CN102590990B - 三组元中波红外30倍连续变焦光学系统 - Google Patents
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Abstract
三组元中波红外30倍连续变焦光学系统，从物侧到像侧依次由正光焦度的前固定透镜组、负光焦度的变焦Ⅰ透镜组、正光焦度的补偿透镜组、正光焦度的后固定透镜组、第一反射镜、正光焦度的变焦Ⅱ透镜组、负光焦度的二次成像固定透镜组、第二反射镜和正光焦度的三次成像透镜组组成。本发明采用三组元变焦、三次成像技术，应用于制冷型640×512元15μm或320×240元30μm凝视型焦平面探测器，实现了30倍的大变倍比，焦距在25～750mm范围内连续可变，由长焦750mm变焦到短焦25mm时，变焦Ⅰ透镜组的最大行程小于71mm，光学系统F数为4恒定不变，能实现100％的冷光阑效率。
Description
技术领域
本发明属于光学成像技术领域，具体涉及一种三组元红外连续变焦光学系统。
背景技术
红外连续变焦光学系统的焦距在一定范围内连续改变时，像面稳定并且能保持良好的像质。像面景物的大小连续可变，能达到定焦镜头和多档变焦镜头无法达到的视觉效果，从而实现大视场搜索目标，小视场仔细观察目标的目的。
目前国内对于中波红外连续变焦光学系统的研究已有文献报道，但多为采用320×240元焦平面阵列探测器的设计，且长焦焦距不大于500mm，变倍比均小于20倍。例如：杨为锦“中波红外连续变焦系统设计”，基于制冷型320×240凝视焦平面阵列探测器，设计了一套高变倍比(18倍)中波红外连续变焦光学系统，实现了11～200mm的连续变焦(《中国光学与应用光学》2010，03(2))。郜洪云“中波红外连续变焦光学系统”，针对制冷型320×240元凝视焦平面阵列探测器，设计了一个中波红外连续变焦光学系统。该系统可以实现50～500mm的连续变焦(《光学精密工程》2007，15(7))。陈吕吉“紧凑中波红外连续变焦光学系统设计”，针对制冷型320×240凝视焦平面探测器，实现27.5～458mm连续变焦(《红外技术》2010，32(10))。张良“中波红外变焦距系统的光学设计”，介绍了一种制冷型320×240凝视型焦平面阵列探测器的中波红外变焦光学系统的设计，该系统变焦范围13～275mm(《应用光学》2006，27(1))。对于采用640×512元凝视焦平面阵列探测器的设计，公开的文献有：中国电子科技集团公司第十一研究所“一种中波红外连续变焦镜头”的专利，该发明公开了一种能够应用于640×512元25μm制冷型中波探测器，焦距范围50～500mm，变倍比为10倍，移动透镜组行程最大为123mm的中波红外连续变焦镜头，但该专利的缺点是：由于移动组最大行程过长，因此增加了视场切换时间，增大了保证宽、窄视场重合精度的难度。
国外对30倍中波红外连续变焦系统的设计已有少量文献报道，但系统F数均大于4。如Yoram Aron等报道的30倍连续变焦系统和Mark C.Sanson等报道的30倍连续变焦系统，光学系统F/#分别为4.7和4.5。然而，国内中波红外制冷型探测器F数要求不大于4，因此不能满足国内现阶段探测器的应用需求。
发明内容
为了解决国内现有技术存在的变倍比小于20倍，长焦焦距小于500mm，移动组最大行程较长；国外30倍光学系统F数大于4，应用国内探测器存在局限性等问题，本发明提供一种可应用于制冷型640×512元15μm或320×240元30μm凝视型焦平面探测器，具有恒定F数4的中波红外30倍连续变焦光学系统。该系统采用三组元变焦、三次成像技术实现了焦距在25～750mm范围内的连续可变，由长焦750mm变焦到短焦25mm时，变焦Ⅰ透镜组、补偿透镜组和变焦Ⅱ透镜组的移动行程分别为70.85mm、33.38mm和16.29mm，并实现100％的冷光阑效率。
本发明所述的三组元中波红外30倍连续变焦光学系统的技术方案是：从物侧到像侧依次由前固定透镜组、变焦Ⅰ透镜组、补偿透镜组、后固定透镜组、第一反射镜、变焦Ⅱ透镜组、二次成像固定透镜组、第二反射镜和三次成像透镜组成，七组透镜的光焦度分配依次为正、负、正、正、正、负、正的结构。其中，前固定透镜组为一个凸面朝向物侧的弯月形硅正透镜，用于会聚收光，三组元中波红外连续变焦光学系统的焦距F0、三组元中波红外连续变焦光学系统的一次成像焦距Fone、三组元中波红外连续变焦光学系统的二次成像焦距Ftwo与前固定透镜组的焦距F1之间，满足如下关系：0.13＜F0/F1＜4.12，0.15＜Fone/F1＜1.5，0.08＜Ftwo/F1＜2.45；变焦Ⅰ透镜组为一个双凹形锗负透镜，用于改变所述的三组元中波红外连续变焦光学系统的焦距和改变变倍倍率；补偿透镜组为一个双凸形硅正透镜，用于补偿所述的三组元中波红外连续变焦光学系统在变焦过程中的像面位置的偏移；后固定透镜组为一个凸面朝向物侧的弯月形硒化锌正透镜；变焦Ⅱ透镜组包括一个双凸形硅正透镜和一个双凹形锗负透镜，用于改变二次成像组的倍率，同时可进行调焦与温度补偿；二次成像固定透镜组为一个凸面朝向第一反射镜的弯月形锗负透镜；三次成像透镜组包括一个凸面朝向第二反射镜的弯月形硅正透镜和两个凸面朝向第二反射镜的弯月形锗负透镜。变焦Ⅰ透镜组、补偿透镜组和变焦Ⅱ透镜组中有非球面，三次成像透镜组中有一面为非球面叠加衍射面。第一反射镜位于后固定透镜组和变焦Ⅱ透镜组之间，第二反射镜位于二次成像固定透镜组和三次成像透镜组之间，第一反射镜和第二反射镜用于对光路进行折叠，从而缩短光学系统横向尺寸，使光学系统结构紧凑。
本发明的有益效果为：光学系统具有30倍的大变倍比，变焦组最大行程小于71mm，系统F数为4恒定不变，结构紧凑、变焦轨迹平滑、在25～750mm焦距范围内成像质量优良的优点。
附图说明
图1为本发明的光学系统在长焦(F＝750mm)位置的示意图；
图2为本发明的光学系统在中焦(F＝320mm)位置的示意图；
图3为本发明的光学系统在短焦(F＝25mm)位置的示意图；
图4为本发明的光学系统中，变焦透镜组运动轨迹图；
图5至图7为本发明的光学系统在长焦(F＝750mm)位置的成像光学仿真数据图；
图8至图10为本发明的光学系统在中焦(F＝320mm)位置的成像光学仿真数据图；
图11至图13为本发明的光学系统在短焦(F＝25mm)位置的成像光学仿真数据图。
图中，110.前固定透镜组，120.变焦Ⅰ透镜组，130.补偿透镜组，140.后固定透镜组，150.第一反射镜，160.变焦Ⅱ透镜组，162.第五透镜，164.第六透镜，170.二次成像固定透镜组，180.第二反射镜，190.三次成像透镜组，192.第八透镜，194.第九透镜，196.第十透镜，200.物侧端，210.像侧端，S1～S22.指示各镜片的表面。
具体实施方式
以下结合附图，通过实施例对本发明做进一步详细说明。
该实施例是本发明应用于制冷型640×512元15μm或320×240元30μm凝视型焦平面探测器的例子。
图1、图2、图3分别是本发明所述的三组元中波红外30倍连续变焦光学系统在长焦、中焦、短焦位置的示意图。本发明由正光焦度的前固定透镜组110、负光焦度的变焦Ⅰ透镜组120、正光焦度的补偿透镜组130、正光焦度的后固定透镜组140、第一反射镜150、正光焦度的变焦Ⅱ透镜组160、负光焦度的二次成像固定透镜组170、第二反射镜180和正光焦度的三次成像透镜组190组成。
其中，前固定透镜组110为一凸面朝向物侧的弯月形硅正透镜，三组元中波红外连续变焦光学系统的焦距F0，三组元中波红外连续变焦光学系统的一次成像焦距Fone，三组元中波红外连续变焦光学系统的二次成像焦距Ftwo与前固定透镜组的焦距F1之间，满足如下关系：0.13＜F0/F1＜4.12，0.15＜Fone/F1＜1.5，0.08＜Ftwo/F1＜2.45。变焦Ⅰ透镜组120由一双凹形锗负透镜构成，用于改变所述的三组元中波红外30倍连续变焦光学系统的焦距，改变变倍倍率。补偿透镜组130由一双凸形硅正透镜构成，用于补偿所述的三组元中波红外30倍连续变焦光学系统在变焦过程中的像面位置的偏移。后固定透镜组140由一凸面朝向物侧的弯月形硒化锌正透镜构成，其作用是将物侧景物会聚成成像系统的一次实像。第一反射镜150成45度放置于后固定透镜组140后，其作用是减小光路的横向尺寸。光学系统的一次实像成像在后固定透镜组140和第一反射镜150之间。变焦Ⅱ透镜组160包括具有正光焦度的第五透镜162和具有负光焦度的第六透镜164，第五透镜162为双凸形硅正透镜，第六透镜164为双凹形锗负透镜，其作用是改变二次成像组的倍率，同时可进行调焦与温度补偿。二次成像固定透镜组170由一凸面朝向第五透镜162的弯月形锗负透镜构成，其作用是将一次像面聚焦于二次像面。第二反射镜180成45度放置于二次成像固定透镜组170后，其作用是折转光路。光学系统的二次实像成像在二次成像固定透镜组170和第二反射镜180之间。三次成像透镜组190包括具有正光焦度的第八透镜192、具有负光焦度的第九透镜194和具有负光焦度的第十透镜196。第八透镜192为凸面朝向第二反射镜的弯月形硅正透镜，第九透镜194为凸面朝向第二反射镜的弯月形锗负透镜，第十透镜196为凸面朝向第二反射镜的弯月形锗负透镜。
当变焦镜头的倍率从长焦端调整到短焦端时，变焦Ⅰ透镜组120沿光轴向物侧端200移动，变焦Ⅱ透镜组160沿光轴向二次成像固定透镜组170移动，同时，补偿透镜组130沿光轴向后固定组透镜140移动，其作用是补偿变焦Ⅰ透镜组120和变焦Ⅱ透镜组160移动引起的像面移动。图4为光学系统光路中不加第一反射镜150和第二反射镜180时，变焦Ⅰ透镜组120、补偿透镜组130、变焦Ⅱ透镜组160相对于前固定透镜组110的位置变化曲线图。从4中可以看出，焦距＝750mm时，变焦Ⅰ透镜组120位置为105.91mm，补偿透镜组130位置为109.97mm，变焦Ⅱ透镜组160位置为246.43mm；在焦距EFL＝600.73mm时，变焦Ⅰ透镜组120位置为103.96mm，补偿透镜组130位置为110.65mm，变焦Ⅱ透镜组160位置为250.34mm；在焦距EFL＝494.11mm时，变焦Ⅰ透镜组120位置为101.37mm，补偿透镜组130位置为111.39mm，变焦Ⅱ透镜组160位置为252.70mm；在焦距EFL＝408.82mm时，变焦Ⅰ透镜组120位置为98.40mm，补偿透镜组130位置为111.93mm，变焦Ⅱ透镜组160位置为254.55mm；在焦距EFL＝320mm时，变焦Ⅰ透镜组120位置为94.43mm，补偿透镜组130位置为112.31mm，变焦Ⅱ透镜组160位置为256.81mm；在焦距EFL＝195.59mm时，变焦Ⅰ透镜组120位置为88.51mm，补偿透镜组130位置为115.82mm，变焦Ⅱ透镜组160位置为260.40mm；在焦距EFL＝110.29mm时，变焦Ⅰ透镜组120位置为81.94mm，补偿透镜组130位置为125.72mm，变焦Ⅱ透镜组160位置为262.68mm；在焦距EFL＝25mm时，变焦Ⅰ透镜组120位置为35.05mm，补偿透镜组130位置为143.34mm，变焦Ⅱ透镜组160位置为264.40mm。
为提高像质，改善温度变化对像质的影响，变焦Ⅰ透镜组120、补偿透镜组130和变焦Ⅱ透镜组160中的第六透镜164均采用高次非球面。三次成像透镜组190中的第十透镜196采用了非球面叠加衍射面。
本发明实施中，避免了在口径较大的前固定透镜组110上引入非球面，避免了在硅透镜上加非球面和衍射面，且非球面度均小于0.15mm，易于光学加工制造，精度易于保证，因此最大程度降低了生产成本。
表一：本发明三组元中波红外30倍连续变焦光学系统的优选实施例。
表一中，Sn代表各镜片的表面序号。曲率半径是指每个表面的曲率半径，间距是指两相邻表面的距离，表面S1的间距，是指表面S1至表面S2间的距离，其余相同。玻璃材料及备注栏分别是透镜的所用的材料及透镜编号。
表二：镜片表面S3、S5、S12、S21的非球面系数。
| 表面序号 | K | A | B | C | D |
| S3 | 0 | 2.7466×10-07 | 2.9406×10-12 | -1.7260×10-14 | 6.7875×10-18 |
| S5 | 0 | -2.5204×10-07 | 1.2109×10-11 | 9.4664×10-15 | -3.7261×10-18 |
| S12 | 0 | 8.7104×10-07 | -9.1909×10-10 | 2.7558×10-13 | 1.9938×10-16 |
| S21 | 0 | -1.1787×10-05 | -6.7220×10-08 | 1.1423×10-10 | -4.1997×10-13 |
偶次非球面方程定义如下：
表三：镜片表面S21的衍射面系数。
| 表面序号 | 衍射级次 | 中心波长 | C1 | C2 | C3 |
| S21 | 1 | 4.2 | -1×10-04 | 4.0928×10-07 | 5.0868×10-09 |
表三中，C1、C2、C3分别为衍射面2次项、4次项、6次项系数。
表四：本实施例在长焦、中焦、短焦时的一些重要参数值。
表四中，包括有效焦距、F数、视场角及可变间距T1、T2、T3、T4、T5。
由于本实施例仅采用四个非球面及一个衍射面就达到了良好的成像质量，且工艺性好，达到了降低成本和简化镜头的功效。
图5至图7为本发明的光学系统在长焦(F＝750mm)位置的成像光学仿真数据图，从图中可以看出其长焦端的MTF、场曲、畸变及弥散斑均方根值均在标准的范围内。
图8至图10为本发明的光学系统在中焦(F＝320mm)位置的成像光学仿真数据图，从图中可以看出其中焦端的MTF、场曲、畸变及弥散斑均方根值均在标准的范围内。
图11至图13为本发明的光学系统在短焦(F＝25mm)位置的成像光学仿真数据图，从图中可以看出其短焦端的MTF、场曲、畸变及弥散斑均方根值均在标准的范围内。
由此可见，本发明三组元中波红外30倍连续变焦光学系统在全焦距范围内均有良好的成像质量。
Claims (2)
1.三组元中波红外30倍连续变焦光学系统，其特征在于：从物侧到像侧依次由正光焦度的前固定透镜组（110）、负光焦度的变焦Ⅰ透镜组（120）、正光焦度的补偿透镜组（130）、正光焦度的后固定透镜组（140）、第一反射镜（150）、正光焦度的变焦Ⅱ透镜组（160）、负光焦度的二次成像固定透镜组（170）、第二反射镜（180）和正光焦度的三次成像透镜组（190）组成，其中，前固定透镜组（110）为一个凸面朝向物侧的弯月形硅正透镜，三组元中波红外连续变焦光学系统的焦距F0，三组元中波红外连续变焦光学系统的一次成像焦距Fone，三组元中波红外连续变焦光学系统的二次成像焦距Ftwo与前固定透镜组的焦距F1之间，满足如下关系：0.13<F0/F1<4.12，0.15<Fone/F1<1.5，0.08<Ftwo/F1<2.45；变焦Ⅰ透镜组（120）由一个双凹形锗负透镜构成，用于改变所述的三组元中波红外30倍连续变焦光学系统的焦距，改变变倍倍率；补偿透镜组（130）由一个双凸形硅正透镜构成，用于补偿所述的三组元中波红外30倍连续变焦光学系统在变焦过程中的像面位置的偏移；后固定透镜组（140）由一个凸面朝向物侧的弯月形硒化锌正透镜构成，其作用是将物侧景物会聚成成像系统的一次实像；第一反射镜（150）成45度放置于后固定透镜组后，其作用是减小光路的横向尺寸，光学系统的一次实像成像在后固定透镜组和第一反射镜之间；变焦Ⅱ透镜组（160）包括具有正光焦度的第五透镜（162）和具有负光焦度的第六透镜（164），第五透镜为双凸形硅正透镜，第六透镜为双凹形锗负透镜，其作用是改变二次成像组的倍率，同时可进行调焦与温度补偿；二次成像固定透镜组（170）由一个凸面朝向第五透镜的弯月形锗负透镜构成，其作用是将一次像面聚焦于二次像面；第二反射镜（180）成45度放置于二次成像固定透镜组后，其作用是折转光路；光学系统的二次实像成像在二次成像固定透镜组和第二反射镜之间；三次成像透镜组（190）包括具有正光焦度的第八透镜（192）、具有负光焦度的第九透镜（194）和具有负光焦度的第十透镜（196），第八透镜为凸面朝向第二反射镜的弯月形硅正透镜，第九透镜为凸面朝向第二反射镜的弯月形锗负透镜，第十透镜为凸面朝向第二反射镜的弯月形锗负透镜；变焦Ⅰ透镜组的物侧面（S3）、补偿透镜组的物侧面（S5）和变焦Ⅱ透镜组第六透镜的物侧面（S12）采用高次非球面，三次成像透镜组第十透镜的物侧面（S21）为非球面叠加衍射面。
2.根据权利要求1所述的三组元中波红外30倍连续变焦光学系统，其特征在于：具有30倍的大变倍比，焦距在25mm～750mm范围内连续可变，由长焦750mm变焦到短焦25mm时，变焦Ⅰ透镜组（120）、补偿透镜组（130）和变焦Ⅱ透镜组（160）的移动行程分别为70.85mm、33.38mm和16.29mm，光学系统F数为4恒定不变，具有100%的冷光阑效率。
3. 根据权利要求1所述的三组元中波红外30倍连续变焦光学系统，其特征在于：当变焦镜头的倍率从长焦端调整到短焦端时，变焦Ⅰ透镜组（120）沿光轴向物侧端（200）移动，变焦Ⅱ透镜组（160）沿光轴向二次成像固定透镜组（170）移动，同时，补偿透镜组（130）沿光轴向后固定组透镜（140）移动，其作用是补偿变焦Ⅰ透镜组和变焦Ⅱ透镜组移动引起的像面移动。
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