專利名稱：中紅外波段消熱差光學(xué)補償連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種主要用于中波紅外波段的消熱差連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)。具體而言，本發(fā)明涉及一種使用光學(xué)補償連續(xù)變焦且具有光學(xué)被動消熱差功能的光學(xué)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
光學(xué)儀器在較大溫度范圍內(nèi)使用時，鏡筒材料、光學(xué)材料的熱脹冷縮以及光學(xué)材料的溫度折射率系數(shù)會使鏡頭光焦度發(fā)生變化，產(chǎn)生離焦現(xiàn)象，而鏡筒材料的熱脹冷縮也會造成光學(xué)系統(tǒng)離焦，使成像質(zhì)量下降。為了降低溫度變化對紅外光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的影響，需要進行無熱化設(shè)計，或稱為消熱差設(shè)計，即通過一定的機械、光學(xué)及電子等技術(shù)，補償因溫度變化產(chǎn)生的離焦，使紅外光學(xué)系統(tǒng)在一個變化范圍較大的溫度區(qū)間內(nèi)保持成像質(zhì)量的穩(wěn)定。目前的消熱差方式主要有:機電主動式消熱差、機械被動式消熱差和光學(xué)被動式消熱差。其中，光學(xué)被動式消熱差是通過合理分配光焦度和光學(xué)材料，在溫度變化時實現(xiàn)焦面位置與鏡筒長度變化的匹配，從而在規(guī)定溫度范圍內(nèi)保證鏡頭的成像質(zhì)量。在同一光學(xué)系統(tǒng)中為了實現(xiàn)大小視場的兼容，需要進行變焦系統(tǒng)設(shè)計，主要有基于光學(xué)補償和機械補償?shù)膬煞N方式。前者的變焦鏡組間距固定，在變焦過程中同時同向等速運動，不同的運動位置對應(yīng)不同的焦距。但由于變焦鏡組的間距不變，無法補償變焦過程中的像差平衡等問題，其焦距變化過程離散，變焦鏡組僅能移動到少數(shù)幾個位置時成清晰像，而不能像機械補償式變焦系統(tǒng)那樣能通過變焦鏡組和補償組在軸上按不同速率和方向的運動實現(xiàn)連續(xù)變焦。美國專利US3294471公開了一種基于光學(xué)補償原理的光學(xué)鏡頭，該光學(xué)鏡頭通過適當(dāng)?shù)淖兘圭R組的間距實現(xiàn)了連續(xù)變焦，但其設(shè)計的使用范圍僅為可見光波段，沒有考慮光學(xué)被動消熱差，在不同溫度環(huán)境下的使用中需要通過人工或機械調(diào)焦以解決成像清晰度的問題。美國專利No7092150也公開了一種技術(shù)方案大致相同的中波紅外光學(xué)系統(tǒng)，通過光學(xué)補償?shù)膬?nèi)變焦原理實現(xiàn)了連續(xù)變焦，但該方案同樣沒有實現(xiàn)無熱化設(shè)計。2008年刊載于中國文獻《紅外技術(shù)》雜志，第30卷第4期，第210 213頁，名稱為《5X光學(xué)補償長波紅外連續(xù)變焦物鏡系統(tǒng)》，其中公開的光學(xué)鏡頭，波段為長波紅外(如
7.7 10.3 μ m)，也是通過確定適當(dāng)?shù)淖兘圭R組間距實現(xiàn)了光學(xué)補償變焦原理的連續(xù)變焦，但同樣沒有實現(xiàn)光學(xué)被動消熱差功能，在溫度有較大變化時需要人工或機械調(diào)焦。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處，提供一種變焦方式簡單，能自動適應(yīng)環(huán)境溫度變化的中紅外波段無熱化連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)。為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供的一種中紅外波段消熱差光學(xué)補償連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)，包括:在鏡筒光學(xué)系統(tǒng)中，從物面10到焦面I依次排列固聯(lián)的球罩9、前固定鏡組8、變焦鏡組7和后固定鏡組5，其特征在于:所述物面10與所述前固定鏡組8之間設(shè)置有一熱壓氟化鎂MgF2材料的球罩9 ;中間固定鏡組6設(shè)置在所述變焦鏡組7間距保持不變的負透鏡701和負透鏡702之間，該兩鏡片負透鏡701、702以固聯(lián)在鏡筒上的電機作為驅(qū)動源，通過齒輪-導(dǎo)軌機構(gòu)驅(qū)動變焦鏡組在光學(xué)系統(tǒng)光軸方向前后直線移動，沿光軸方向前后移動實現(xiàn)連續(xù)變焦，在向長焦變化時，變焦鏡組7朝向焦面I 一側(cè)運動；在向短焦變化時,變焦鏡組7朝向物面10—側(cè)運動，運動過程中焦距連續(xù)變化，并與前固定鏡組8、中間固定鏡組6和后固定鏡組5共同構(gòu)成完整的成像系統(tǒng)。為消熱差和色差,每塊透鏡需滿足以下條件:
權(quán)利要求
1.一種中紅外波段消熱差光學(xué)補償連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)，在鏡筒光學(xué)系統(tǒng)中，包括:從物面10到焦面I依次排列固聯(lián)的球罩(9)、前固定鏡組(8)、變焦鏡組(7)和后固定鏡組(5)，其特征在于:所述物面(10)與所述前固定鏡組(8)之間設(shè)置有一熱壓氟化鎂MgF2材料的球罩(9 );中間固定鏡組(6 )設(shè)置在所述變焦鏡組(7 )間距保持不變的負透鏡(701)和負透鏡(702)之間，該兩鏡片負透鏡(701、702)以固聯(lián)在鏡筒上的電機作為驅(qū)動源，通過齒輪-導(dǎo)軌機構(gòu)驅(qū)動變焦鏡組在光學(xué)系統(tǒng)光軸方向前后直線移動，沿光軸方向前后移動實現(xiàn)連續(xù)變焦，在向長焦變化時，變焦鏡組(7)朝向焦面I 一側(cè)運動；在向短焦變化時，變焦鏡組(7)朝向物面(10) —側(cè)運動，運動過程中焦距連續(xù)變化，并與前固定鏡組(8)、中間固定鏡組(6)和后固定鏡組(5)共同構(gòu)成完整的成像系統(tǒng)。
2.如權(quán)利要求1所述的中紅外波段消熱差光學(xué)補償連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述中間固定鏡組(6)和后固定組(5)靠近物面(10)的一側(cè)為非球面。
3.如權(quán)利要求1所述的中紅外波段消熱差光學(xué)補償連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述的前固定鏡組(8)是由采用娃(Silicon)材料的正透鏡(801)和鍺Germanium材料的負透鏡(802)組成的兩片式透鏡組。
4.如權(quán)利要求1或3所述的中紅外波段消熱差光學(xué)補償連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，為消熱差和色差，所述前固定鏡組(8)由采用色散系數(shù)V 所選透鏡材料中較大，折射率/溫度系數(shù)dn/dT為所選透鏡材料中適中，線膨脹系數(shù)a i為所選透鏡材料中較小的硅Silicon材料的正透鏡(801)和色散系數(shù)Vi為所選透鏡材料中較小，折射率/溫度系數(shù)dn/dT為所選透鏡材料中較大,線膨脹系數(shù)a j為所選透鏡材料中較小的鍺Germanium材料的負透鏡(802)組成。
5.如權(quán)利要求1所述的中紅外波段消熱差光學(xué)補償連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，變焦鏡組(7)由兩個負透鏡組成，其中負透鏡(701)為鍺Germanium材料；負透鏡(702)為硅材料。
6.如權(quán)利要求1或5所述的中紅外波段消熱差光學(xué)補償連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，為消熱差和色差，所述變焦鏡組由采用色散系數(shù)Vi為所選透鏡材料中較小，折射率/溫度系數(shù)dn/dT為所選透鏡材料中較大，線膨脹系數(shù)α為所選透鏡材料中1較小的鍺Germanium材料的負透鏡(701)和色散系數(shù)v ,較大，折射率/溫度系數(shù)dn/dT為所選透鏡材料中適中，線膨脹系數(shù)a i為所選透鏡材料中較小的硅Silicon材料的負透鏡(702)組成。
7.如權(quán)利要求1所述的中紅外波段消熱差光學(xué)補償連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，為消熱差和色差，所述中間固定鏡組(6)采用了色散系數(shù)ViS所選透鏡材料中適中，折射率/溫度系數(shù)dn/dT為所選透鏡材料中較小，線膨脹系數(shù)a i為所選透鏡材料中較大的硒化鋅ZnSe材料的正透鏡，其中靠近物面一側(cè)的面為高次非球面。
8.如權(quán)利要求1所述的中紅外波段消熱差光學(xué)補償連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，為消熱差和色差，所述后固定鏡組(5)為采用色散系數(shù)ViS所選透鏡材料中較大，折射率/溫度系數(shù)dn/dT為所選透鏡材料中適中，線膨脹系數(shù)a i為所選透鏡材料中較小的硅Si I i con材料的正透鏡，其中靠近物面(I) 一側(cè)的面為高次非球面。
全文摘要
本發(fā)明提出的一種中紅外波段消熱差光學(xué)補償連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)，旨在提供一種能夠在-45℃~60℃實現(xiàn)光學(xué)被動消熱差和焦距從60mm到150mm連續(xù)變化的適用于中紅外波段的變焦光學(xué)結(jié)構(gòu)。本發(fā)明通過以下述技術(shù)方案予以實現(xiàn)在鏡筒光學(xué)系統(tǒng)中，物面(10)與前固定鏡組(8)之間設(shè)置有一熱壓氟化鎂MgF2材料的球罩(9)；中間固定鏡組(6)設(shè)置在所述變焦鏡組(7)間距保持不變的負透鏡(701)和負透鏡(702)之間，該兩鏡片負透鏡以固聯(lián)在鏡筒上的電機作為驅(qū)動源，通過齒輪-導(dǎo)軌機構(gòu)驅(qū)動變焦鏡組在光學(xué)系統(tǒng)光軸方向前后直線移動，沿光軸方向前后移動實現(xiàn)連續(xù)變焦，變焦鏡組與前固定鏡組、中間固定鏡組和后固定鏡組(5)共同構(gòu)成完整的成像系統(tǒng)。
文檔編號G02B15/20GK103197408SQ20121048486
公開日2013年7月10日 申請日期2012年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月25日
發(fā)明者鄧鍵, 龍波, 鐘小兵, 陳代中, 湯磊, 童靜, 張小川 申請人:西南技術(shù)物理研究所