CN103064184A - 一种轴向变焦三视场红外光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轴向变焦三视场红外光学系统，属于红外光学技术领域。该红外光学系统包括依次设置的探测器、汇聚透镜组、折转反射镜组、固定反射镜组、补偿透镜组、变倍透镜组和前组红外物镜，补偿透镜组和变倍透镜组上设置有驱动电机，驱动电机用于驱动补偿透镜组和变倍透镜组进行轴向运动实现宽、中、窄三视场轴向变换。本发明通过轴向分别移动变倍透镜组和补偿透镜组的方法实现三视场的转换，同时补偿透镜组承担调焦的功能，该方法既能够在保证光学系统高的光轴精度和高的光学透过率的同时，又能显著地减小系统尺寸和减轻整机重量，使红外三视场同时具有高的成像质量及效果，而且运动机构简单易于控制。

Description

一种轴向变焦三视场红外光学系统

技术领域

本发明涉及一种轴向变焦三视场红外光学系统，属于红外光学技术领域。

背景技术

国内外红外三视场变倍光学系统的实现方式，分为径向切入方式和旋转变倍方式。径向切入方式三视场光学系统通过不同变倍镜组径向切换的方式实现三视场的转换，该方式的优点是窄视场具有最高的光轴精度和最高的光学透过率。缺点是由于采用径向切换方式造成了系统径向尺寸过大、运动机构复杂并且重量较重。旋转变倍方式三视场光学系统通过不同变倍镜组同轴旋转切换的方式实现三视场的转换，该方式的优点是窄视场具有最高的光轴精度和最高的光学透过率。缺点是系统径向尺寸过大、运动机构复杂，优点是重量较轻。

发明内容

本发明的目的是提供一种轴向变焦三视场红外光学系统，能够在保证光学系统高的光轴精度和高的光学透过率的同时，显著地减轻系统的空间尺寸和整机重量，使红外三视场同时具有高的成像质量及效果。

本发明为解决上述技术问题而提供一种轴向变焦三视场红外光学系统，该红外光学系统包括红外探测器、汇聚透镜组、折转反射镜组、固定反射镜组、补偿透镜组、变倍透镜组和前组红外物镜，前组红外物镜、变倍透镜组、补偿透镜组和固定反射镜组依次共轴设置在探测光路中，折转反射镜组设置在该探测光路中，汇聚透镜组设置在折转反射镜组的反射光路上，各光学参数满足高斯光学计算，探测器设置在汇聚透镜组汇聚光路上，补偿透镜组和变倍透镜组上设置有驱动电机，驱动电机用于驱动补偿透镜组和变倍透镜组进行轴向运动实现宽、中、窄三视场轴向变换。

所述的探测器为制冷型红外焦平面探测器。

所述的窄视场焦距在250㎜～480mm范围内，中视场焦距在100mm～300mm范围内，宽视场焦距在10mm～30mm范围内。

本发明的有益效果是:本发明通过轴向分别移动变倍透镜组和补偿透镜组的方法实现三视场的转换，同时补偿透镜组承担调焦的功能，该方法既能够在保证光学系统高的光轴精度和高的光学透过率的同时，又能显著地减小系统尺寸和减轻整机重量，使红外三视场同时具有高的成像质量及效果，而且运动机构简单易于控制。

附图说明

图1是本发明轴向变焦三视场红外光学系统窄视场光路图；

图2是本发明轴向变焦三视场红外光学系统中视场光路图；

图3是本发明轴向变焦三视场红外光学系统宽视场光路图；

图4是本发明轴向变焦三视场红外光学系统光学参数设置原理光路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

本发明的轴向变焦三视场红外光学系统包括前组红外物镜1、变倍透镜组2、补偿透镜组3、固定透镜组4、折转反射镜组5、汇聚透镜组6、折转反射镜组7、汇聚透镜组8和探测器9，红外物镜1、变倍透镜组2、补偿透镜组3、固定透镜组4依次同轴设置在一光路中，折转反射镜组5设置在该光路中，汇聚透镜组6设置在折转反射镜组5的反射光路中，折转反射镜组7设置在汇聚透镜组6形成的汇聚光路中，汇聚透镜组8设置在折转反射镜组7形成的反射光路中，探测器9设置在汇聚透镜组8形成的汇聚光路上，变倍透镜组2和补偿透镜组3上都设置有电机，用于驱动变倍透镜组2和补偿透镜组3轴向移动从而形成宽、中、窄三视场的轴向变换。探测器可以采用320×256、384×288或640×512的制冷型红外焦平面探测器，适用波长中波3μm～5μm，长波8μm～12μm，窄视场焦距在250㎜～480mm范围内，中视场焦距在100mm～300mm范围内，宽视场焦距在10mm～30mm范围内，该轴向变焦三视场红外光学系统采用二次成像的方式，光学系统F数为f/2、f/3或f/4均可，并采用反射镜组折叠光路。

该系统的各光学参数选择满足高斯光学公式，其具体关系如下：设透镜L₁、L₂、L₃、L₄对应的光焦度分别为φ₁、φ₂、φ₃、φ₄，间隔分别为d₁₂、d₂₃、d₃₄，光线在透镜L₁、L₂、L₃上的入射高度分别为h₁、h₂、h₃，如图4所示，光线入射和出射角分别为u₁、u′₁、u₂、u′₂、u₃、u′₃，窄视场、中视场、宽视场焦距分别为f′_narrow、f′_medium、f′_wide。

根据高斯公式：tan u'＝tan u+hφ和tan u₁′＝tan u₂，列出以下方程，

tan u₁′＝h₁φ₁                                         （1）

tan u₂′＝h₂φ₂+h₁φ₁                                   （2）

tan u₃′＝h₃φ₃+h₂φ₂+h₁φ₁                             （3）

h₂＝h₁-d₁₂ tan u₁′                                     （4）

h₃＝h₂-d₂₃ tan u₂′                                     （5）

中视场倍率：M_medium＝f′_narrow/f′_medium                （6）

宽视场倍率：M_wide＝f′_narrow /f′_wide                   （7）

以上等式求解可得透镜L₂、L₃的光焦度：

${\mathrm{\φ}}_2=-\frac{(M-1)(1/{\mathrm{\φ}}_1-d_{12}-d_{23})}{d_{23}(1/{\mathrm{\φ}}_1-d_{12})}---\left(8\right)$

${\mathrm{\φ}}_3=-\frac{(M-1)(1/{\mathrm{\φ}}_1-d_{12})}{{\mathrm{Md}}_{23}(1/{\mathrm{\φ}}_1-d_{12}-d_{23})}---\left(9\right)$

从而可以确定光学系统的初始结构参数。

如图1所示，当变倍透镜组2、补偿透镜组3分别位于A1、B1位置时，构成窄视场光路；如图2所示，当电机分别驱动变倍透镜组2、补偿透镜组3移动到A2、B2位置时，构成中视场光路；如图3所示，当电机分别驱动变倍透镜组2、补偿透镜组3移动到A3、B3位置时，构成宽视场光路；当电机分别驱动变倍透镜组2、补偿透镜组3回到A1、B1位置时，恢复为窄视场光路。实现宽、中、窄三视场的轴向变换，具体光学参数见下表所示。选择该组光学参数能够达到本系统的效果，但是达到本系统的效果的光学参数并不只有该组光学参数，只要选择的光学参数能够满足高斯光学计算即可。

光学参数表（单位：mm）

本发明中的轴向三视场红外光学系统采用轴向移动的方式实现三视场的转换，通过变倍透镜组和补偿透镜组在光轴上的不同位置实现三视场的转换，针对不同的使用需求，可提供窄、中、宽三个光学视场，窄视场用于远距离目标的识别，中视场用于目标的探测，大视场用于昼夜辅助导航及起降。

Claims (3)

1.一种轴向变焦三视场红外光学系统，其特征在于：该红外光学系统包括探测器、汇聚透镜组、折转反射镜组、固定反射镜组、补偿透镜组、变倍透镜组和前组红外物镜，前组红外物镜、变倍透镜组、补偿透镜组和固定反射镜组依次共轴设置在探测光路中，折转反射镜组设置在该探测光路中，汇聚透镜组设置在折转反射镜组的反射光路上，各光学参数满足高斯光学计算，探测器设置在汇聚透镜组汇聚光路上，补偿透镜组和变倍透镜组上设置有驱动电机，驱动电机用于驱动补偿透镜组和变倍透镜组进行轴向运动实现宽、中、窄三视场轴向变换。

2.根据权利要求1所述的轴向变焦三视场红外光学系统，其特征在于：所述的探测器为制冷型红外焦平面探测器。

3.根据权利要求1所述的轴向变焦三视场红外光学系统，其特征在于：所述的窄视场焦距在250㎜～480mm范围内，中视场焦距在100mm～300mm范围内，宽视场焦距在10mm～30mm范围内。

Images