算，直到指标符合技术条件要求。把这些设计结果用程序进行三维建模。并把产品装配起来，取轴向过载12000g 作为本发明的分析过载（即过载为117600m/s2）。
另外，本发明单独对正透镜A、负透镜B、正透镜C取轴向过载12000g 进行分析，分析结果如下：镜头所受到的应力为68.9MPa，最大位移为31.7μm，最小安全系数为33；正透镜A所受的最大应力为2.21×107Pa，最大位移为6.33μm，最小安全系数为5.43；负透镜B所受的最大应力为1.49×107Pa，最大位移为1.55μm，最小安全系数为8.06；正透镜C所受的最大应力为1.59×107Pa，最大位移为1.23μm，最小安全系数为7.52。从上述的分析结果可知，正透镜A最为薄弱，其所受的最大应力为2.21×107Pa，最小安全系数达到5.43，设计安全可靠。本发明通过加工装配成实验样机并进行力学过载实验，产品承受18000g过载产品状态完好，验证了设计和计算结果是正确的。
如图5所示，所述镜头的机械结构包括安装在主体前部的镜筒4，所述正透镜A安装在镜筒4前端内并由主体10前端面顶住，所述负透镜B和正透镜C依次安装在镜筒4后端内，所述正透镜C由镜筒4内的台阶定位，所述负透镜B和正透镜C之间设置有隔圈6，所述负透镜B由压圈3压紧。
在本实施例中，所述镜筒4前部的周侧壁通过径向的紧定螺钉5紧固于主体10外壁，所述镜筒4后部的外凸缘通过轴向的内六角圆柱头螺钉8和弹簧垫片9固定于主体10内壁上。所述主体10内还安装有电子舱11。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (7)

1.一种抗高强度冲击的非制冷长波红外镜头，其特征在于：所述镜头的光学***沿光线入射方向依次设有正透镜A、负透镜B和正透镜C，所述正透镜A、负透镜B和正透镜C均为锗镜片，所述正透镜A和负透镜B之间的空气间隔是20.5mm，所述负透镜B和正透镜C之间的空气间隔是4.3mm。
2.根据权利要求1所述的抗高强度冲击的非制冷长波红外镜头，其特征在于：所述正透镜A的孔径为54.100mm，边缘厚度为9.000mm，中心厚度为8.700mm，装夹角度为18.82°。
3.根据权利要求1所述的抗高强度冲击的非制冷长波红外镜头，其特征在于：所述负透镜B的孔径为55.266mm，边缘厚度为2.900mm，中心厚度为4.500mm，装夹角度为68.75°。
4.根据权利要求1所述的抗高强度冲击的非制冷长波红外镜头，其特征在于：所述正透镜C的孔径为25.400mm，边缘厚度为0.949mm，中心厚度为6.090mm，装夹角度为67.18°。
5.根据权利要求1所述的抗高强度冲击的非制冷长波红外镜头，其特征在于：所述镜头的机械结构包括安装在主体前部的镜筒，所述正透镜A安装在镜筒前端内并由主体前端面顶住，所述负透镜B和正透镜C依次安装在镜筒后端内，所述正透镜C由镜筒内的台阶定位，所述负透镜B和正透镜C之间设置有隔圈，所述负透镜B由压圈压紧。
6.根据权利要求5所述的抗高强度冲击的非制冷长波红外镜头，其特征在于：所述镜筒前部的周侧壁通过径向的紧定螺钉紧固于主体外壁，所述镜筒后部的外凸缘通过轴向的内六角圆柱头螺钉和弹簧垫片固定于主体内壁上。
7.根据权利要求5所述的抗高强度冲击的非制冷长波红外镜头，其特征在于：所述主体内还安装有电子舱。
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