CN203224663U - 非调焦无热化红外光学*** - Google Patents

非调焦无热化红外光学*** Download PDF

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闫学纯
张瑞
熊文君
叶明�
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Abstract

本实用新型公开了一种非调焦无热化红外光学***，结构形式采用三分离式结构，第一片采用凸面向前的正弯月透镜对光线进行聚焦，第二片为凸面向前的负弯月透镜，第三片为双凸正透镜。三片组合消除球差、色差、场曲、畸变等像差，使***达到像差平衡，最后成像在红外焦平面探测器上。该***无任何运动元件，结构简单设计合理，整组不需调焦，可满足***在-40℃～+50℃环境条件下对10m～∞范围内目标成像清晰。

Description

非调焦无热化红外光学***
技术领域
本实用新型属于光学设计技术领域，具体涉及一种非调焦无热化红外光学***，不需调焦即可满足-40℃～+50℃环境条件下10m～∞范围内的高清晰像质要求。 
背景技术
随着红外夜视技术的快速发展，非制冷红外光学***在民用工程得到广泛的应用，但是红外镜头所用材料的折射率温度系数dn/dT较大,随着环境温度的变化，折射率、光学元件的曲率和厚度、零件间隔等都会发生变化，使红外光学***产生热离焦，导致***成像质量变差。因此无热化红外光学***成为高精度红外光学***的一个主流发展方向。红外***无热化设计方法主要有三种:第一种是机械被动补偿方法，采用结构件材料热变形和红外材料热膨胀的互补来进行温度补偿；第二种是机械(电子)主动补偿法，采用传统的电动调焦进行温度补偿；机械被动补偿和机械(电子)主动补偿方法均导致***机构复杂,可靠性低，操作不便；第三种是光学被动补偿法，常用的方法是在***中加入衍射光学元件，但衍射光学元件加工和装配工艺复杂，生产成本高。 
实用新型内容
为解决现有技术存在的上述缺陷，本实用新型的目的是提供一种非调焦无热化红外光学***。具有结构简单，光轴稳定，***可靠性高，使整个红外***不产生离焦，保证光学***在不同的环境温度条件下不需调焦仍可保持远、近景物成像清晰。 
为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案：该非调焦无热化红外光学***由三片透镜构成，其中：所述三片透镜采用硫系红外材料构成的透镜，其结构形式采用三分离式结构，第一片采用凸面向前的正弯月透镜对光线进行聚焦，第二片为凸面向前的负弯月透镜，第三片为双凸正透镜，最后成像在红外焦平面探测器上；其中所述正弯月透镜的凹面为非球面，其高次非球面方程为： 
  
Figure DEST_PATH_58097DEST_PATH_IMAGE001
 所述负弯月透镜的凹面为非球面，二次非球面方程为：
 
Figure DEST_PATH_837835DEST_PATH_IMAGE002
 其中：Z为非球面轴相应的垂直距离；C为顶点曲率；r为离非球面轴的径向距离。
f′=25mm/F1.0非调焦无热化红外光学***参数如下：
序号 半径 厚度（间隔） 口径 材料 备注
1 20.85 4.8 φ25 ZnSe  
2 59.7 6.3 φ23.4   非球面
3 34.9 1.5 φ17.2 ZnS  
4 11 6.5 φ14.8   非球面
5 22.809 4 φ18.4 ZnSe  
6 -324.14 10.36（工作距离） φ18.1    
7 像面   φ12   红外探测器靶面
采用上述技术方案的有益效果：该非调焦无热化红外光学***为三片三分离式结构，第一片采用凸面向前的正弯月透镜对光线进行聚焦，第二片为凸面向前的负弯月透镜，第三片为双凸正透镜。三片组合消除球差、色差、场曲、畸变等像差，使***达到像差平衡，最后成像在红外焦平面探测器上。其中正弯月透镜的凹面和负弯月透镜的凹面均采用非球面，可进一步提高热特性和色散特性。所用材料均采用硫系红外材料，该***利用光学被动补偿方法，不使用衍射光学元件进行温度补偿，利用红外材料热特性之间的差异，通过合理选择常用红外透镜材料和分配光焦度，保证光学***在不同的环境温度条件下不需调焦仍可保持远、近景物成像清晰。图2至图7是25毫米无热化红外镜头分别在环境温度为-40℃、20℃和50℃情况下，对10m和无穷远距离满足尼奎斯特频率20lp/mm时的传递函数和点列图。该***结构简单，光轴稳定，***可靠性高，不需调焦即可满足-40℃～+50℃环境条件下10m～∞范围内的高清晰像质要求。 
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施例作进一步详细的说明。 
图1为本发明的结构示意图。 
图2为-40℃无穷远距离下MTF图。 
图3为-40℃无穷远距离下点列图。 
图4为-40℃下10m距离MTF图。 
图5为-40℃下10m距离点列图。 
图6为20℃无穷远距离下MTF图。 
图7为20℃无穷远距离下点列图。 
图8为20℃时10m距离下MTF图。 
图9为20℃时10m距离下点列图。 
图10为50℃无穷远距离下MTF图。 
图11为50℃无穷远距离下点列图。 
图12为50℃时10m距离下MTF图。 
图13为50℃时10m距离下点列图。 
具体实施方式
如图1所示焦距f′=25毫米，F数为1的非调焦无热化红外光学***，结构形式采用三分离式结构，第一片采用凸面向前的正弯月透镜1对光线进行聚焦，第二片为凸面向前的负弯月透镜2，第三片为双凸正透镜3。三片组合消除球差、色差、场曲、畸变等像差，使***达到像差平衡，最后成像在红外焦平面探测器4上。所述正弯月透镜1和双凸正透镜3采用硒化锌晶体，其中正弯月透镜1的凹面采用非球面，高次非球面方程为： 
 
所述负弯月透镜2采用硫化锌晶体，其凹面为非球面，二次非球面方程为：
 其中：Z为非球面轴相应的垂直距离；C为顶点曲率；r为离非球面轴的径向距离。
图2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13是25毫米无热化红外镜头分别在环境温度为-40℃、20℃和50℃情况下，对10m和无穷远距离满足尼奎斯特频率20lp/mm时的传递函数和点列图。可以看出该光学***光轴稳定，***可靠性高，不需调焦即可满足-40℃～+50℃环境条件下10m～∞范围内的高清晰像质要求。

Claims (1)

1.一种非调焦无热化红外光学***，由三片透镜构成，其特征在于：所述三片透镜采用硫系红外材料构成的透镜，其结构形式采用三分离式结构，第一片采用凸面向前的正弯月透镜对光线进行聚焦，第二片为凸面向前的负弯月透镜，第三片为双凸正透镜，最后成像在红外焦平面探测器上；其中所述正弯月透镜的凹面为非球面，其高次非球面方程为：
  
Figure DEST_PATH_728187DEST_PATH_IMAGE001
所述负弯月透镜的凹面为非球面，二次非球面方程为：
 
Figure DEST_PATH_550650DEST_PATH_IMAGE002
其中：Z为非球面轴相应的垂直距离；C为顶点曲率；r为离非球面轴的径向距离。
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