CN103389570B - 一种具有高变焦比的中波红外连续变焦光学系统 - Google Patents

Abstract

一种具有高变焦比的中波红外连续变焦光学系统属于光学镜头技术领域，目的在于解决现有技术存在的变焦行程长、F数大以及透镜较多的问题。本发明包括由左向右同轴依次排列的前固定组、变倍组的透镜A、补偿组的透镜C、变倍组的透镜B、补偿组的透镜D、后固定组、二次成像组和探测器；变倍组与所述补偿组的轴向移动实现系统的连续变焦。本发明采用变倍组的透镜A和透镜B与补偿组的透镜C和透镜D交叉排列运动，实现连续变焦，变焦行程短且曲线平滑，满足冷光阑效率100%，F数恒定为2，可在焦距10mm～300mm范围内连续变焦，在全焦范围内具有良好的成像质量。

Description

一种具有高变焦比的中波红外连续变焦光学系统

技术领域

本发明属于光学镜头技术领域，具体涉及一种具有高变焦比的中波红外连续变焦光学系统。

背景技术

红外成像技术具有众多优点，广泛的应用于众多领域，红外变焦系统分为多档变焦和连续变焦两种形式，红外多档变焦系统在视场变化时由于变焦过程为间断式，存在成像不连续的问题。

公开号为CN102608734的中国专利公开了一项名称为无后固定组中波红外30倍连续变焦光学系统的技术方案，该光学系统包括变焦物镜和中继镜组，采用二组元、无后固定组机械补偿变焦原理，二次成像技术，实现30倍连续变焦，但该系统由于采用的是传统的二组元变焦方式，导致了该系统的变倍组行程长，为106mm；F数微4、较大；采用较多的透镜数。

发明内容

本发明的目的在于提出一种具有高变焦比的中波红外连续变焦光学系统，解决现有技术存在的变焦行程长、F数大以及透镜较多的问题。

为实现上述目的，本发明的一种具有高变焦比的中波红外连续变焦光学系统包括由左向右同轴依次排列的前固定组、变倍组的透镜A、补偿组的透镜C、变倍组的透镜B、补偿组的透镜D、后固定组、二次成像组和探测器；所述变倍组与所述补偿组的轴向移动实现系统的连续变焦；所述补偿组的透镜C的前表面、补偿组的透镜D的前表面、后固定组透镜的前表面和二次成像组第二透镜的前表面均为偶次非球面；光线经前固定组汇聚后经交叉排列的变倍组和补偿组进行变倍及误差补偿，得到的光线经后固定组及二次成像组成像在所述探测器上。

前固定组为一个凸面向物侧的弯月正透镜，光线经前固定组汇聚；透镜A为一个凸面向物侧的弯月负透镜，透镜B为一个凸面向物侧的弯月正透镜，透镜C为一个凸面向物侧的弯月正透镜，透镜D为一个双凹负透镜，后固定组为一个凸面向物侧的弯月负透镜，二次成像组的两片透镜均为凸面向物侧的弯月正透镜。

所述前固定组的透镜的材料为硅材料，所述后固定组的透镜的材料为锗材料，所述变倍组的透镜A和透镜B的材料为锗材料，所述补偿组的透镜C和透镜D的材料为硅材料，所述二次成像组的第一透镜使用硅材料，所述二次成像组的第二透镜的材料为锗材料。

所述光学系统的工作波段为3.7um～4.8um，系统的焦距范围为10mm～300mm，F数恒定为2，系统在全焦距范围内满足冷光阑效率100%的要求。

所述变倍组的透镜A和透镜B之间的间隔固定不变，所述补偿组的透镜C和透镜D的间隔固定不变。

所述前固定组、变倍组、补偿组、后固定组和二次成像组中的各个透镜表面均镀有高效增透膜。

本发明的有益效果为：本发明的中波红外连续变焦光学系统结构紧凑，采用变倍组的透镜A和透镜B与补偿组的透镜C和透镜D交叉排列运动，实现连续变焦，变焦行程短且曲线平滑，满足冷光阑效率100%，F数恒定为2，可在焦距10mm～300mm范围内连续变焦，在全焦范围内具有良好的成像质量。变焦方式采用机械补偿式技术，现代机械加工技术已经完全可以所需要的精度要求。探测器采用中波制冷型红外焦平面探测器，该类探测器无需光机扫描系统，大大提高了灵敏度和热分辨率，可以进一步提高目标的探测距离和识别能力，显著的提高了系统的成像性能。与现有技术相比，该系统在实现高变焦比的情况下，变焦行程更短、F数更小且透镜数更少，可应用于更大的搜索范围且具有更高的观察精度。

附图说明

图1为本发明的光学系统整体结构示意图；

图2为本发明在焦距为300mm时的光学结构示意图；

图3为本发明在焦距为67.2mm时的光学结构示意图；

图4为本发明在焦距为10mm时的光学结构示意图；

图5为本发明在焦距为300mm时的调制传递函数图；

图6为本发明在焦距为67.2mm时的调制传递函数图；

图7为本发明在焦距为10mm时的调制传递函数图；

其中：1、前固定组，2、变倍组，2-a、透镜A，2-b、透镜B，3、补偿组，3-a、透镜C，3-b、透镜D，4、后固定组，5、二次成像组，5-a、第一透镜，5-b、第二透镜，6、探测器，6-a、探测器窗口，6-b、探测器冷光阑，6-c、探测器焦平面阵列。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

参见附图1，本发明的一种具有高变焦比的中波红外连续变焦光学系统包括由左向右同轴依次排列的前固定组1、变倍组2的透镜A2-a、补偿组3的透镜C3-a、变倍组2的透镜B2-b、补偿组3的透镜D3-b、后固定组4、二次成像组5和探测器6；图2、图3、图4所示为该中波红外连续变焦光学系统在焦距300mm、67.2mm、10mm时的光学结构示意图，所述变倍组2的透镜A2-a和透镜B2-b与补偿组3的透镜C3-a和透镜D3-b同轴交叉排列，所述变倍组2与所述补偿组3的轴向移动实现系统的连续变焦，在变焦的过程中其余各组均保持固定；所述补偿组3的透镜C3-a的前表面、补偿组3的透镜D3-b的前表面、后固定组4透镜的前表面和二次成像组5第二透镜5-b的前表面均为偶次非球面，其余透镜表面均采用普通球面，其中，偶次非球面方程为：

$z=\frac{{\mathrm{Cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)C^2{r}^2}}+{\mathrm{\α}}_1{r}^2+{\mathrm{\α}}_2{r}^4+{\mathrm{\α}}_3{r}^6+\·\·\·$

补偿组3的透镜A2-a的前表面非球面系数为：

k=1.265；

a₁=0；

a₂=-1.275×10^-7；

a₃=-1.797×10^-11。

补偿组3的透镜B2-b的前表面非球面系数为：

k=9.066；

α₁=0；

α₂=-6.325×10^-7；

α₃=-2.012×10^-10。

后固定组4的透镜的前表面非球面系数为：

k=0.058；

α₁=0；

α₂=-2.978×10^-7；

α₃=-4.635×10^-10。

二次成像组5的第二透镜5-b的前表面非球面系数为：

k=-0.755；

α₁=0；

α₂=2.526×10^-6；

α₃=6.665×10^-10。

表1所示为本发明在焦距300mm、67.2mm、10mm时的光学结构参数：

表1

表面	曲率半径	300mm/67.2mm/10mm厚度	材料	口径	备注
						物面	无限	无限
1	140.52	15	硅	165
						2	197.02	70.95/57.12/15.45		160
3	172.85	8.5	锗	106
						4	81.12	10.05/55.88/121.55		92
5	113.55	8.5	硅	92	非球面
						6	202.82	127/81.17/15.5		86
7	-751.95	6	锗	44
						8	187.52	15.15/60.98/126.65		44
9	139.67	7	硅	52	非球面
						10	1487.85	80.5/48.5/24.5		52
11	33.37	7	锗	38	非球面
						12	30.23	87.65		35
13	50.57	6.5	硅	38
						14	91.27	11.75		35
15	27.78	5	锗	30	非球面
						16	30.23	9.65		26
17	无限	1	硅	16
						18	无限	3.75		16

光阑	无限	19.8		10.55
						像面	无限	0		12.3

本系统采用新型结构，变倍组2的透镜A2-a和透镜B2-b与补偿组3的透镜C3-a和透镜D3-b交叉排列，变倍组2的透镜A2-a和透镜B2-b具有相同的运动轨迹，补偿组3的透镜C3-a和透镜D3-b具有相同的运动轨迹。这样既可以使系统实现高变焦比，又不致系统机械结构过于复杂。引入二次成像组5，实现了冷光阑效率100%。图5、图6、图7所示为该中波红外连续变焦光学系统在焦距300mm、67.2mm、10mm时的调制传递函数图，可以看出系统成像质量符合要求。在实际应用中，系统变焦曲线平滑，工作稳定，满足连续变焦、成像质量良好的使用要求。

光线经前固定组1汇聚后经交叉排列的变倍组2和补偿组3进行变倍及误差补偿，得到的光线经后固定组4及二次成像组5成像在所述探测器6上。

前固定组1为一个凸面向物侧的弯月正透镜，光线经前固定组1汇聚；透镜A2-a为一个凸面向物侧的弯月负透镜，透镜B2-b为一个凸面向物侧的弯月正透镜，变倍组2的两透镜起到改变变倍倍率的作用；透镜C3-a为一个凸面向物侧的弯月正透镜，透镜D3-b为一个双凹负透镜，补偿组3的两透镜用于补偿变焦过程中像面的偏移；后固定组4为一个凸面向物侧的弯月负透镜，用于汇聚光线以及缩短光学系统总长；二次成像组5的两片透镜均为凸面向物侧的弯月正透镜，用于物光线二次成像以达到满足冷光阑效率100%的目的。

所述前固定组1的透镜的材料为硅材料，所述后固定组4的透镜的材料为锗材料，所述变倍组2的透镜A2-a和透镜B2-b的材料为锗材料，所述补偿组3的透镜C3-a和透镜D3-b的材料为硅材料，所述二次成像组5的第一透镜5-a使用硅材料，所述二次成像组5的第二透镜5-b的材料为锗材料。

所述光学系统的工作波段为3.7um～4.8um，系统的焦距范围为10mm～300mm，F数恒定为2，系统在全焦距范围内满足冷光阑效率100%的要求。

所述变倍组2的透镜A2-a和透镜B2-b之间的间隔固定不变，所述补偿组3的透镜C3-a和透镜D3-b的间隔固定不变。

所述前固定组1、变倍组2、补偿组3、后固定组4和二次成像组5中的各个透镜表面均镀有高效增透膜。

所述探测器6采用中波制冷型红外焦平面探测器6，包括探测器窗口6-a、探测器冷光阑6-b和探测器焦平面阵列6-c。该类探测器6无需光机扫描系统，大大提高了灵敏度和热分辨率，可以进一步提高目标的探测距离和识别能力，显著的提高了系统的成像性能。

以上为本发明的具体实施方式，但绝非对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种具有高变焦比的中波红外连续变焦光学系统，包括由左向右同轴依次排列的前固定组(1)、变倍组(2)的透镜A(2-a)、补偿组(3)的透镜C(3-a)、变倍组(2)的透镜B(2-b)、补偿组(3)的透镜D(3-b)、后固定组(4)、二次成像组(5)和探测器(6)；所述变倍组(2)与所述补偿组(3)的轴向移动实现系统的连续变焦；所述补偿组(3)的透镜C(3-a)的前表面、补偿组(3)的透镜D(3-b)的前表面、后固定组(4)透镜的前表面和二次成像组(5)第二透镜(5-b)的前表面均为偶次非球面；光线经前固定组(1)汇聚后经交叉排列的变倍组(2)和补偿组(3)进行变倍及误差补偿，得到的光线经后固定组(4)及二次成像组(5)成像在所述探测器(6)上；

前固定组(1)为一个凸面向物侧的弯月正透镜，光线经前固定组(1)汇聚；透镜A(2-a)为一个凸面向物侧的弯月负透镜，透镜B(2-b)为一个凸面向物侧的弯月正透镜，透镜C(3-a)为一个凸面向物侧的弯月正透镜，透镜D(3-b)为一个双凹负透镜，后固定组(4)为一个凸面向物侧的弯月负透镜，二次成像组(5)的两片透镜均为凸面向物侧的弯月正透镜；

所述前固定组(1)的透镜的材料为硅材料，所述后固定组(4)的透镜的材料为锗材料，所述变倍组(2)的透镜A(2-a)和透镜B(2-b)的材料为锗材料，所述补偿组(3)的透镜C(3-a)和透镜D(3-b)的材料为硅材料，所述二次成像组(5)的第一透镜(5-a)使用硅材料，所述二次成像组(5)的第二透镜(5-b)的材料为锗材料。

2.根据权利要求1所述的一种具有高变焦比的中波红外连续变焦光学系统，其特征在于，所述光学系统的工作波段为3.7um～4.8um，系统的焦距范围为10mm～300mm，F数恒定为2，系统在全焦距范围内满足冷光阑效率100％。

3.根据权利要求1所述的一种具有高变焦比的中波红外连续变焦光学系统，其特征在于，所述变倍组(2)的透镜A(2-a)和透镜B(2-b)之间的间隔固定不变，所述补偿组(3)的透镜C(3-a)和透镜D(3-b)的间隔固定不变。

4.根据权利要求1所述的一种具有高变焦比的中波红外连续变焦光学系统，其特征在于，所述前固定组(1)、变倍组(2)、补偿组(3)、后固定组(4)和二次成像组(5)中的各个透镜表面均镀有高效增透膜。