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专利名称：远红外无热化光学系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及光学系统，尤其涉及一种远红外无热化光学系统。
背景技术：
红外热成像技术作为一种新兴技术近几年有了飞速的发展，被广泛应 用于军事、电力检测、全天候监控、测温等很多行业，尤其是在军事方面 的应用非常广泛。其中远红外热成像的光学系统中最常用的光学材料就是
单晶锗，单晶锗有一个重要的指标就是dn/dt，即折射率温度的变化量， 锗的dn/dt是0.000396rC，是一个很大的值，而普通光学玻璃的dn/dt平 均仅为0.0000036/°C，这样就造成远红外光学系统通常随着温度的变化产 生很大焦移量，使成像质量变得很差。为解决这个问题，目前国内通常的 方法是增加一个手动或电动调焦结构，出现焦点漂移后通过调整光学系统 的局部结构进行焦移补偿。这种结构通常比较复杂，且有时稳定性不好， 容易出现电子元器老化等问题。
发明内容
为了解决上述传统远红外无热化光学系统所带来的问题和缺陷，本实
用新型提供了一种远红外无热化光学系统，包括由外向里依次固定连接
的，外镜筒、补偿筒、放置有远红外镜头的内镜筒，上述外镜筒与内镜筒
的线膨胀系数相同；上述补偿筒在垂直于远红外镜头光轴方向上与上述内
/外镜筒之间留有一定的间隙，以防止当温度变化时补偿筒与内/外镜筒因
为膨胀而相互抱死；上述补偿筒与外镜筒定位的面到镜头定位面的距离
"，以及补偿筒与外镜筒定位的面到补偿筒与内镜筒定位的面的距离L2，
满足公式A =，A +#，其中AT为-4(TC 6(TC范围内温度变化差值， a外 Ara外△X为上述光学系统在温度变化AT后沿光轴方向产生的最大离焦量，a外
为外镜筒的线膨胀系数，(X ;卜为补偿筒的线膨胀系数。
上述补偿筒的线膨胀系数大于上述外镜筒的线膨胀系数。
上述远红外镜头还包括多个透镜，该多个透镜按预设间距用隔圈隔 开，放置在内镜筒中。
上述内镜筒、隔圈的线膨胀系数相同。
上述内/外镜筒与隔圈的材料为不锈钢。
上述补偿筒的材料为尼龙66。
上述补偿筒一端与上述内镜筒通过螺钉进行连接，使二者连为一体。
上述外镜筒与上述补偿筒的另一端螺纹连接，使用端面定位并由螺钉 止动。
相较于传统的远红外无热化光学系统，本实用新型通过引入补偿筒， 并确定补偿筒的最佳放置位置，然后依靠各种机械材料的膨胀系数的差 异，经过精心的材料组合，充分利用材料热膨胀的差异实现焦移补偿，保 持成像面在很大温度范围(-4(TC 6(TC)内像面保持稳定。


图l为本实用新型一具体实施例的25mm远红外镜头的无热化光学系统。
具体实施方式
以下结合附图，对本实用新型的具体实施作进一步的详细说明。 对于所属技术领域的技术人员而言，从对本实用新型的详细说明中， 本实用新型的上述和其他目的、特征和优点将显而易见。
参照图1，为一种25mm远红外镜头的无热化光学系统10，包括 由外向里依次连接的外镜筒101、补偿筒201、内镜筒301;该补偿 筒201 —端与内镜筒301通过紧固螺钉801进行连接，使二者连为一体，在垂直于光轴20方向上补偿筒201与内镜筒301之间留有足够 的间隙，以保证当温度升高或降低时内镜筒301不会与补偿筒201相 互抱死而阻碍了内镜筒301沿轴20向前移或后退；外镜筒101，该 外镜筒101与上述补偿筒201的另一端螺纹连接，使用端面100定位 并由螺钉901止动，在垂直于光轴20方向上外镜筒301与补偿筒201 之间也要留有足够的间隙，以防止当温度变化时补偿筒201与外镜筒 101因为膨胀而相互抱死；远红外镜头3000，包括四个透镜，其中第 一、三透镜3001、 3003分别为平凸透镜和弯月透镜，采用的AMTIR _1材料(dn/dt为0.000072厂C)，第二透镜3002为凹透镜，采用的 ZnSe单晶材料(dn/dt为0.000060/°C)，第四透镜3004为弯月透镜， 采用的是锗单晶(dn/dt为0.000396°C)，各透镜之间的空气间隔随温 度变化按常用不锈钢材料膨胀系数设置，并以隔圈4000隔开，设置 在内镜筒301中；上述内镜筒301、外镜筒101、隔圈4000采用相同 牌号的不锈钢材料制成，这样在温度变化时保证膨胀情况相一致，不 使透镜由于应力产生变形；上述补偿筒201采用的是尼龙66;镜筒 之间采用较为精密的公差配合，可以使内镜筒301在轴向移动中实现 导向的作用。
对于上述补偿筒与外镜筒定位的面100到镜头定位面200的距离 LP以及补偿筒与外镜筒定位的面100到补偿筒与内镜筒定位的面 300的距离L2，满足公式A-^A+^，其中AT为-40。C 60。C范围 内温度变化差值，AX为上述^卜学系统^温度变化AT后沿光轴方向产
生的最大离焦量，CU卜为外镜筒的线膨胀系数，(Xtt为补偿筒的线膨胀系数。
上述公式是由AX-ATxa外xL广ATxa补xL2变化得到，其中AX二 ATxaxL是材料学中计算各种材料热膨胀产生尺寸变化的通用公式。 本实例的公式就是由该通用公式导出的，其中常用材料的线膨胀系数 a的值可以通过光学仪器设计手册(国防工业出版社)或其它各种机 械设计手册査得。
上述AX的确定方法为首先，在光学系统10未引入补偿筒201时，对光学系统IO进行光学设计，利用Zemax软件的热分析功能， 分别按低温(-40°C)、常温(20°C)、高温(60°C)进行热拾�。� 并考虑温度变化引起的镜片之间的间隔变化建立三个温度下的多重 结构，利用软件的优化功能对三个温度同时进行光学优化设计，并充 分利用光学材料之间的温度补偿作用使整个光学系统在成像质量良 好的前提下，产生尽量小的焦移，因为焦移量越�。�最后利用机械材 料之间的膨胀系数差异补偿起来才越容易。经过软件模拟，上述25mm 远红外镜头的无热化光学系统10在-4(TC 6(TC温度范围内变化时， 系统的最大离焦量为110pm，远大于系统焦深，故需要利用不同机械 材料之间的线膨胀系数的差值进行补偿。
在本实施例中，内镜筒总长为37.5mm，首先根据实际安装时结 构的要求大致确定L2的长度为19.5mm， a外=12xlO—6/°C ， a补=
" 八Y
70xl(T6/°C，经公式^^i丄2+7^计算L产22mm。需要注意的是，
a外 Ara外
在计算过程中要注意符号正负号的选取。(从20。C升到60°C， AX =-44pmm;从20°C降到國40。C ， AX=66^imm，从-40。C至lJ 60°C ， AX 合计为ll(Him。)值得注意的是， 一般来说，首先根据光学系统结构 的要求确定L2的大致值，并根据光学软件Zemax模拟出来的AX值 求出"的值；此时如果L,的值在结构设计无法实现，可能就要重新 调整L2的值并重新求出符合结构要求的"的值。这是一个反复的过 程。
实际表现出来就是，图中所示200所在的面为镜头的定位基准 面，我们假定它是不动的，当温度发生变化时，比如当温度从20°C 升到60。C时，外镜筒101沿光轴20向左侧方向膨胀，带动补偿筒201 与内镜筒301都向左侧方向产生微量移动；而补偿筒201由于采用的 是尼龙66，其线膨胀系数大于外镜筒101的线膨胀系数，即补偿筒 201产生的沿光轴方向位移大于外镜筒101沿光轴方向位移，且由于 补偿筒201是在镜头的前端部位(面100)处与外镜筒101相互固定， 它向后的一端是没有固定的，可以自由伸縮的，所以当温度升高到 6(TC时，实际上内镜筒向右侧产生了移动，并且由于补偿筒设置的位置关系，使得此种变化后产生的离焦量恰好弥补了光学系统镜头因温 度变化所产生的离焦量，从而实现离焦补偿。反之，也是如此。从而
这种结构就实现了-40。C 6(TC温度变化过程中像面的稳定，保证了
成像质量。
结合上述实施例的描述，本实用新型提供了一种无热化远红外光 学系统，通过在该光学系统中引入补偿筒，并利用光学材料的dn/dt、 各种机械材料的膨胀系数，经过精心的分析和材料组合，确定补偿筒 的设置方式和位置，尽量减少高低温度变化时焦点漂移的距离，充分 利用材料热膨胀的差异实现焦移补偿，保持成像面在很大温度范围 (-40°C 60°C)内像面保持稳定。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并非因此限定本实用新 型的专利保护范围，本实用新型还可用于其他光学系统中，并不限运 用于"25mm远红外镜头的无热化光学系统"，所述远红外镜头也不 限于"四片透镜"。故凡运用本实用新型的说明书及图示内容所谓的 等效结构变化，或直接或间接运用于其他相关技术领域均同理皆包含 于本实用新型所涵盖之范围内。
权利要求1.一种无热化远红外光学系统，其特征在于，包括由外向里依次固定连接的，外镜筒、补偿筒、放置有远红外镜头的内镜筒，上述外镜筒与内镜筒的线膨胀系数相同；上述补偿筒在垂直于远红外镜头光轴方向上与上述内/外镜筒之间留有一定的间隙，以防止当温度变化时补偿筒与内/外镜筒因为膨胀而相互抱死；上述补偿筒与外镜筒定位的面到镜头定位面的距离(L1)，以及补偿筒与外镜筒定位的面到补偿筒与内镜筒定位的面的距离(L2)，满足公式 id="icf0001" file="Y2009201066250002C1.tif" wi="35" he="10" top= "95" left = "27" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>其中ΔT为-40℃～60℃范围内温度变化差值，ΔX为上述光学系统在温度变化ΔT后沿光轴方向产生的最大离焦量，α外为外镜筒的线膨胀系数，α补为补偿筒的线膨胀系数。
2. 根据权利要求1所述的无热化远红外光学系统，其特征在于，上述 补偿筒的线膨胀系数大于上述外镜筒的线膨胀系数。
3. 根据权利要求1或2所述的无热化远红外光学系统，其特征在于， 上述远红外镜头还包括多个透镜，该多个透镜按预设间距用隔圈隔开，放 置在内镜筒中。
4. 根据权利要求3所述的无热化远红外光学系统，其特征在于，上述 内镜筒、隔圈的线膨胀系数相同。
5. 根据权利要求4所述的无热化远红外光学系统，其特征在于，上述 内/外镜筒与隔圈的材料为不锈钢。
6. 根据权利要求5所述的无热化远红外光学系统，其特征在于，上述 补偿筒的材料为尼龙66。
7. 根据权利要求1所述的无热化远红外光学系统，其特征在于，上述 补偿筒一端与上述内镜筒通过螺钉进行连接，使二者连为一体。
8. 根据权利要求1或7所述的无热化远红外光学系统，其特征在于， 上述外镜筒与上述补偿筒的另一端螺纹连接，使用端面定位并由螺钉止 动。
专利摘要本实用新型公开了一种无热化远红外光学系统，包括由外向里依次固定连接的外镜筒、补偿筒、放置有远红外镜头的内镜筒，上述外镜筒与内镜筒的线膨胀系数相同；上述补偿筒在垂直于远红外镜头光轴方向上与上述内/外镜筒之间留有一定的间隙；上述补偿筒与外镜筒定位的面到镜头定位面的距离(L₁)，以及补偿筒与外镜筒定位的面到补偿筒与内镜筒定位的面的距离(L₂)，满足公式L₁＝(α_补/α_外)L₂+ΔX/(ΔTα_外)，其中ΔT为-40℃～60℃范围内温度变化差值，ΔX为上述光学系统在温度变化ΔT后沿光轴方向产生的最大离焦量，α_外为外镜筒的线膨胀系数，α_补为补偿筒的线膨胀系数。通过引入补偿筒，并确定其放置位置，利用材料热膨胀的差异实现焦移补偿，使成像面像面保持稳定。
文档编号G01J5/08GK201383027SQ20092010662
公开日2010年1月13日 申请日期2009年3月30日 优先权日2009年3月30日
发明者刘自强, 超 孔 申请人:北京蓝思泰克科技有限公司