[发明专利]高温摄像镜头的光学系统

说明书

本发明是对高温摄像镜头中光学系统的改进，属于光学设计技术领域。

在冶炼炉、加热炉和玻璃熔融炉等高温炉的炉壁上通常设置有摄像镜头，以便实时观测和监控炉内的工况，由于炉内高温对镜头的影响，需要对摄像镜头的设置采取许多措施，诸如镜头的设置位置、镜头外周的冷却系统、镜框及光学系统耐高温的性能等等，本发明所涉及的就是镜头光学系统的性能。通常这类镜头的视场角很大、焦距很短，所以限定了这类镜头光学系统的结构总长，而由于高温炉炉壁很厚(0.5～1米)，使这类单次或二次成像的光学系统所制成的镜头无法适应炉壁的厚度，其镜头末端不能伸出炉壁外侧，而使镜头完全被包埋在炉壁中，甚至使焦平面的探测器也被包在其中，这不仅要求整个光学系统包括探测器都需具有更好的耐高温性能，增加了成本，且使探测器的更换使用不便，更重要的是使探测器的噪声增大，从而使成像质量受到影响。

本发明的目的就是设计一种高温环境使用的光学系统，使其结构长度能适应炉壁厚度，并保证有较好的成像质量，且使光学系统的结构有伸缩性能。

本发明所设计的高温摄像镜头的光学系统是按结构总长大于其焦距百倍以上的设计方法实现，所述光学系统的结构依次排列为，孔径光阑、前组广角镜、中继镜组及焦平面的探测器，要求镜片材料的折射率温度系数小于3×10^-6/℃，并要求前组端系统镜片材料的转变温度不低于580℃，另一端的转变温度不低于450℃；其中中继镜组可以是二级中继结构，即可以有二组中继镜组。若采用二组中继镜组结构，其前中继镜组由前端的准直镜组和后端的成像镜组构成，两者之间的距离在一定范围内能够伸缩调整，不影响成像。

由上述可以看出，本发明由于采用二级中继结构，使得结构总长在焦距的百倍以上，同时镜片材料的折射率温度系数尽量小，且材料的转变温度有差异，从而实现象差的匹配，保证系统的成像质量，并且本发明的结构总长足以使焦平面的探测器设置在炉壁之外，另外系统结构的伸缩性能使其适应各种厚度的炉壁，也使其能大批生产、降低成本。

以下结合附图详细说明本发明技术方案的实施情况。

附图1为本发明所设计高温摄像镜头光学系统的原理示意图；附图2为本发明一种设计实例的结构示意图；图中1为孔径光阑，2为前组广角镜，3为前中继镜组，4为后中继镜组，5为焦平面探测器；附图3为按本发明实例制作的光学系统的调制传递函数(MTF)曲线图；附图4为图2实例的结构参数和透镜材料的列表。

参见附图2，所设计的光学系统由孔径光阑和12片光学透镜及焦平面探测器组成，其中前组广角镜由前四片透镜构成；前中继镜组由中部的四片透镜构成，其前二片构成准直镜组，后二片胶合在一起构成成像镜组；而后中继镜组由两组分别胶合在一起的四片透镜构成。现设该光学系统的参数为：焦距5.35mm，视场角60°，相对孔径1∶4.8，系统结构总长800～1100mm可调，在可见光谱段工作，那么该光学系统的结构参数和透镜选择材料参见附图4，图4的表中r为系统透镜21个面的曲率半径，d为系统透镜21个面的轴上间隔，当然其中的胶合面为一个面，玻璃材料为所对应透镜的材料名称；从表中可以看出，在准直镜组(第5和第6片透镜)与成像镜组(第7和第8片透镜)之间的间隔d₁₂为200～500mm可调。按照前述参数和图4及图2中的结构参数和材料及要求制出的光学系统的调制传递函数(MTF)曲线见附图3，可以看出，各视场的MTF都接近理论衍射极限，设计实例的成像质量是很好的。

当然，对选用材料的要求除折射率温度系数外，还要求线膨胀系数尽量小。