中波红外侦察跟踪镜头

摘要

本发明涉及一种中波红外侦察跟踪镜头，其特征在于：其光路结构中沿光线自左向右方向入射设有光焦度均为正的前组Ⅰ与后组Ⅱ，所述前组Ⅰ依次设有双凸镜片Ⅰ-A、双凹镜片Ⅰ-B、正月牙镜片Ⅰ-C；所述后组Ⅱ依次设有正月牙镜片Ⅱ-A、负月牙镜片Ⅱ-B和正月牙镜片Ⅱ-C，本发明克服用CCD可见光摄像技术对远距离目标进行观测跟踪存在的缺陷，提供全折射式的长焦距、大视场角、大相对孔径和适应温度变化范围的中波红外镜头，该镜头可将远距离目标的辐射红外线转变为清晰的图像或视频，实现全天候全天时对远距离目标进行观测、侦察和跟踪。

说明书

技术领域

 本发明涉及一种镜头，特别设计一种长焦距、大视场角、大相对孔径、适应温度变化范围大的中波红外侦察跟踪镜头。

背景技术

迄今为止，在光电领域仍采用CCD可见光摄像技术对远距离目标进行观测、侦察和跟踪，尽管在良好的照度和天候条件下，其成像分辨率可以满足常规观测和跟踪的要求，但是它受制于环境照度条件、天候条件。尤其是在夜间、雾霾天气等恶劣气候条件下，所产生的视频图像无法满足监测和跟踪的要求。它已经不能满足全天候、全天时对远距离目标进行侦察、跟踪的需要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种中波红外侦察跟踪镜头，该镜头克服用CCD可见光摄像技术对远距离目标进行观测跟踪存在的缺陷，是全折射式的长焦距、大视场角、大相对孔径和适应温度变化范围的中波红外镜头，该镜头可将远距离目标的辐射红外线转变为清晰的图像或视频，实现全天候全天时对远距离目标进行观测、侦察和跟踪。

本发明的技术方案在于：一种中波红外侦察跟踪镜头，其特征在于：其光路结构中沿光线自左向右方向入射设有光焦度均为正的前组Ⅰ与后组Ⅱ，所述前组Ⅰ依次设有双凸镜片Ⅰ-A、双凹镜片Ⅰ-B、正月牙镜片Ⅰ-C；所述后组Ⅱ依次设有正月牙镜片Ⅱ-A、负月牙镜片Ⅱ-B和正月牙镜片Ⅱ-C。

本发明的优点在于：1、该镜头具有视场角大，作用距离远，抗干扰性能好，穿透烟尘、雾霭能力强；

2、可全天候、全天时工作；

3、采用自调节热辐射接收器，使红外光学镜头的出瞳位置与像面位置不因温度变化而漂移，使整个系统在较宽的温差环境下都有稳定的工作性能。

附图说明

图1为本发明的光路结构示意图。

图2为本发明的镜头与自调节热辐射接收器的装配示意图。

具体实施方式

一种中波红外侦察跟踪镜头，其特征在于：其光路结构中沿光线自左向右方向入射设有光焦度均为正的前组Ⅰ与后组Ⅱ，所述前组Ⅰ依次设有双凸镜片Ⅰ-A、双凹镜片Ⅰ-B、正月牙镜片Ⅰ-C；所述后组Ⅱ依次设有正月牙镜片Ⅱ-A、负月牙镜片Ⅱ-B和正月牙镜片Ⅱ-C。

其中，沿光线入射方向，前组Ⅰ中双凸镜片Ⅰ-A与双凹镜片Ⅰ-B之间的空气间隔是1.82mm；双凹镜片Ⅰ-B与正月牙镜片Ⅰ-C之间的空气间隔是0.47mm，后组Ⅱ中正月牙镜片Ⅱ-A与负月牙镜片Ⅱ-B之间的空气间隔是2.2mm；负月牙镜片Ⅱ-B与正月牙镜片Ⅱ-C之间的空气间隔是0.48mm。

有上述红外镜头装置可达到如下参数：

1)   焦距f′=150mm；

2)   视场角2ω≥4.5°（探测器的靶面大小φ12mm）；

3)   相对孔径：D／f′≥1/2.5；

4)   适应红外光谱：3~5μ；

5)   分辨率：光学传递函数17lp/mm时，轴上点：MTF≥0.7

0.7ω MTF≥0.5；

6)   工作温度：-40℃~60℃。

参考图2使红外光学镜头的出瞳位置、像面位置不因环境温度变化而漂移，使镜头在较宽的温差环境下都有稳定的性能，所述镜头后侧设有自调节热辐射接收器，所述自调节热辐射接收器包括主筒联接筒1，套设于主筒联接筒体内的联接筒2，套设于联接筒体内的杜瓦瓶联接筒3以及套设于杜瓦瓶联接筒体内的杜瓦瓶4，所述主筒联接筒的前侧经螺栓5与镜头主筒6的后侧实现固定连接，主筒联接筒的后侧经螺栓7与设于其体内的联接筒实现固定连接，所述联接筒的前侧经螺栓与8设于其体内的杜瓦瓶联接筒实现固定连接，所述杜瓦瓶联接筒的后侧经螺栓9与设于其体内的杜瓦瓶实现固定连接，杜瓦瓶内与光轴同轴的中心线上自左向右依次设有冷光栏10与红外探测器靶面11。

由于红外侦察跟踪系统要在-40℃~60℃的温度环境中正常工作，而大多数红外材料的折射率随温度变化的dn/dt值较大，随着温度的变化，系统难免产生显著的像面漂移，使红外镜头的出瞳与杜瓦冷屏蔽罩位置产生漂移。其出瞳与探测器前端的杜瓦窗口无法完全嵌接，镜头的像面与红外线探测器的靶面也将出现漂移，导致红外线探测器的图像质量严重下降，甚至会使红外线探测器接收不到图像。

设置了自调节热辐射接收器可从两个方面消除对温度对成像质量的影响：

第一、冷光栏使用膨胀系数为1.76×10-6合金材料制造，在60℃温差时，直径为φ16mm冷光栏距离变化为1.69μm，它的变化远小于本镜头焦深=40μm，因此可以认为冷光栏的距离与靶面在-40℃~60℃范围内的变化不影响成像质量。

第二、用计算机辅助光学设计软件，计算出本镜头在不同温度下的光学间隔和最后一面镜片到冷光栏之间的距离，可得出红外探测器靶面与镜头靶面的偏移量，即后截距变化Δx’，计算结果如表一所示。

表一 在不同温度下中波红外镜头的各镜片间隔（单位mm）

从表一中可知，在-40℃低温时，后截距已偏离0.547mm，即红外探测器靶面与镜头靶面偏离0.547mm，红外探测器已接收不到清晰的图像。

由图2可知，将容纳红外探测器的靶面与冷光栏的自调节热辐射接收器与镜头连接后，当温度变化时，由于主筒联接筒、联接筒、杜瓦瓶联接筒和杜瓦瓶分别采用不同的膨胀系数的材料制成并在安装时设置不同的距离，可产生不同的长度变化，设变化量分别为Δx₁、Δx₂、Δx₃、Δx₄，则红外探测器靶面轴向位置随温度的变化量为Δx’’=-Δx₁+Δx₂-Δx₃+Δx₄，具体数值参见表二。

表二 在不同温度下各种材料及红外探测器靶面变化值（单位mm）

从表一、表二的结果可知，当温度发生变化时，采用自调节热辐射接收器后红外探测器靶面与镜头靶面偏离Δx=Δx’’-Δx’。

则温度在60℃、40℃、20℃、0℃、-20℃、-40℃时，Δx变化量为：-0.0218、-0.0104、0、0.0054、0.0158、-0.0328，从以上靶面的变化可知，在温度为-40℃时变化最大，为-0.0328mm，小于本镜头的焦深40μm，因此本镜头可满足当温度在-40℃~60℃范围内的变化不影响成像质量。

上述表中所对应的各联接筒及杜瓦瓶采用以下长度和材料制成：

主筒联接筒采用低合金钢制成，膨胀系数为8.31×10^-6，其长度为L₁=83mm；

联接筒采用非金属材料制成，膨胀系数为130×10^-6，其长度为L₂=72mm；

杜瓦瓶联接筒采用低合金钢制成，膨胀系数为8.31×10^-6，其长度为L₃=60mm；

杜瓦瓶采用玻璃制成，膨胀系数为7.5×10^-6，其联接部分长度为53mm。

本镜头把远处目标的辐射能量成像于处在冷屏蔽罩中的探测器上，冷屏蔽罩抑制了背景辐射能量，减少了探测器上的光子噪音，最终使目标的热辐射成像在红外探测器靶面上，红外探测器靶面把热像转变为清晰可见的视频图像，为了实现上述冷屏蔽罩的效果，所述镜头与红外探测器之间设有制冷设备，所述制冷设备为斯特林制冷机。