CN102590991A - U型折叠式中波红外30倍连续变焦光学系统 - Google Patents

Abstract

U型折叠式中波红外30倍连续变焦光学系统，从物侧到像侧依次由前固定组、变倍组、补偿组、后固定组、第一反射镜、二次成像组、第二反射镜和三次成像组组成，光焦度分配依次为正、负、正、负、正、正的结构。本发明采用二组元变焦原理、三次成像技术，焦距在23mm～701mm范围内连续可变，变倍组行程194mm，补偿组行程39mm，实现了30倍连续变焦且系统光学总长仅为559mm，总长/焦距比为0.79，系统整体外形尺寸为345mm×176mm×224mm(长×宽×高)，光学系统F数为4恒定不变，具有大变倍比、光学总长小、整个变焦轨迹平滑、在全焦距范围内成像质量优良像的优点。

Description

U型折叠式中波红外30倍连续变焦光学系统

技术领域

本发明属于光学技术领域，尤其涉及应用于中波制冷型红外焦平面探测器的U型折叠式中波红外30倍连续变焦光学系统。

背景技术

红外变焦成像系统分为连续变焦和定档变焦两种，连续变焦的红外光学系统用于机载光电侦察系统，既能为飞行员在巡航和搜索时提供最好的态势了解，又能在发现目标时，调到小视场瞄准跟踪。

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，如：许照东“机载高分辨率连续变焦红外热像仪设计”，针对中波640×512元红外焦平面探测器设计了一套1∶20小型高分辨率连续变焦热像仪，可用于机载光电探测和跟踪系统(《红外与激光工程》2007，36(5))。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，用于机载光电探测和跟踪设备，该系统由变焦物镜系统、二次成像系统和两个反射镜构成，介绍了二次成像系统光瞳衔接的方法，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”，针对制冷式320×240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，该系统由变焦物镜系统和二次成像系统构成，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))。尹娜“中波红外连续变焦光学系统设计”，针对中波红外制冷式凝视焦平面阵列探测器，设计了机械补偿5倍连续变焦光学系统，该系统工作波段3～5μm，F#为2.0，变焦范围30～150mm(《红外技术》2009，31(12))。张良“中波红外变焦距系统的光学设计”，介绍了一种采用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，该系统利用了反射镜的折叠光路，其工作波长范围为3～5μm，变倍比为1∶20(《应用光学》2006，27(1))。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”，该发明公开了一种能够应用于640×512元或更大面阵制冷型中波探测器，变倍比为10倍中波红外连续变焦镜头。专利“三组元中波红外30倍连续变焦光学系统”虽然同为30倍，但通过三组元进行变焦，系统就需要三个电机进行带动，而且第三组是两片透镜，这样增加了电机的负担，影响精度，增加了装调的难度，增加了生产成本。专利“超短中波红外30倍连续变焦光学系统”虽为两组元变焦，但其焦距较短，且该系统为直桶式，结构不够紧凑，该系统的变倍组为两片透镜，补偿组为三片透镜，这无疑增加了电机的负担。“Topaz-A novel design of a high magnification，athermalized 1∶30 zoomin the MWIR”(SPIE，Bellingham，WA，2004)，此文也介绍了一种三组元变倍的，变倍比为1∶30的中波红外光学系统，该系统F数偏小，为4.7，三组元就需要三个电机，这样增加了电机的负担，影响精度，增加了装调的难度。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，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提供一种恒定F数为4的中波红外30倍连续变焦光学系统，采用二组元变焦、三次成像技术实现焦距在23mm～701mm范围内的连续可变，并实现100％的冷光阑效率。

本发明所述的U型折叠式中波红外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组、变倍组、补偿组、后固定组、第一反射镜、二次成像组、第二反射镜和三次成像组组成，光焦度分配依次为正、负、正、负、正、正的结构，其中，前固定组为一个凸面朝向物侧的弯月形硅正透镜，用于会聚收光，U型折叠式中波红外30倍连续变焦光学系统的焦距F0与所述前固定组的焦距F1满足如下关系：0.076＜F0/F1＜2.32；变倍组为一个双凹形锗负透镜，用于改变U型折叠式中波红外30倍连续变焦光学系统的焦距，改变变倍倍率；补偿组为一个双凸形硅正透镜，用于补偿所述的U型折叠式中波红外30倍连续变焦光学系统在变焦过程中的像面位置的偏移，变倍组和补偿组同时还起到温度补偿的作用；后固定组为一个凸面朝向物侧的弯月形硒化锌正透镜；第一反射镜位于后固定组和二次成像组之间；二次成像组包括一个双凸形硅正透镜、一个双凹形锗负透镜和一个双凸形硅正透镜；第二反射镜位于二次成像组和三次成像组之间；三次成像组包括一个凸面朝向像侧的弯月形锗正透镜、一个凸面朝向第二反射镜的弯月形硅正透镜和一个凸面朝向第二反射镜的弯月形锗负透镜。变倍组、补偿组和二次成像组中有非球面。三次成像组中有一面为非球面叠加衍射面。第一反射镜和第二反射镜用于对光路进行U型折叠，从而缩短光学系统横向尺寸。

本发明的有益效果为：采用二组元变焦原理、三次成像技术，变倍组行程194mm，补偿组行程39mm，实现了30倍连续变焦且系统光学总长仅为559mm，总长/焦距比为0.79，系统整体外形尺寸为345mm×176mm×224mm(长×宽×高)，具有大变倍比、光学总长小、整个变焦轨迹平滑、在全焦距范围内成像质量优良像的优点。

附图说明

图1为本发明的光学系统在焦距为701mm时的示意图；

图2为本发明的光学系统在焦距为350mm时的示意图；

图3为本发明的光学系统在焦距为23mm时的示意图；

图4至图6为本发明的光学系统在焦距为701mm时的成像光学仿真数据图；

图7至图9为本发明的光学系统在焦距为350mm时的成像光学仿真数据图；

图10至图12为本发明的光学系统在焦距为23mm时的成像光学仿真数据图。

图中，1.前固定组，11.第一透镜，2.变倍组，21.第二透镜，3.补偿组，31.第三透镜，4.后固定组，41.第四透镜，5.第一反射镜，6.二次成像组，61.第五透镜，62.第六透镜，63.第七透镜，7.第二反射镜，8.三次成像组，81.第八透镜，82.第九透镜，83.第十透镜，9.探测器保护窗口，10.冷光阑，12.探测器保护玻璃，13.像面。

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。

实施例一：

实施例一是本发明应用于制冷型640×512元15μm凝视型焦平面探测器的例子。

图1、图2、图3分别是本发明U型折叠式中波红外30倍连续变焦光学系统在焦距为701mm、350mm、23mm时的示意图。如图所示，光学系统从物侧到像侧依次由具有正光焦度的前固定组1，具有负光焦度的变倍组2，具有正光焦度的补偿组3，具有负光焦度的后固定组4，用于折转光路的第一反射镜5，具有正光焦度的二次成像组6，用于折转光路的第二反射镜7，具有正光焦度的三次成像组8组成，其中，前固定组1由第一透镜11一个透镜构成，是一凸面朝向物侧的弯月形硅正透镜，用于会聚收光，U型折叠式中波红外30倍连续变焦光学系统的焦距F0与所述第一透镜11的焦距F1满足如下关系：0.076＜F0/F1＜2.32；变倍组2由第二透镜21一个透镜构成，是一双凹形锗负透镜，用于改变U型折叠式中波红外30倍连续变焦光学系统的焦距，改变变倍倍率；补偿组3由第三透镜31一个透镜构成，是一双凸形硅正透镜，用于补偿所述的U型折叠式中波红外30倍连续变焦光学系统在变焦过程中的像面位置的偏移，变倍组2和补偿组3同时还起到温度补偿的作用；后固定组4由第四透镜41一个透镜构成，是一凸面朝向物侧的弯月形硒化锌正透镜，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5成45度放置于后固定组4和二次成像组6之间，其作用是减小折转光路，减小光路的横向尺寸，成像系统的一次实像在第一反射镜5和二次成像组6之间；二次成像组6由第五透镜61、第六透镜62、第七透镜63三个透镜构成，依次是双凸形硅正透镜、双凹形锗负透镜和双凸形硅正透镜，其作用是将一次像面聚焦于二次像面；第二反射镜7成45度放置于二次成像组6和三次成像组8之间，其作用是折转光路；三次成像组8由第八透镜81、第九透镜82、第十透镜83三个透镜构成，依次是凸面朝向像侧的弯月形锗正透镜、凸面朝向第二反射镜的弯月形硅正透镜和凸面朝向第二反射镜的弯月形锗负透镜；成像系统的二次实像在第二反射镜7和三次成像组8之间。

变倍组2和补偿组3能在前固定组1和后固定组4之间移动，具体来说，当需要将变焦镜头的倍率自长焦端调整到短焦端时，变倍组2向物侧移动，同时，补偿组3则向后固定组4一侧移动，从而补偿变倍组2移动引起的像面移动。

为提高像质，改善温度变化对像质的影响，变倍组2的第二透镜21、补偿组3的第三透镜31、二次成像组6中的第五透镜61、第七透镜63均采用高次非球面。三次成像组8中的第十透镜83采用了非球面叠加衍射面。本实施中，避免在口径较大的第一透镜11上引入非球面，避免在硅透镜上加衍射面，且非球面度均小于0.04mm，易于光学加工制造，精度易于保证，最大程度降低了生产成本。

表一：本发明U型折叠式中波红外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，即表面S1至表面S2间的距离，其余类推。玻璃材料及备注栏分别是该透镜的制作所用的材料及透镜编号。

表二：透镜表面S3、S5、S10、S14、S21的非球面系数，如图1至3所示。

表面序号	K	A	B	C	D
						S3	0	1.1596×10-07	-1.6584×10-11	2.8379×10-15	6.9627×10-19
S5	0	-1.6295×10-07	9.9826×10-12	4.2267×10-15	-1.6255×10-18
						S10	0	-1.3903×10-07	2.6902×10-09	-1.2123×10-12	-9.6466×10-17
S14	0	-1.7211×10-06	-2.0312×10-09	-1.6119×10-12	-2.5183×10-16
						S21	0	-6.0450×10-06	-1.5713×10-09	1.0214×10-11	-4.0423×10-14

偶次非球面方程定义如下：

$Z=\frac{{\mathrm{cy}}^2}{1+\sqrt{(1-(1+k)c^2{y}^2)}}+{\mathrm{Ay}}^4+{\mathrm{By}}^6+{\mathrm{Cy}}^8+{\mathrm{Dy}}^{10}+L$

表三：第十透镜表面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	-1.9465×10-04	3.1102×10-07	-2.6659×10-09

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、短焦端的一些重要参数值。

表四中，包括有效焦距、F数、视场角及可变问距T1、T2、T3。

本实施例仅采用五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4至图6为本发明的光学系统在焦距为701mm时的成像光学仿真数据图，从图中的图形曲线可以看出其焦距为701mm时的MTF、场曲、畸变及弥散斑均方根值均在标准的范围内。

图7至图9为本发明的光学系统在焦距为350mm时的成像光学仿真数据图，从图中的图形曲线可以看出其焦距为350mm的MTF、场曲、畸变及弥散斑均方根值均在标准的范围内。

图10至图12为本发明的光学系统在焦距为23mm时的成像光学仿真数据图，从图中的图形曲线可以看出其在焦距为23mm时的MTF、场曲、畸变及弥散斑均方根值均在标准的范围内。

由此实施例可见，本发明U型折叠式中波红外30倍连续变焦光学在全焦距范围内均有良好的成像质量。

实施例二：

实施例二是本发明应用于制冷型320×240元30μm凝视型焦平面探测器的例子，光学系统的结构、参数均与实施例一相同。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案。因此，尽管本说明书参照上述的实施例对本发明已进行了详细说明，但是，本领域的一般技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修该或等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.U型折叠式中波红外30倍连续变焦光学系统，其特征在于：从物侧到像侧依次由具有正光焦度的前固定组(1)，具有负光焦度的变倍组(2)，具有正光焦度的补偿组(3)，具有负光焦度的后固定组(4)，用于折转光路的第一反射镜(5)，具有正光焦度的二次成像组(6)，用于折转光路的第二反射镜(7)，具有正光焦度的三次成像组(8)组成，其中，前固定组(1)由第一透镜(11)一个透镜构成，是凸面朝向物侧的弯月形硅正透镜，用于会聚收光，U型折叠式中波红外30倍连续变焦光学系统的焦距F0与所述第一透镜的焦距F1满足如下关系：0.076＜F0/F1＜2.32；变倍组(2)由第二透镜(21)一个透镜构成，是双凹形锗负透镜，用于改变U型折叠式中波红外30倍连续变焦光学系统的焦距，改变变倍倍率；补偿组(3)由第三透镜(31)一个透镜构成，是双凸形硅正透镜，用于补偿所述的U型折叠式中波红外30倍连续变焦光学系统在变焦过程中的像面位置的偏移，变倍组和补偿组同时还起到温度补偿的作用；后固定组(4)由第四透镜(41)一个透镜构成，是凸面朝向物侧的弯月形硒化锌正透镜，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(5)成45度放置于后固定组和二次成像组之间，其作用是减小折转光路，减小光路的横向尺寸，成像系统的一次实像在第一反射镜和二次成像组之间；二次成像组(6)由第五透镜(61)、第六透镜(62)、第七透镜(63)三个透镜构成，依次是双凸形硅正透镜、双凹形锗负透镜和双凸形硅正透镜，其作用是将一次像面聚焦于二次像面；第二反射镜(7)成45度放置于二次成像组和三次成像组(8)之间，其作用是折转光路；三次成像组(8)由第八透镜(81)、第九透镜(82)、第十透镜(83)三个透镜构成，依次是凸面朝向像侧的弯月形锗正透镜、凸面朝向第二反射镜的弯月形硅正透镜和凸面朝向第二反射镜的弯月形锗负透镜；成像系统的二次实像在第二反射镜和三次成像组之间。变倍组第二透镜的表面S3、补偿组第三透镜的表面S5、二次成像组第五透镜的表面S10、第七透镜的表面S14均采用高次非球面。三次成像组第十透镜的表面S21采用了非球面叠加衍射面。

2.根据权利要求1所述的U型折叠式中波红外30倍连续变焦光学系统，其特征在于：焦距在23mm～701mm范围内连续可变，变倍组(2)行程194mm，补偿组(3)行程39mm，光学系统30倍连续变焦且其光学总长为559mm，总长/焦距比为0.79，光学系统整体外形尺寸为345mm×176mm×224mm，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U型折叠式中波红外30倍连续变焦光学系统，其特征在于：变倍组(2)和补偿组(3)能在前固定组(1)和后固定组(4)之间移动，当将光学系统的倍率自长焦端调整到短焦端时，变倍组(2)向物侧移动，同时，补偿组(3)则向后固定组(4)一侧移动，从而补偿变倍组(2)移动引起的像面移动。

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