一种大口径透射式中波制冷红外连续变焦热像仪
阅读说明：本技术 一种大口径透射式中波制冷红外连续变焦热像仪 (Large-caliber transmission type medium-wave refrigeration infrared continuous zooming thermal imager ) 是由 刘伟 焦洋洋 郭得福 闫福文 段程鹏 于 2021-10-26 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种大口径透射式中波制冷红外连续变焦热像仪,其目的是解决现有连续变焦红外热成像系统中存在折反式系统尺寸较大,装调难度大,中心区域能量损失严重,小口径的透射式系统通光口径小,能量探测能力低,作用距离相对较短的技术问题。该热像仪包括驱动单元、壳体、设置于壳体内的支架、固连于壳体前端面的前固定组、设置于壳体上的对外接口、通过所述支架安装的变倍组、补偿组、调焦组、反射组、中继组、探测器保护窗口H、滤光片I、冷阑J和机芯组；所述反射镜组包括两片相互垂直设置的反射镜,形成U型光路,将光路折转180°；驱动单元用于驱动变倍组、补偿组和调焦组沿光轴运动。(The invention relates to a large-aperture transmission type medium-wave refrigeration infrared continuous zooming thermal imager, and aims to solve the technical problems that a catadioptric system is large in size, high in assembly and adjustment difficulty, serious in energy loss of a central area, small in aperture transmission type system light-passing aperture, low in energy detection capability and relatively short in action distance in the existing continuous zooming infrared thermal imaging system. The thermal imager comprises a driving unit, a shell, a support arranged in the shell, a front fixing group fixedly connected to the front end face of the shell, an external interface arranged on the shell, a zoom group, a compensation group, a focusing group, a reflection group, a relay group, a detector protection window H, an optical filter I, a cold stop J and a machine core group, wherein the zoom group, the compensation group, the focusing group, the reflection group, the relay group, the detector protection window H, the optical filter I, the cold stop J and the machine core group are arranged through the support; the reflector group comprises two reflectors which are arranged vertically to form a U-shaped light path, and the light path is bent by 180 degrees; the driving unit is used for driving the zoom group, the compensation group and the focusing group to move along the optical axis.)
技术领域
本发明涉及红外热成像技术，具体涉及一种大口径透射式中波制冷红外连续变焦热像仪，可搭载于经纬仪、转台等设备上，主要用于搜索、跟踪和测量。
背景技术
近年来，连续变焦红外热成像系统，在多方面得到广泛的应用，同时相关技术得到了快速发展。连续变焦热像仪可实现大视场搜索和小视场跟踪，变焦过程成像效果良好且不会丢失目标，具有定焦热像仪和多视场热像仪无法满足的需求及效果。
红外热像仪普遍要求的更远探测距离、更高探测灵敏度、更高分辨率和更远作用距离对系统的成像分辨力提出了更高要求。目前长焦距成像系统多为折反式系统或者小口径透射式系统，其中，折反式系统焦距可以做到很长，但是尺寸较大，装调难度大，中心区域能量损失严重；而小口径的透射式系统焦距可以做到比较长，结构较为紧凑，但其通光口径小，能量探测能力低，作用距离相对较短。
发明内容
本发明的目的是解决现有连续变焦红外热成像系统中存在折反式系统尺寸较大，装调难度大，中心区域能量损失严重，小口径的透射式系统通光口径小，能量探测能力低，作用距离相对较短的技术问题，提供一种大口径透射式中波制冷红外连续变焦热像仪。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术解决方案如下：
一种大口径透射式中波制冷红外连续变焦热像仪，其特殊之处在于：
包括壳体、设置于壳体内的支架和驱动单元、固连于壳体前端面的前固定组、设置于壳体上的对外接口、通过所述支架安装的变倍组、补偿组、调焦组、反射组、中继组、探测器保护窗口H、滤光片I、冷阑J和机芯组；
所述机芯组包括探测器和电路板组件，用于完成成像、图像处理、图像输出和驱动单元控制；
所述前固定组中的前固定镜、变倍组中的变倍镜、补偿组中的补偿镜、调焦组中的调焦镜、反射组中的反射镜、中继组中的中继镜、探测器保护窗口H、滤光片I、冷阑J和探测器的像面K沿光路依次设置；
所述电路板组件通过对外接口向外输出图像；
所述反射镜组包括两片相互垂直设置的反射镜，形成U型光路，将光路折转180°；
所述驱动单元包括变倍驱动组件、补偿驱动组件和调焦驱动组件，分别用于驱动变倍组、补偿组和调焦组沿光轴运动，变倍组和补偿组的相对运动用于实现连续变焦，调焦组的移动用于实现高低温像移补偿。
进一步地，所述前固定镜为凸面朝向物方的弯月形硅正透镜A，用于对光线的汇聚；
所述变倍镜为双凹型的负锗透镜B，用于改变焦距；
所述补偿镜为双凸型的正硅透镜C，用于补偿变倍过程中所引起的像移；
所述调焦镜为凹面朝向像方的负锗透镜D，用于完成第一次成像，通过沿轴向运动，达到像面高低温补偿的目的；
所述中继组包括3片中继镜，分别为沿光路依次设置的双凸型的正硅透镜E、双凹型的负硫化锌透镜F以及双凸型的正硫系透镜G，用于完成光阑匹配、进行二次成像并校正残余像差。
进一步地，所述变倍驱动组件和补偿驱动组件的结构相同，均包括精密导轨、滑块、电机、螺杆、螺杆螺母和螺母转接件；电机设置于支架上；
所述螺杆与电机的输出轴一体设置，螺杆通过轴承固定在支架内，螺杆螺母设置于螺杆上；
所述滑块的底部通过所述螺母转接件与螺杆螺母连接，将电机的旋转运动转换为滑块的直线运动；
变倍组包括变倍镜框和设置于变倍镜框内的所述变倍镜的镜筒及变倍镜；所述变倍镜框固定在变倍驱动组件的滑块上；
补偿组包括补偿镜框和设置于补偿镜框内的所述补偿镜的镜筒及补偿镜；所述补偿镜框固定在补偿驱动组件的滑块上。
进一步地，所述调焦驱动组件包括凸轮筒、大齿圈、导向销钉、调焦电机、调焦齿轮和凸轮挡圈；
所述调焦组包括调焦镜框和设置于调焦镜框内的所述调焦镜的镜筒及调焦镜，调焦镜框外壁上沿轴向设有两条平行于光轴，并且以光轴为中心对称的直槽，用以限制调焦镜镜筒的旋转运动；
所述凸轮筒和大齿圈由内至外依次套设于调焦镜框外周固连，并通过所述导向销钉将凸轮筒、调焦镜框和调焦镜镜筒径向固定，所述凸轮筒内壁上设有两条周向螺旋曲线槽，形成类似螺母螺杆的结构，用以控制调焦镜镜筒沿曲线槽方向运动；
所述凸轮挡圈与调焦镜框外周螺纹连接，将凸轮筒轴向定位；
所述调焦齿轮设置于调焦电机的输出轴上；
所述调焦齿轮与大齿圈相啮合，将调焦电机的旋转运动转换为调焦镜框的直线运动。
进一步地，所述变倍驱动组件驱动变倍镜移动的总移动行程为135.5mm。
进一步地，所述补偿驱动组件驱动补偿镜移动的总移动行程为45.6mm。
进一步地，所述变倍镜的入射面、补偿镜的出射面、调焦镜的出射面，以及3片中继镜的出射面均为偶次非球面；
所述前固定镜的入射面表面镀有硬质膜；
所述反射镜的反射面表面镀有反射膜；
所述前固定镜的出射面、变倍镜的入射面和出射面、补偿镜的入射面和出射面、调焦镜的入射面和出射面，以及3片中继镜的入射面和出射面表面均镀有增透膜。
本发明相比现有技术具有的有益效果如下：
1、本发明提供的大口径透射式中波制冷红外连续变焦热像仪，采用二次成像连续变焦系统，在满足成像质量的前提下，得到仅采用7片透镜的光学系统，最短焦距≤57mm，最长焦距≥610mm，通光孔径≥305mm。光学系统中设计保证冷光阑100％匹配，减小光束能量损失。通过两个平面反射镜改变热像仪光轴方向，形成U型光路，可有效减小系统长度和体积；该连续变焦热像仪的F数为2.0，焦距≥610mm，通光口径≥305mm，增加了系统通光量，提高了灵敏度，兼具长焦距和大通光孔径，在实现了高分辨率的同时，结构较为紧凑；其工作温度覆盖-45℃～+65℃。
2、本发明提供的大口径透射式中波制冷红外连续变焦热像仪，变焦方式简单，仅有两片透镜参与变焦，运动负荷小，光轴一致性易于保证，使用步进电机配合丝杠(螺杆)和导轨实现连续变焦驱动，同时提高运动镜组的稳定性，使变焦过程光轴偏移量小于0.04mrad。
3、本发明提供的大口径透射式中波制冷红外连续变焦热像仪，使用镜片数量少，仅七个透镜，加工装调公差要求不高，加工装调难度小。
4、本发明提供的大口径透射式中波制冷红外连续变焦热像仪，使用常规红外材料，硅、锗、硫化锌和硫系四种材料，加工难度低、风险低。
附图说明
图1为本发明大口径透射式中波制冷红外连续变焦热像仪的结构示意图；
图2为本发明大口径透射式中波制冷红外连续变焦热像仪中镜片位置的示意图；
图3为本发明大口径透射式中波制冷红外连续变焦热像仪中变倍驱动组件及补偿驱动组件和调焦驱动组件的结构示意图；
图4为本发明大口径透射式中波制冷红外连续变焦热像仪中调焦驱动组件及调焦组的结构示意图；
附图标记说明：
1-前固定组、2-变倍组、3-补偿组、4-调焦组、5-反射组、6-中继组、7-机芯组，11-壳体、12-支架；
41-调焦镜框、42-调焦镜、21-变倍镜框、31-补偿镜框；
81-精密导轨、82-轴承、83-电机、84-螺杆、85-螺杆螺母、86-螺母转接件；
91-凸轮筒、92-大齿圈、93-导向销钉、94-调焦电机、95-调焦齿轮、96-凸轮挡圈。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步地说明。
本发明的大口径透射式中波制冷红外连续变焦热像仪，包括壳体11、设置于壳体11内的支架12和驱动单元、固连于壳体11前端面的前固定组1、设置于壳体11上的对外接口、通过所述支架12安装的变倍组2、补偿组3、调焦组4、反射组5、中继组6、探测器保护窗口H、滤光片I、冷阑J和机芯组7；所述机芯组7包括探测器和电路板组件，用于完成成像、图像处理、图像输出和驱动单元控制，即机芯组7主要用于实现光电信号转换，将光信号转换为图像，并进行图像处理和图像输出；所述前固定组1中的前固定镜、变倍组2中的变倍镜、补偿组3中的补偿镜、调焦组4中的调焦镜42、反射组5中的反射镜、中继组6中的中继镜、探测器保护窗口H、滤光片I、冷阑J和探测器的像面K沿光路依次设置；所述电路板组件通过对外接口向外输出图像；所述反射镜组位于调焦组4与中继组6之间，包括两片相互垂直设置的反射镜，分别为反射镜M和反射镜N，形成U型光路，将光路折转180°；所述驱动单元包括变倍驱动组件、补偿驱动组件和调焦驱动组件，分别用于驱动变倍组2、补偿组3和调焦组4沿光轴运动，变倍组2和补偿组3的相对运动用于实现连续变焦，该连续变焦热像仪中，变倍组2和补偿组3做相对的连续运动，运动过程中焦距连续变化，但像面位置保持不变，调焦组4的移动用于实现高低温像移补偿。
所述前固定镜为凸面朝向物方的弯月形硅正透镜A，用于对光线的汇聚；所述变倍镜为双凹型的负锗透镜B，用于改变连续变焦镜头中的焦距；所述补偿镜为双凸型的正硅透镜C，用于补偿变倍过程中所引起的像移；所述调焦镜42为凹面朝向像方的负锗透镜D，用于完成第一次成像，通过沿轴向运动，达到像面高低温补偿的目的；所述中继组6包括3片中继镜，分别为沿光路依次设置的双凸型的正硅透镜E、双凹型的负硫化锌透镜F以及双凸型的正硫系透镜G，用于完成光阑匹配、进行二次成像并校正残余像差。
采用本发明的结构，从物方至像方依次设有七个成像组件，分别为前固定组1、变倍组2、补偿组3、调焦组4、反射组5、中继组6和机芯组7，光线经过五个透镜组和反射镜组，经过探测器保护窗口H、滤光片I、冷阑J，最终到达机芯组7的像面K。
所述变倍驱动组件和补偿驱动组件的结构相同，均包括精密导轨81、滑块、电机83、螺杆84、螺杆螺母85和螺母转接件86；电机83设置于支架12上；电机83、螺杆84、螺杆螺母85和螺母转接件86均位于变倍组2下方；所述螺杆84与电机83的输出轴一体设置，螺杆84通过轴承82固定在支架12内，螺杆螺母85设置于螺杆84上；所述滑块的底部通过所述螺母转接件86与螺杆螺母85连接，将电机83的旋转运动转换为滑块的直线运动；变倍组2包括变倍镜框21和设置于变倍镜框21内的所述变倍镜的镜筒及变倍镜；所述变倍镜框21固定在变倍驱动组件的滑块上，变倍驱动组件驱动变倍镜移动的总移动行程为135.5mm；补偿组3包括补偿镜框31和设置于补偿镜框31内的所述补偿镜的镜筒及补偿镜；所述补偿镜框31固定在补偿驱动组件的滑块上，补偿驱动组件驱动补偿镜移动的总移动行程为45.6mm。
所述调焦驱动组件包括凸轮筒91、大齿圈92、导向销钉93、调焦电机94、调焦齿轮95和凸轮挡圈96；所述调焦组4包括调焦镜框41和设置于调焦镜42框41内的所述调焦镜42的镜筒及调焦镜42，调焦镜框41外壁上沿轴向设有两条平行于光轴，并且以光轴为中心对称的直槽，用以限制调焦镜42镜筒的旋转运动；所述凸轮筒91和大齿圈92由内至外依次套设于调焦镜框41外周，并通过所述导向销钉93将凸轮筒91、调焦镜框41和调焦镜42镜筒径向固定，所述凸轮筒91内壁上设有两条周向螺旋曲线槽，形成类似螺母螺杆的结构，用以控制调焦镜42镜筒沿曲线槽方向运动；所述凸轮挡圈96与调焦镜框41外周使用螺钉固连，将凸轮筒91轴向定位；所述调焦齿轮95设置于调焦电机94的输出轴上；所述调焦齿轮95与大齿圈92相啮合，将调焦电机94的旋转运动转换为调焦镜框41的直线运动。也即，所述调焦齿轮95与大齿圈92相啮合后，将调焦电机94的旋转运动转换为凸轮筒91的旋转运动，其中设置于凸轮筒91上螺旋曲线槽和调焦镜框41直槽内的导向销钉93，由于被直槽限制了沿光轴的旋转运动，只能带动调焦镜42的镜筒沿光轴做直线运动。
本发明提供的大口径透射式中波制冷红外连续变焦热像仪，为减小透镜A的口径，保证100％冷光阑效率，采用了二次成像的方式，系统整体采用7片透镜，满足57mm～610mm焦距连续变化，通光口径≥305mm，结构简单紧凑。图1给出了在焦距610mm时的热像仪结构图。
红外机芯组7主要实现光电信号转换，将光信号转换为图像，并进行图像处理和图像输出；变倍驱动组件主要实现驱动控制变倍组2沿轴向移动；补偿驱动组件主要实现驱动控制补偿组3沿轴向移动；调焦驱动组件主要实现驱动控制调焦组4沿轴向移动；支架12对壳体11内部组件结构支撑固定；壳体11对前固定组1和支架12实现支撑，同时作为整机热像仪主体提供对外接口。
为保证满足热像仪外露表面防风沙等作用，透镜A的前表面镀硬质膜，为保证高透过率，减小冷反射，反射镜的反射面镀反射膜，其余表面(所述前固定镜的出射面、变倍镜的入射面和出射面、补偿镜的入射面和出射面、调焦镜的入射面和出射面，以及3片中继镜的入射面和出射面表面)均镀增透膜。表1为60mm/600mm光学结构参数表。
表1、60mm/600mm光学结构参数表
以上透镜中所提及的非球面，均为偶次非球面，其表达式如下：
其中z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距非球面顶点的距离矢高，c表示表面的顶点曲率，等于非球面曲率半径的倒数，c＝1/r0，k为圆锥系数，k＝0，α2、α3、α4、α5、α6为高次非球面系数。
表2为表面S4、S6、S7、S14的非球面系数：
表2非球面系数表
表面
α<sub>2</sub>
α<sub>3</sub>
α<sub>4</sub>
S3
3.9939e-8
-1.68348e-12
7.353607e-17
S6
6.532857e-8
-2.440704e-12
7.226834e-17
S8
3.72096e-9
5.138704e-12
2.338759e-15
S12
5.35368e-6
9.451688e-10
-7.748325e-12
S14
-5.6457e-7
-8.76021e-10
-3.987897e-10
S16
7.75523e-6
-1.869445e-8
7.677986e-11
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。
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