CN103197407B - 共光路红外双波段共焦面变焦光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种共光路红外双波段共焦面变焦光学系统，旨在提供一种变倍结构简单，F数恒定，变倍比较大，连续变焦焦距范围宽，能有效消除两个波段间色差和各自波段内色差的变焦光学系统。本发明通过以下技术方案予以实现：在远离焦面的物镜组（6）与中继镜组（3）之间设有沿光轴前后移动的两个移动组，位于一次像面（8）后的三分离透镜结构的中继镜组用像差互补的方式消除前面光学镜组产生的残余像差，并将一次像面再次成像在焦面（1）上，完成中长红外双波段共光路共焦面二次成像，同时通过位于探测器冷光阑处的孔径光阑（2）将所成像限制在物镜组（6）附近，控制全系统的通光孔径。本发明变倍结构简单，继承性强，采用材料较少。

Description

共光路红外双波段共焦面变焦光学系统

技术领域  

    本发明涉及一种中、长波红外两个波段的光学设计。具体而言，本发明涉及一种使用透射元件的共光路共焦面且具有变焦功能的双波段(3.7μm～4.8μm和7.7μm～10.3μm)的光学系统设计。

背景技术   

现有技术中采用的双波段共光路设计主要是折反式系统、定焦的透射系统和采用光学补偿的透射式双视场光学系统，因为采用透射元件的双波段共光路设计，波段间的色差和波段内色差较难同时消除，因此设计出长焦距小F数的变焦镜头难度较大(F#即为光圈数，是相对孔径口径与焦距之比的倒数，即F=f/D)；对于一些文献公开的透射式双波段共孔径共焦面的光学系统，要么F数较大焦距较小，要么变倍结构复杂。

比如，中国文献《光电子#激光》2004年第15卷第385～389页刊载的《红外双波段消热差系统设计》公开的光学镜头，其波段为中波和长波红外（3.7μm ～4.8μm以及7.7～10.3μm），虽然实现了双波段共光路共焦面设计，但该设计为一次成像结构，选用的材料为硫系玻璃的AMTIR1材料、锗Germanium材料和硫化锌ZNS材料，没有实现变焦功能，且焦距较短，仅为61mm。虽然在该焦距范围内较好的解决了中长波红外两个波段的色差并解决了热差，但由于这几种透镜材料的消色差性能有限，难于用在更大焦距的光学系统中。

2008年刊登于SPIE Vol. 6940的美国文献《3rd Generation FLIR Demonstrator》第69400U-1～69400U10页公开的光学系统，虽然达到了中长波红外双波段共光路共焦面的变焦设计，但采用折反式系统，由离轴三反的反射式前置望远镜系统和透射式的后置成像物镜系统组成，采用了双F数设计，在最长焦时的F数为6，其他时候F数为3，通过在后置成像物镜系统中采用径向划入划出切换镜组的方法实现变焦，F数6时的焦距为609.6mm，但在F数为3时仅为290mm。系统的最小焦距为53mm；系统在两个F数变化时最大的变倍比为11.5倍。其透射系统采用了锗Germanium材料、硫化锌ZNS材料、硒化锌ZNSE材料、氟化钡BAF材料、砷化镓GaAs材料、硫系玻璃AMTIR1材料和硫系玻璃GASIR材料，不仅种类繁多，而且材料搭配并不适合更大口径的双波段消色差设计；同时，前置离轴三反的反射式望远光学系统与普通的透射系统相比，加工检测和装配较为困难，精度要求较高。

2010年刊登于SPIE Vol. 7652第7652E-1～7652E-8页的美国文献《Optical concepts for dual band infrared continuous zoom lenses》实现了中长波红外双波段透射式二次成像的连续变焦结构，但采用的双F数设计，在最长焦时的F数为6，此时焦距达到456mm。F数为3时的焦距最长为226mm，系统的最小焦距为72mm；系统在两个F数变化时总的变倍比为6.3X；其光学材料采用了锗、硫化锌、硒化锌、氟化钡、砷化镓等。由于这些材料在中长波红外的两个波段内性能差异较大，波段间的色差和波段内的色差难以有效抑制，表现为一个波段的成像质量好而另一个波段的成像质量有所下降，且该系统的变焦过程采用了三移动组形式，补偿组在一次像面之后，后变倍组则需要在一次像面前后位置移动以实现系统的双F数变化。该系统的不足之处在于结构较复杂，变倍过程繁琐且像质不够好。尤为重要的是，该光学系统F数较大，不利于高质量成像的需要。

发明内容    

本发明的目的是针对上述现有技术存在的不足之处，提供一种变倍结构简单，F数恒定，变倍比较大，连续变焦焦距范围宽，采用材料较少，并能有效消除两个波段间色差和各自波段内色差的共光路红外双波段共焦面变焦光学系统。

本发明为实现上述目的提供的一种共光路红外双波段共焦面变焦光学系统，包括：从物面到焦面依次设置在同一光路上，放置于系统前部固定不动的物镜组6和中继镜组3、移动的变倍镜组5和补偿镜组4，其特征在于，在远离双波段红外探测器焦面的物镜组6与中继镜组3之间设有沿光轴前后移动，将上述两个波段焦距一致变焦的两个移动组，其中位于物镜组6与补偿镜组4之间的变倍镜组5，在光轴上前后移动改变两个波段的焦距，另一由二片分离透镜结构组成的补偿镜组4根据变倍镜组5的位置变化，在光轴上前后移动补偿变倍镜组5在变倍过程中产生的像差；位于一次像面8后的三分离透镜结构的中继镜组3用像差互补的方式消除前面镜组产生的残余像差，并将一次像面8再次成像在焦面1上，完成中长波红外双波段共光路共焦面光学系统的二次成像，同时通过控制中继组3与孔径光阑2的轴上间距，将孔径光阑2所成像限制在物镜组6附近，控制全系统的通光孔径。

进一步的，所述光学系统包括至少两个非球面。所述补偿组4的第二片透镜即硫系玻璃AMTIR1材料或硫系玻璃GASIR1材料的正透镜402朝向物面方的面采用非球面结构。所述中继组3的第一片透镜即锗Germanium负透镜301朝向物面方的面采用非球面结构。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

变倍结构简单，继承性强，采用材料较少。本发明基于现有的变焦原理，针对中、长波红外两个跨度较大的波段，将固定不动的物镜组和中继镜组、可移动的变倍镜组和补偿镜组从物面到焦面依次设置在同一光路上，沿光轴前后移动的仅有两个移动组即变倍镜组和补偿镜组；系统的透镜总数仅为10片，其中两片非球面；共采用了溴化铊KRS5、硫化锌ZNS、硒化锌ZNSE、硫系玻璃AMTIR1和锗Germanium五种材料配对，其中溴化铊KRS5可用硫系玻璃IRB61材料代替，硫系玻璃AMTIR1材料可由硫系玻璃GASIR1材料代替；光学系统的结构形式与普通透射型二次成像的单波段前视红外变焦系统结构类似，保证了技术的成熟度和延续性；可以方便地对现有产品进行升级，适用于各类光电瞄准吊舱和转塔、军警民用监控、搜索与跟踪瞄准等用途。

光学系统内变焦，变倍时F数恒定，两个波段所有视场和焦距的像质都接近衍射限。在变焦过程中，光学系统总长固定不变，质心变化较小； F数恒定为2.5；在3.7μm～4.8μm的中波红外和7.7μm～10.3μm长波红外两个波段同时消除了波段间色差和各自波段内色差。本发明采用消波段间色差和消各自波段内色差能力较强材料配对：

其中一种在一次像面前的透镜材料组合是采用溴化铊KRS5、硫化锌ZnS、硫系玻璃AMTIR1和锗Germanium作为物镜组；具有较小色散的溴化铊KRS5Z作为变倍镜组；色散能力适中的硫化锌ZnS和硫系玻璃AMTIR1双分离透镜作为补偿镜组。

其中另一种在一次像面前的透镜材料组合是用硫系玻璃IRB61材料代替溴化铊KRS5材料，硫系玻璃GASIR1材料代替硫系玻璃AMTIR1材料，形成硫系玻璃IRB61材料、硫化锌ZnS、硫系玻璃GASIR1材料和锗Germanium的组合作为物镜组；硫系玻璃IRB61材料代替溴化铊KRS5材料作为变倍镜组；硫系玻璃GASIR1材料代替硫系玻璃AMTIR1材料与硫化锌ZnS材料组合成双分离透镜作为补偿镜组。

以上两种组合都在一次像面后采用了具有消除残余波段间色差能力较强而折射率较高的锗Germanium、硫化锌ZnS和硒化锌ZnSe材料组成的三分离透镜的中继镜组，在一个光学系统内能够同时有效消除两个波段间的色差和各自波段内的色差，并在补偿组和中继组上采用了两个非球面，使了两个波段在各个视场都有较好的成像质量，在变焦过程中两个波段的焦距和视场一致变化，相同视场的中波红外和长波红外的光束都成像在焦面的相同位置。

中长波红外双波段共光路共焦面变焦系统使一个光学系统兼具两种波段的探测能力，能够有效实现探测手段的小型化轻量化和集成化，同时也能减轻光学调试的难度，可以兼顾大视场搜索和长焦距分辨。

本发明可以作为各类光电瞄准吊舱和转塔、军警民用监控、搜索与跟踪瞄准等的光学系统。

附图说明   

图1是本发明双波段二次成像共光路共焦面变焦光学系统的结构示意图，此时焦距为460mm。

图2是焦距为153mm时的结构示意图。

图3是焦距为46mm时的结构示意图。

图中：1焦面，2孔径光阑，3中继镜组，4补偿镜组，5变倍镜组，6物镜组，7物面，8一次像面。

具体实施方式

    为了进一步清楚阐述本技术方案的特点，下面将提供具体实施方式并与附图相结合，对本发明进行说明，但是不应当将其理解为对本发明的限定。

如图1所示，双波段二次成像共光路共焦面变焦光学系统，具有中波（3.7μm~4.8μm）和长波（7.7μm~10.3μm）两个红外波段同时成像的变焦光学结构。从物面7、到双波段红外探测器焦面1的同一光路上，依次包括：放置于系统前部固定不动的物镜组6和中继镜组3、可移动的变倍镜组5和补偿镜组4、一次像面8、孔径光阑2，焦面1。本技术方案采用了二次成像， F数固定为2.5，光路总长在不同焦距时保持不变。其中，采用四片可消除中波（3.7μm~4.8μm）和长波（7.7μm~10.3μm）两个光谱段色差和中波（3.7μm~4.8μm）和长波（7.7μm~10.3μm）各自光谱内色差的透镜材料配对组成的物镜；在远离双波段红外探测器焦面的物镜组与中继镜组之间设有沿光轴前后移动的两个移动组，其中变倍镜组采用在中波（3.7μm~4.8μm）和长波（7.7μm~10.3μm）两个光谱段都具有低色散性能的透镜在光轴上前后移动实现变焦；补偿镜组采用具有消除残余色差能力材料的正负透镜组合，位于变倍组靠近焦面一侧，根据变倍镜组的位置变化，在光轴上前后移动补偿变倍镜组在变倍过程中产生的色差和像差；位于一次像面后的中继镜组采用具有消除残余色差能力的三分离透镜材料同时消除系统的残余像差，并将一次像面再次成像在焦面上；变焦过程中两个波段同时共光路共焦面成像，两个波段同时变焦，变焦过程中两个波段各视场的焦距相同。

本实施实例的设计指标为：中波和长波双波段共孔径共光路共焦面设计的两个红外波段的光圈均为F#2.5，波段分别为中波红外3.7～4.8μm和长波红外7.7～10.3μm，像元尺寸为30μm×30μm，对角线长度为12.32mm，像元数为320×256，两个波段的变焦焦距分别为460mm/153mm/46mm。

在远离双波段红外探测器焦面的物镜组6与中继镜组3之间设有沿光轴前后移动，将上述两个波段焦距一致变焦的两个移动组，其中位于物镜组6与补偿镜组4之间的为变倍镜组5，在光轴前后移动改变两个波段的焦距，另一由二片分离透镜结构组成的补偿镜组4根据变倍镜组5的位置变化，在光轴上前后移动补偿变倍镜组5在变倍过程中产生的像差，使光学系统在像面成清晰像；位于一次像面8后的三分离透镜结构的中继镜组3用像差互补的方式消除系统前面光学系统的残余像差，并将一次像面8再次成像在焦面1上，完成中长红外双波段共光路共焦面二次成像，同时通过控制中继组3与孔径光阑2的轴上间距，将孔径光阑2所成像限制在物镜组6附近，控制全系统的通光孔径。两个波段同时共光路共焦面成像，两个波段同时变焦，变焦过程中两个波段各视场的焦距相同。

在本实施方案中，有两个类型的材料组合。其中之一：

靠近物面的物镜组6为四片分离式透镜，由溴化铊KRS5材料的正透镜601、硫化锌ZnS材料的负透镜602、硫系玻璃AMTIR1材料的正透镜603和锗Germanium材料的负透镜604配对组成，承担主要的光焦度，且有效消除了两个波段间的色差和两个波段内各自的色差，其焦距在中红外波段内为347.19mm，在长波红外波段内为347.23mm。

起主要变倍作用的变倍镜组5可以是溴化铊KRS5材料的负透镜，因其在两个波段超低的色散使变倍过程中波段色差改变较小，承担改变光焦度的主要功能，在物镜组6和补偿镜组4之间的光轴上做大范围前后移动实现变倍，在系统小视场即460mm焦距时变倍组5靠近物面7一侧的面的顶点在光轴上距离物镜组604朝向焦面一侧的顶点约159.85mm；在中等视场即153mm焦距时变倍组5靠近物面7一侧的面的顶点在光轴上距离物镜组604朝向焦面一侧的顶点约136.63mm，在大视场即46mm焦距时变倍组5靠近物面7一侧的面的顶点在光轴上距离物镜组604朝向焦面一侧的顶点约70.73mm,其焦距在中红外波段内为-73.44mm，在长波红外波段内为-73.9mm。

补偿镜组4为二片分离结构透镜，总光焦度为正，由硫化锌ZnS材料的负透镜401和硫系玻璃AMTIR1材料的正透镜402组成，可以部分消除波段间的色差和波段内色差，二者的组合形成正的光焦度。该镜组在变倍镜组5和一次像面8之间的光轴上根据变倍镜组5的移动位置，按照光学系统的物象关系在光轴上做小范围前后移动到相应的位置，补偿变倍镜组5在变倍过程中产生的像差：在系统小视场即460mm焦距时补偿镜组4的硫系玻璃AMTIR1材料的正透镜402靠近焦面1一侧的面的顶点在光轴上距离中继镜组3朝向物面7一侧的顶点约59.78mm；在中等视场即153mm焦距时补偿镜组4的硫系玻璃AMTIR1材料的正透镜402靠近焦面1一侧的面的顶点在光轴上距离中继镜组3朝向物面7一侧的顶点约103.7mm；在大视场即46mm焦距时补偿镜组4的硫系玻璃AMTIR1材料的正透镜402靠近焦面1一侧的面的顶点在光轴上距离中继镜组3朝向物面7一侧的顶点约114.79mm,补偿镜组4的焦距在中红外波段内为73.44mm，在长波红外波段内为73.9mm。

中继镜组3为三分离结构，由锗Germanium材料的负透镜301、硫化锌ZnS材料的负透镜302和硒化锌ZnSe材料的正透镜303组成，位于在一次像面8之后，将中长波红外两个波段所成的一次像面8再次成像在焦面1上，实现共光路共焦面的二次成像，同时补偿一次像面上的残余像差，并在长焦460mm焦距时，将孔径光阑2经前面光学系统所成像限制在物镜组6附近，控制全系统的通光孔径，起压缩系统口径的作用。中继镜组3的焦距在中波红外波段内为19.47mm，在长波红外波段内为19.58mm。孔径光阑2为系统出瞳，位于探测器的冷光阑处，其对前面光学系统所成像即为入瞳。

为进一步校正残余像差，所述补偿组4的第二片透镜AMTIR1正透镜402朝向物面方的面采用非球面结构，所述中继组镜3的第一片透镜锗Germanium负透镜301朝向物面方的面采用非球面结构。其中之二：

靠近物面的物镜组6为四片分离式透镜，由硫系玻璃IRB61材料的正透镜601、硫化锌ZnS材料的负透镜602、硫系玻璃GASIR1材料的正透镜603和锗Germanium材料的负透镜604配对组成，承担主要的光焦度，且有效消除了两个波段间的色差和两个波段内各自的色差，其焦距在中红外波段内为435.21mm，在长波红外波段内为435.33mm。

起主要变倍作用的变倍镜组5可以是硫系玻璃IRB61材料的负透镜，因其在两个波段超低的色散使变倍过程中波段色差改变较小，承担改变光焦度的主要功能，在物镜组6和补偿镜组4之间的光轴上做大范围前后移动实现变倍，在系统小视场即460mm焦距时变倍组5靠近物面7一侧的面的顶点在光轴上距离物镜组604朝向焦面一侧的顶点约192.02mm；在中等视场即153mm焦距时变倍组5靠近物面7一侧的面的顶点在光轴上距离物镜组604朝向焦面一侧的顶点约155.85mm，在大视场即46mm焦距时变倍组5靠近物面7一侧的面的顶点在光轴上距离物镜组604朝向焦面一侧的顶点约65.58mm,其焦距在中红外波段内为-102.6mm，在长波红外波段内为-103.4mm。

补偿镜组4为二片分离结构透镜，总光焦度为正，由硫化锌ZnS材料的负透镜401和硫系玻璃GASIR1材料的正透镜402组成，可以部分消除波段间的色差和波段内色差，二者的组合形成正的光焦度。该镜组在变倍镜组5和一次像面8之间的光轴上根据变倍镜组5的移动位置，按照光学系统的物象关系在光轴上做小范围前后移动到相应的位置，补偿变倍镜组5在变倍过程中产生的像差：在系统小视场即460mm焦距时补偿镜组4的硫系玻璃GASIR1材料的正透镜402靠近焦面1一侧的面的顶点在光轴上距离中继镜组3朝向物面7一侧的顶点约64.86mm；在中等视场即153mm焦距时补偿镜组4的硫系玻璃AMTIR1材料的正透镜402靠近焦面1一侧的面的顶点在光轴上距离中继镜组3朝向物面7一侧的顶点约99.06mm；在大视场即46mm焦距时补偿镜组4的硫系玻璃AMTIR1材料的正透镜402靠近焦面1一侧的面的顶点在光轴上距离中继镜组3朝向物面7一侧的顶点约107.01mm。补偿镜组4的焦距在中红外波段内为68.22mm，在长波红外波段内为68.1mm。

中继镜组3为三分离结构，由锗Germanium材料的负透镜301、硫化锌ZnS材料的负透镜302和硒化锌ZnSe材料的正透镜303组成，位于在一次像面8之后，将中长波红外两个波段所成的一次像面8再次成像在焦面1上，实现共光路共焦面的二次成像，同时补偿一次像面上的残余像差，并在长焦460mm焦距时，将孔径光阑2经前面光学系统所成像限制在物镜组6附近，控制全系统的通光孔径，起压缩系统口径的作用。中继镜组3的焦距在中波红外波段内为17.68mm，在长波红外波段内为17. 8mm。孔径光阑2为系统出瞳，位于探测器的冷光阑处，其对前面光学系统所成像即为入瞳。

为进一步校正残余像差，所述补偿组4的第二片透镜GASIR1正透镜402朝向物面方的面采用非球面结构，所述中继组镜3的第一片透镜锗Germanium负透镜301朝向物面方的面采用非球面结构。

以上利用实施例对本发明的描述，其意图是示例性的，不对本发明的保护范围起限制作用。因此，对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明所提出的权利要求范围的条件内，可对所描述的本发明进行特征替换或修改。

Claims (2)

1.一种共光路红外双波段共焦面变焦光学系统，包括：从物面到焦面依次设置在同一光路上，放置于系统前部固定不动的物镜组（6）和中继镜组（3）、移动的变倍镜组（5）和补偿镜组（4），其特征在于，靠近物面的物镜组（6）为四片分离式透镜，由溴化铊KRS5材料的正透镜（601）、硫化锌ZnS材料的负透镜（602）、硫系玻璃AMTIR1材料的正透镜（603）和锗Germanium材料的负透镜（604）组成；变倍镜组（5）是溴化铊KRS5材料的负透镜；补偿镜组（4）为二片分离结构透镜，总光焦度为正，由硫化锌ZnS材料的负透镜（401）和硫系玻璃AMTIR1材料的正透镜（402）组成；中继镜组（3）为三分离透镜结构，由锗Germanium材料的负透镜（301）、硫化锌ZnS材料的负透镜（302）和硒化锌ZnSe材料的正透镜（303）组成；在远离焦面的物镜组（6）与中继镜组（3）之间设有沿光轴前后移动的两个移动组，其中,位于物镜组（6）与补偿镜组（4）之间的变倍镜组（5），在光轴上前后移动改变光学系统的焦距，另一由二片分离透镜结构组成的补偿镜组（4）根据变倍镜组（5）的位置变化，在光轴上前后移动补偿变倍镜组（5）在变倍过程中产生的像差；位于一次像面（8）后的三分离透镜结构的中继镜组（3）用像差互补的方式消除前面光学镜组产生的残余像差，并将一次像面（8）再次成像在焦面（1）上，完成中长红外双波段共光路共焦面二次成像，同时通过位于探测器冷光阑处的孔径光阑（2）将所成像限制在物镜组（6）附近，控制全系统的通光孔径。

2.如权利要求1所述的共光路红外双波段共焦面变焦光学系统，其特征在于，所述的物镜组（6）透镜材料组合由以下透镜材料组合代替：靠近物面的物镜组（6）正透镜（601）的溴化铊KRS5材料为硫系玻璃IRB61材料代替，硫系玻璃AMTIR1材料的正透镜（603）为硫系玻璃GASIR1材料代替，形成由硫系玻璃IRB61材料的正透镜（601）、硫化锌ZnS材料的负透镜（602）、硫系玻璃GASIR1材料的正透镜（603）和锗Germanium材料的负透镜（604）配对组合。

3.如权利要求1所述的共光路红外双波段共焦面变焦光学系统，其特征在于，所述的变倍镜组（5）采用溴化铊KRS5材料的负透镜变倍镜组（5），可由硫系玻璃IRB61材料代替。

4.如权利要求1所述的共光路红外双波段共焦面变焦光学系统，其特征在于，所述的补偿镜组（4）中采用硫系玻璃AMTIR1材料的正透镜（402）可由硫系玻璃GASIR1材料的正透镜代替，形成由硫化锌ZnS材料的负透镜（401）和硫系玻璃GASIR1材料的正透镜（402）配对组合。

5.如权利要求1所述的共光路红外双波段共焦面变焦光学系统，其特征在于，所述补偿组（4）采用硫系玻璃AMTIR1材料或硫系玻璃GASIR1材料的正透镜（402）朝向物面方的面采用非球面结构。

6.如权利要求1所述的共光路红外双波段共焦面变焦光学系统，其特征在于，所述中继组镜（3）的第一片透镜锗Germanium负透镜（301）朝向物面方的面采用非球面结构。