CN102608734A - 无后固定组中波红外30倍连续变焦光学系统 - Google Patents

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无后固定组中波红外30倍连续变焦光学系统，从物侧到像侧依次由变焦物镜和中继组组成；变焦物镜由前固定组透镜、变倍组和补偿组组成，三组透镜的光焦度分配依次为正、负、正的结构，通过变倍组和补偿组的轴向移动实现变焦功能；中继组由四片透镜组成，第一片为双凸硅正透镜，第二、第三片为朝向像侧的弯月形锗负透镜，第四片为凸面朝向像侧的硒化锌正透镜，用于实现变焦过程中的像中继和稳定像面。本发明采用二组元、无后固定组机械补偿变焦，二次成像技术，实现了30倍的大变倍比，焦距在17.5mm～525mm范围内连续可变，变倍组行程最大为106mm，补偿组行程最大为50mm，系统光学总长350mm，实现100％的冷光阑效率。

Description

无后固定组中波红外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无后固定组中波红外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极佳的态势感知，又能在发现目标时，调到小视场瞄准、跟踪。在视场转换过程中能够保持图像的连续性，对搜索和跟踪高速运动目标非常有利。连续变焦解决了定档变焦中两档与多档镜头在视场切换的时间间隔内对快速运动的目标丢失这一缺陷，因此，连续变焦光学系统广泛应用于机载光电侦察设备中。
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，但在大于20倍的系统中多针对320×240凝视焦平面阵列探测器，分辨率较低。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11mm～200mm的连续变焦(《中国光学与应用光学》2010，03(2))。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27.5mm～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13mm～275mm(《应用光学》2006，27(1))。在国内针对640×512凝视焦平面阵列探测器的中波红外连续变焦系统中，南京航空航天大学信息科学与技术学院，中国一航光电所，中国航天二院25所许照东，刘欣，尉钟等发表了“采用640×512元探测器的机载红外系统设计”，针对中波640×512元红外焦平面凝视探测器设计了一套1∶20，焦距范围14mm～280mm小型高分辨率连续变焦红外系统。其系统焦距较小，探测距离较近。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。
国外的连续变焦光学系统大于30倍的系统也较少。Yoram Aron等人设计了一种针对制冷型中波红外探测器的30倍连续变焦光学系统，其光学系统采用三组元移动、三次成像实现连续变焦，焦距范围23～701mm，系统F数4.7，其系统采用三组元移动实现变焦，机构较复杂，且目前国内很难采购F数4以上的探测器。Mark C.Sanson等人设计了一款大变倍比中波红外连续变焦光学系统，其光学系统采用二组元变焦，二次成像技术，焦距范围15.2～456mm，系统F数4.5，使用了11片玻璃，其中8片非球面和一个衍射面，设计针对的探测器国内难以采购，且部分材料国内批量生产和采购困难。
发明内容
为了解决国内现有技术存在的变倍比小于20倍，移动组行程较长；国外中波红外30倍光学系统F数大于4，国内探测器应用存在局限性和部分材料采购困难等问题，本发明提供一种可应用于制冷型320×256元30μm或640×512元15μm凝视型焦平面探测器，具有恒定F数为4的无后固定组中波红外30倍连续变焦光学系统。该系统采用二组元、无后固定组机械补偿理论变焦，二次成像技术，仅使用硅、锗，硒化锌三种国内常用材料，实现了焦距在17.5mm～525mm范围内的连续可变，变倍组行程最大为106mm，补偿组行程最大为50mm，系统光学总长350mm，并实现100％的冷光阑效率。
本发明所述的无后固定组中波红外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变焦物镜和中继组组成。变焦物镜由前固定组透镜、变倍组和补偿组组成，三组透镜的光焦度分配依次为正、负、正的结构，通过变倍组和补偿组的轴向移动来实现所述无后固定组中波红外30倍连续变焦光学系统的变焦功能，其中，前固定组透镜为一个凸面朝向物侧的弯月形硅正透镜，用于会聚收光，无后固定组中波红外30倍连续变焦光学系统的焦距F0、无后固定组中波红外30倍连续变焦光学系统的一次成像焦距Fone与前固定组透镜的焦距F1之间，满足如下关系：0.0861＜F0/F1＜2.5857，0.0753＜Fone/F1＜2.2617；变倍组由第二透镜和第三透镜组成，第二透镜为一个凸面朝向物侧一个表面接近平面的弯月形锗正透镜，第三透镜为双凹锗负透镜，变倍组在前固定组透镜和补偿组之间轴向移动以改变所述无后固定组中波红外30倍连续变焦光学系统的焦距，改变变倍倍率，同时可以利用该组的轴向微量移动实现所述无后固定组中波红外30倍连续变焦光学系统的温度补偿；补偿组由第四、第五和第六透镜组成，第四透镜为双凸正透镜，第五透镜为凸面朝向物侧的弯月形硅正透镜，第六透镜为凸面朝向物侧的弯月形锗负透镜，补偿组在变倍组和中继组之间轴向移动，用于补偿所述无后固定组中波红外30倍连续变焦光学系统在变焦过程中的像面位置的移动。中继组由第七、第八、第九和第十透镜组成，第七透镜为双凸硅正透镜，第八、第九透镜为朝向像侧的弯月形锗负透镜，第十透镜为凸面朝向像侧的硒化锌正透镜，用于实现所述无后固定组中波红外30倍连续变焦光学系统在变焦过程中的像中继和稳定像面。前固定组透镜、变倍组、补偿组中有非球面，中继组中有一面为非球面叠加衍射面。
本发明的有益效果为：采用二组元、无后固定组机械补偿变焦原理，二次成像技术，具有恒定F数4，变倍组透镜行程106mm，补偿组透镜行程50mm，实现了30倍连续变焦，系统光学总长仅为350mm，具有大变倍比、光学总长短、变焦行程短、结构紧凑、变焦轨迹平滑、成像质量优良、易于光学加工制造的优点。
附图说明
图1为本发明无后固定组中波红外30倍连续变焦光学系统在长焦(F＝525mm)位置的示意图；
图2为本发明无后固定组中波红外30倍连续变焦光学系统在中焦(F＝300mm)位置的示意图；
图3为本发明无后固定组中波红外30倍连续变焦光学系统在短焦(F＝17.5mm)位置的示意图；
图4至图6为本发明无后固定组中波红外30倍连续变焦光学系统在长焦(F＝525mm)位置的成像光学仿真数据图；
图7至图9为本发明无后固定组中波红外30倍连续变焦光学系统在中焦(F＝300mm)位置的成像光学仿真数据图；
图10至图12为本发明无后固定组中波红外30倍连续变焦光学系统在短焦(F＝17.5mm)位置的成像光学仿真数据图；
图中，1.变焦物镜，110.前固定组透镜，120.变倍组，122.第二透镜，124.第三透镜，130.补偿组，132.第四透镜，134.第五透镜，136.第六透镜，2.中继组，21.第七透镜，22.第八透镜，23.第九透镜，24.第十透镜，3.光阑，O.物侧，I.像侧，S1～S20.表示各镜片的表面。
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320×256元30μm或640×512元15μm凝视型焦平面探测器的例子。
图1、图2、图3分别是本发明所述无后固定组中波红外30倍连续变焦光学系统在长焦焦距525mm、中焦焦距300mm、短焦焦距17.5mm位置的光学系统示意图。从物侧O到像侧I依次由变焦物镜1和中继组2组成。变焦物镜1由前固定组透镜110、变倍组120和补偿组130组成，这三组透镜的光焦度分配依次为正、负、正的结构，变焦物镜依靠变倍组和补偿组的轴向移动来实现所述无后固定组中波红外30倍连续变焦光学系统的变焦功能，其中，前固定组透镜110为一个凸面朝向物侧的弯月形硅正透镜，用于会聚收光，无后固定组中波红外30倍连续变焦光学系统的焦距F0、无后固定组中波红外30倍连续变焦光学系统的一次成像焦距Fone与前固定组透镜的焦距F1之间，满足如下关系：0.0861＜F0/F1＜2.5857，0.0753＜Fone/F1＜2.2617；变倍组120由具有正光焦度的第二透镜122和具有负光焦度的第三透镜124组成，第二透镜为凸面弯向物侧、凹面接近平面并凹向物侧的锗正透镜，第三透镜为双凹形锗负透镜，变倍组在前固定组透镜和补偿组之间轴向移动以改变所述无后固定组中波红外30倍连续变焦光学系统的焦距，改变变倍倍率，同时可以利用该组的轴向微量移动实现所述无后固定组中波红外30倍连续变焦光学系统的温度补偿；补偿组130由具有正光焦度的第四透镜132、具有正光焦度的第五透镜134和具有负光焦度的第六透镜136组成，第四透镜132为双凸硅正透镜，第五透镜134为凸面朝向物侧的弯月形硅正透镜，第六透镜136为凸面朝向物侧的弯月形锗负透镜，补偿组在变倍组和中继组之间轴向移动，用于补偿所述无后固定组中波红外30倍连续变焦光学系统在变焦过程中的像面位置的偏移；中继组2由具有正光焦度的第七透镜21、具有负光焦度的第八透镜22、具有负光焦度的第九透镜23和具有正光焦度的第十透镜24组成，第七透镜为双凸型硅正透镜，第八透镜为凸面朝向像侧的弯月形锗负透镜，第九透镜为凸面朝向像侧的弯月形锗负透镜，第十透镜为凸面朝向像侧的弯月形硒化锌正透镜，中继组的作用是一次成像面中继成像到像方位置，保证100％冷光阑效率。
本实施例避免了在硅透镜上加衍射面，且所有非球面的非球面度均小于0.1mm，易于光学加工制造，精度易于保证。
表一：本发明无后固定组中波红外30倍连续变焦光学系统的优选实施例。
Figure BDA0000148851980000051
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，即指表面S1至表面S2间的距离，其余相同。玻璃材料是指透镜所用的材料。备注栏为附图中标示的单件或者组件的图标。
表二：镜片表面S2、S3、S11、S19的非球面系数。
  表面序号   K   A   B   C   D
  S2   0   1.846×10-09   5.2464×10-14   -9.2534×10-18   8.4895×10-22
  S3   0   2.9196×10-07   4.5784×10-11   7.449×10-15   7.7527×10-18
  S11   0   -3.3416×10-07   -7.6662×10-11   -2.9636×10-13   3.5757×10-16
  S19   0   -4.4706×10-05   1.4419×10-07   -8.6921×10-10   4.465×10-12
偶次非球面方程定义如下：
Z = cy 2 1 + ( 1 - ( 1 + k ) c 2 y 2 ) + Ay 4 + By 6 + Cy 8 + Dy 10 + L
表三：镜片表面S19的衍射面系数。
  表面序号   衍射级次   中心波长   C1   C2   C3
  S19   1   4um   -0.000556   -2.761×10-6   -4.063×10-8
其中，C1、C2、C3分别为衍射面2次项、4次项、6次项系数。
表四：本实施例变焦光学系统在长焦、中焦、短焦端的一些重要参数值。
Figure BDA0000148851980000062
表四中，包括有效焦距、F数、视场角及可变间距T1、T2、T3。
本实施例采用四个非球面及一个衍射面就达到了良好的成像质量。
图4至图6为本发明无后固定组中波红外30倍连续变焦光学系统在焦距为525mm时的成像光学仿真数据图，从图形曲线可以看出其长焦端的MTF、场曲、畸变及弥散斑均方根值均达到使用要求。
图7至图9为本发明无后固定组中波红外30倍连续变焦光学系统在焦距为300mm时的成像光学仿真数据图，从图形曲线可以看出其中焦端的MTF、场曲、畸变及弥散斑均方根值均达到使用要求。
图10至图12为本发明无后固定组中波红外30倍连续变焦光学系统在焦距17.5mm时的成像光学仿真数据图，从图形曲线可以看出其短焦端的MTF、场曲、畸变及弥散斑均方根值均达到使用要求。
由实施例可见，本发明的无后固定组中波红外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.无后固定组中波红外30倍连续变焦光学系统，其特征在于：从物侧(O)到像侧(I)依次由变焦物镜(1)和中继组(2)组成。变焦物镜(1)由前固定组透镜(110)、变倍组(120)和补偿组(130)组成，这三组透镜的光焦度分配依次为正、负、正的结构，变焦物镜依靠变倍组和补偿组的轴向移动来实现光学系统的变焦功能，其中，前固定组透镜(110)为一个凸面朝向物侧的弯月形硅正透镜，用于会聚收光，无后固定组中波红外30倍连续变焦光学系统的焦距F0、无后固定组中波红外30倍连续变焦光学系统的一次成像焦距Fone与前固定组透镜的焦距F1之间，满足如下关系：0.0861＜F0/F1＜2.5857，0.0753＜Fone/F1＜2.2617；变倍组(120)由具有正光焦度的第二透镜(122)和具有负光焦度的第三透镜(124)组成，第二透镜为凸面弯向物侧、凹面接近平面并凹向物侧的锗正透镜，第三透镜为双凹形锗负透镜，变倍组在前固定组透镜和补偿组之间轴向移动以改变光学系统的焦距，改变变倍倍率，同时可以利用该组的轴向微量移动实现光学系统的温度补偿；补偿组(130)由具有正光焦度的第四透镜(132)、具有正光焦度的第五透镜(134)和具有负光焦度的第六透镜(136)组成，第四透镜为双凸硅正透镜，第五透镜为凸面朝向物侧的弯月形硅正透镜，第六透镜为凸面朝向物侧的弯月形锗负透镜，补偿组在变倍组和中继组之间轴向移动，用于补偿光学系统在变焦过程中的像面位置的偏移；中继组(2)由具有正光焦度的第七透镜(21)、具有负光焦度的第八透镜(22)、具有负光焦度的第九透镜(23)和具有正光焦度的第十透镜(24)组成，第七透镜为双凸型硅正透镜，第八透镜为凸面朝向像侧的弯月形锗负透镜，第九透镜为凸面朝向像侧的弯月形锗负透镜，第十透镜为凸面朝向像侧的弯月形硒化锌正透镜；中继组的作用是实现光学系统在变焦过程中的像中继和稳定像面，保证100％冷光阑效率。前固定组透镜的S2面、变倍组的S3面、补偿组的S11面为非球面，中继组中的S19面为非球面叠加衍射面。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于：采用二组元机械补偿、无后固定组的结构，具有30倍的大变倍比，焦距在17.5mm～525mm范围内连续可变，变倍组(120)行程最大为106mm，补偿组(130)行程最大为50mm，光学系统F数为4恒定不变，光学总长350mm，并具有100％的冷光阑效率。
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