红外连续变焦无热化方法及红外连续变焦系统

摘要

本发明提出了一种红外连续变焦无热化方法及红外连续变焦系统。该方法包括：从物方至像方依次设置前固定组、变焦组、补偿组和后固定组，前固定组用于会聚收光；变焦组用于改变变焦镜头的焦距；补偿组用于补偿变焦镜头在变焦过程中像面位置的偏移，前固定组、变焦组和补充组用于将物方的景物会聚成一次成像；后固定组用于将一次成像会聚为二次成像，变焦组和补偿组符合局部无热化设计要求；当环境温度自初始温度变化Δt时，将变焦组和补偿组的初始位置相对于前固定组的位置沿光轴分别平移-γ·f·Δt，γ是前固定组的光学材料的热差系数，f是前固定组在初始温度的有效焦距。环境温度变化时得到清晰的成像质量，变焦机构控制操作简单。

说明书

技术领域

本发明涉及红外成像技术领域，尤其涉及一种红外连续变焦无热化方法。 此外，本发明还涉及一种红外连续变焦系统。

背景技术

光学仪器的使用过程中，若环境温度变化较大，对于红外光学系统来说， 红外光学材料的温度折射率系数远大于可见光材料，因此红外光学材料的性能 受温度影响较大。

当环境温度发生变化时，红外光学镜头产生热离焦，由此导致像质降低。 尤其在红外连续变焦镜头中，要求每个变焦位置都能清晰地成像，但是环境温 度变化会导致每个变焦位置的离焦量不尽相同，并且难以补偿。另外，环境温 度变化也会导致变焦曲线不再适用，因此大多连续变焦系统在不同的环境温度 时采用对应的变焦曲线，由此在不同的采样温度中使用不同的变焦曲线，但是， 由于高斯关系已被破坏，这在一定程度上需要牺牲部分成像质量。采样温度点 的数量越少，成像质量的妥协越多，成像质量越差，采样温度点越多，需要采 用的变焦曲线的数量越多，使得变焦机构的控制越复杂，调机越繁琐，不利于 连续变焦系统工程化的实现。

因此，需要一种红外连续变焦无热化方法，以解决现有技术中存在的上述 技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种红外连续变焦无热化方法。采用这 种红外连续变焦无热化方法可以在不同的采样温度下得到清晰的成像质量，并 且实现变焦机构的控制操作简单，利于实现红外连续变焦系统的工程化。

本发明采用的技术方案是：一种红外连续变焦无热化方法，其包括以下步 骤：设置红外连续变焦镜头的步骤：从物方至像方依次设置前固定组、变焦组、 补偿组和后固定组，其中，所述前固定组用于会聚收光；所述变焦组用于改变 变焦镜头的焦距；所述补偿组用于补偿所述变焦镜头在变焦过程中像面位置的 偏移，并且所述前固定组、所述变焦组和所述补偿组用于将物方的景物会聚成 一次成像；所述后固定组用于将所述一次成像会聚为二次成像，并且所述变焦 组和所述补偿组符合局部无热化设计的要求；温度补偿步骤：当环境温度自初 始温度变化Δt时，将所述变焦组和所述补偿组的初始位置相对于所述前固定组 的位置沿光轴分别平移-γ·f·Δt，其中，γ是所述前固定组的光学材料的热差系数， f是所述前固定组在所述初始温度的有效焦距。

优选地，所述红外连续变焦镜头包括由两种以上红外光学材料制成的透镜。

优选地，所述变焦组和所述补偿组采用的红外光学材料具有低色散特性和 低温度特性。

优选地，所述前固定组、所述变焦组、所述补偿组或者所述后固定组包括 具有负色散特性的透镜。

此外，本发明还提供了一种红外变焦系统，其包括：红外连续变焦镜头， 包括从物方至像方依次设置的前固定组、变焦组、补偿组和后固定组，其中： 所述前固定组用于会聚收光；所述变焦组用于改变变焦镜头的焦距；所述补偿 组用于补偿所述变焦镜头在变焦过程中像面位置的偏移，并且所述前固定组、 所述变焦组和所述补偿组用于将物方的景物会聚成一次成像；所述后固定组用 于将所述一次成像会聚为二次成像，并且所述变焦组和所述补偿组符合局部无 热化设计的要求；变焦机构：当环境温度自初始温度变化Δt时，所述变焦机构 驱动所述变焦组和所述补偿组的初始位置相对于所述前固定组的位置沿光轴分 别平移-γ·f·Δt，其中，γ是所述前固定组的光学材料的热差系数，f是所述前固定 组在所述初始温度的有效焦距。

优选地，所述红外连续变焦镜头包括由两种以上红外光学材料制成的透镜。

优选地，所述变焦组和所述补偿组采用的红外光学材料具有低色散特性和 低温度特性。

优选地，所述前固定组、所述变焦组、所述补偿组或者所述后固定组包括 具有负色散特性的透镜。

需要说明的是，本发明中的变焦组和补偿组的初始位置相对于前固定组的 位置沿光轴分别平移-γ·f·Δt，具体地，朝向前固定组的移动量为正，远离前固定 组的移动量为负。

采用上述技术方案，本发明至少具有下列优点：本发明的红外连续变焦无 热化方法可以使得红外变焦系统在环境温度变化范围内执行变焦过程中，变焦 组和补偿组沿光轴一并平移-γ·f·Δt后，实现变焦组和补偿组仅采用一组变焦曲线 就可以在环境温度变化范围内的变焦过程中成像清晰，降低了机电控制的复杂 性，提升红外变焦系统的工程化水平。

附图说明

图1为本发明第一个实施例的红外连续变焦无热化方法的示意图；

图2为本发明第二个实施例的红外变焦系统中红外连续变焦镜头的示意图；

图3为本发明第三个实施例的红外连续变焦无热化方法中将变焦组和补偿 组沿光轴一并平移的变焦曲线的示意图；

图4为本发明的红外变焦系统的焦距为长焦300mm时处于-40℃的环境温度 下的MTF函数图；

图5为本发明的红外变焦系统的焦距为中焦86.6mm时处于-40℃的环境温 度下的MTF函数图；

图6为本发明的红外变焦系统的焦距为短焦25mm时处于-40℃的环境温度 下的MTF函数图；

图7为本发明的红外变焦系统的焦距为长焦300mm时处于20℃的环境温度 下的MTF函数图；

图8为本发明的红外变焦系统的焦距为长焦86.6mm时处于20℃的环境温 度下的MTF函数图；

图9为本发明的红外变焦系统的焦距为长焦25mm时处于20℃的环境温度 下的MTF函数图；

图10为本发明的红外变焦系统的焦距为短焦300mm时处于55℃的环境温 度下的MTF函数图；

图11为本发明的红外变焦系统的焦距为长焦86.6mm时处于55℃的环境温 度下的MTF函数图；

图12为本发明的红外变焦系统的焦距为长焦25mm时处于55℃的环境温度 下的MTF函数图。

1-第一正光焦度透镜；2-第一负光焦度透镜；3-第二负光焦度透镜；4-第二 正光焦度透镜；5-第三正光焦度透镜；6-第四正光焦度透镜；7-探测器；10-变焦 组移动曲线；11-补偿组移动曲线。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结 合附图及较佳实施例，对本发明进行详细说明如后。

参见图1所示，本发明第一实施例中提供的红外连续变焦无热化方法包括 设置红外连续变焦镜头的步骤和温度补偿步骤。下面将详细地描述本发明的红 外连续变焦无热化方法及其各个步骤。

其中，在设置红外连续变焦镜头的步骤中：从物方至像方依次设置前固定 组、变焦组、补偿组和后固定组，其中，前固定组用于会聚收光；变焦组用于 改变变焦镜头的焦距；补偿组用于补偿变焦镜头在变焦过程中像面位置的偏移， 并且所述前固定组、所述变焦组和所述补偿组用于将物方的景物会聚成一次成 像；后固定组用于将一次成像会聚为二次成像，并且变焦组和补偿组符合局部 无热化设计的要求。局部无热化设计可以采用现有技术中所公开的局部无热化 设计方法，在本发明中可以合理分配光焦度，降低变焦组和补偿组的温度特性， 使得变焦组和补偿组的光焦度和剩余色差随温度发生的变化降低到可忽略的水 平。

温度补偿步骤：当环境温度自初始温度变化Δt时，将变焦组和补偿组的初 始位置相对于前固定组的位置沿光轴分别平移-γ·f·Δt，其中，γ是前固定组的光 学材料的热差系数，f是前固定组在初始温度的有效焦距。

当环境温度发生变化时，变焦组和补偿组首先沿光轴平移以补偿环境温度 变化所引起的前固定组的离焦量，由此，在变焦过程中，变焦组和补偿组的变 焦曲线保持不变，降低了变焦控制机构的复杂性。从而补偿前固定组的离焦量 就可以补偿变焦组和补偿组作为一个整体与前固定组的高斯关系。

具体地，前固定组随环境温度变化的离焦量为：△d＝-γ·f·△t，式中，f是 前固定组在初始温度，例如常温下的焦距值，γ是前固定组的光学材料的热差系 数。由于f和γ是常数值，故前固定组随环境温度变化的离焦量与温度是线性关 系。

如图3所示坐标轴的横轴为位移distance，纵轴为变焦镜头的有效焦距EFL， 图中包括变焦组的变焦曲线10和补偿组的变焦曲线11，变焦曲线10和变焦曲 线11的焦距可以自短焦f_W＝25mm至长焦f_N＝300mm。环境温度变化至温度T时， 变焦曲线10和变焦曲线11的即时位置为：d_T＝d₀+△d，由于△d＝(T₀-T)k₁，其中 k1＝γ·f，由此，d_T＝d₀+(T₀-T)k₁。其中，T₀是初始温度，比如常温20℃，d₀是变 焦曲线在温度T₀时的初始位置，即变焦组和补偿组的初始位置，d_T是温度为T 时变焦曲线的即时位置。γ是前固定组的光学材料的热差系数，f是前固定组在 初始温度的有效焦距。

作为优选的实施例，红外连续变焦镜头包括由两种以上红外光学材料制成 的透镜，以消除色差。进一步地，变焦组和补偿组采用的红外光学材料具有低 色散特性和低温度特性，例如硒化锌ZnSe或者硫化锌ZnS，由此降低温度对光 焦度、色差和像差的影响。优选地，前固定组、变焦组、补偿组或者后固定组 采用具有负色散特性的透镜来减小镜头的色差。进一步地，前固定组、变焦组、 补偿组或者后固定组包含具有非球面和衍射面的透镜。

此外，本发明还提供的红外变焦系统包括红外连续变焦镜头和变焦机构(未 示出)。红外连续变焦镜头包括从物方至像方依次设置的前固定组、变焦组、补 偿组和后固定组，其中：前固定组用于会聚收光；变焦组用于改变变焦镜头的 焦距；补偿组用于补偿变焦镜头在变焦过程中像面位置的偏移，并且所述前固 定组、所述变焦组和所述补偿组用于将物方的景物会聚成一次成像；后固定组 用于将一次成像会聚为二次成像，并且变焦组和补偿组符合局部无热化设计的 要求。变焦机构中，当环境温度自初始温度变化Δt时，变焦机构驱动变焦组和 补偿组的初始位置相对于前固定组的位置沿光轴分别平移-γ·f·Δt，其中，γ是前 固定组的光学材料的热差系数，f是前固定组在初始温度的有效焦距。

作为本发明第二实施例的红外变焦系统中的连续变焦镜头，如图2所示， 前固定组由第一正光焦度透镜1和第一负光焦度透镜2构成，第一正光焦度透 镜1和第一负光焦度透镜2沿光轴顺次设置，第一正光焦度透镜1靠近物侧， 并且第一正光焦度透镜1和第一负光焦度透镜2采用不同的红外光学材料制成， 降低色差。优选地，变焦组由第二负光焦度透镜3构成，补偿组由第二正光焦 度透镜4构成，当外界环境温度变化时，第二负光焦度透镜和第二正光焦度透 镜的变焦曲线保持不变。进一步地，后固定组由第三正光焦度透镜5和第四正 光焦度透镜6构成，第三正光焦度透镜5和第四正光焦度透镜6沿光轴顺次设 置，并且后固定组与前固定组之间的距离保持不变。由此，采用6片透镜可以 在工作温度范围内的变焦过程中成像质量高，并且在工作温度范围内，变焦曲 线不随温度发生改变，结构紧凑、体积小、透过率高、质量轻、成本低以及灵 敏度高的性能。

优选地，红外连续变焦镜头还包括探测器，探测器设置于后固定组的靠近 成像方的一侧，并且探测器为制冷型红外探测器。

此外，该红外连续变焦镜头采用二次成像的光学原理，可与制冷型探测器 的冷光阑匹配，满足100％冷光阑效率。

需要说明的是，本发明中所述的变焦曲线是变焦组和补偿组在变焦过程中 的移动曲线，也称为凸轮曲线。采用以上红外连续变焦系统可以使得变焦机构 控制简单，可以是采用凸轮机构或者电机分别驱动变焦组和补偿组进行变焦之 前首先将变焦组和补偿组的初始位置沿光轴一并平移-γ·f·Δt后，再进行变焦，由 此可以使得变焦组和补偿组在变焦过程中的变焦曲线保持不变，降低变焦机构 控制的复杂性。

通过实验得出，本发明红外变焦系统的工作波段包括红外长波波段 8um-12um或者红外中波波段3um-5um，由此可以使得本发明红外变焦系统具有 较宽波段的应用范围。另外，红外连续变焦镜头的焦距为25mm-300mm，放大 倍率M＝12倍，相对孔径F/4。进一步地，红外连续变焦镜头的工作温度范围为 -40℃～70℃。可以看出该红外连续变焦镜头可以适用的工作温度范围跨度大，从 而能够较好地适应户外环境温度，并且在变焦过程中获取清晰的成像质量。

如图4-图12所示为本发明的红外连续变焦系统的焦距分别取值为长焦、中 焦、短焦在环境温度为-40℃、20℃和55℃下的光学传递函数MTF图。其中， 图4至图6分别是在环境温度为-40℃下，长焦300mm、中焦86.6mm和短焦25mm 时的光学传递函数MTF。图7至图9分别是在环境温度为20℃下，长焦300mm、 中焦86.6mm和短焦25mm时的光学传递函数MTF。图10至图12分别是在环 境温度为55℃下，长焦300mm、中焦86.6mm和短焦25mm时的光学传递函数 MTF。以图4为例进行说明，图中的横坐标为空间频率SPATIAL FREQUENCY， 单位是线对/毫米CYCLES/MM，纵坐标为对比度MODULATION，图中显示了 衍射极限diffraction limit以及0.0视场field、0.6field、0.8field和1.0field的光 学传递函数MTF，选取的波长分别为权重为1的4800.0NM、4000.0NM以及 3700.0NM。从图中可以看出，在空间频率17.0CYCLES/MM时的对比度在0.4 以上。当环境温度发生变化时，变焦曲线本身不发生变化。由MTF图可知，通 过这种设计方法，仅线性平移变焦曲线的初始位置以进行补偿，以使红外变焦 系统在整个工作温度范围内的变焦过程中保持良好的成像质量，可以看出，本 发明的红外连续变焦方法的环境适应性、温度适应性较好。

通过具体实施方式的说明，应当可对本发明为达成预定目的所采取的技术 手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之 用，并非用来对本发明加以限制。