CN103558679A

CN103558679A - 长波红外三视场光学系统

Info

Publication number: CN103558679A
Application number: CN201310469820.0A
Authority: CN
Inventors: 冯晓燕; 陈吕吉; 李萍
Original assignee: Kunming Institute of Physics
Current assignee: Kunming Institute of Physics
Priority date: 2013-10-10
Filing date: 2013-10-10
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2033-10-10
Also published as: CN103558679B

Abstract

一种长波红外三视场光学系统，从物方到像方依次由前固定组、变倍组、后固定组、光学平板、第一反射镜、第二反射镜和二次成像组组成；前固定组透镜的第二表面、后固定组中的第一透镜的第二表面、二次成像组中的第二透镜的第一表面均采用高次非球面；光学系统工作波段为7.7～9.5μm，F#为3，视场分别为0.96°×0.72°，6°×4.5°，27°×21°。本发明移动一组变倍组，打入一块光学平板，即可实现大、中、小三个视场，且三个视场的光轴一致性好，变倍比最大可达28倍，成像质量优良；变倍组最大行程小于100mm，实现100%冷屏效率；U型折叠的光路设计，使光学系统体积小、结构紧凑，装调简单，利于批量生产。

Description

长波红外三视场光学系统

技术领域

本发明属于光学成像技术领域，涉及一种长波红外三视场光学系统。

背景技术

高分辨率的红外成像系统在导航、观察、跟踪、瞄准等方面具有广泛的需求。地面目标的温度低，辐射能量小，其红外辐射多集中在红外长波波段。红外光学系统是红外成像系统的重要组成部分，用于汇聚红外辐射能量、变焦、消热、控制成像质量和把红外辐射能量聚焦到焦面上。单视场红外光学系统由于功能单一，实际使用有所限制，难以满足现代红外光学系统的发展需求。三视场红外光学系统由于具有大小不同三个视场，大视场可用于大范围搜索疑似目标，再进一步用中视场进行观察与识别，进而用小视场进行跟踪与瞄准，具有结构简单，视场切换时间短，成像质量高、简洁、实用等优点，因而在现代红外光学系统中得到广泛应用。

变焦光学系统按照其变焦过程中焦距值是否连续变化可分为两类：一类为连续变焦，另一类为非连续变焦，即断续变焦系统。红外连续变焦系统可以通过运动透镜组光学补偿线性移动或机械补偿非线性移动来实现焦距变化，且像面保持不变，但在设计、材料选择、冷屏匹配等方面都有较大的困难，并且这类系统轴向尺寸长，前部透镜口径大，装调过程中保持像面清晰有很大难度。

目前，红外断续变焦系统通常使用的主要有两档变倍和三档变倍。红外断续变焦系统可以分成几种不同类型，第一种为切入型断续变焦系统，可以分多组以不同顺序多次切入（出）不同组件，每切入（出）一组光学组件就可以获得一次不同系统焦距变化；第二种为改变间隔型断续变焦系统，通过在光学系统中，部分光学组件沿光轴方向移动，改变光学间隔以实现系统焦距变化，但在移动过程中只能在几个特定位置上保持系统像面大小和位置不变且成像质量满足要求。

切入型断续变焦系统能实现两个或三个焦距的变化，但实现三个焦距的变化时，需要分别打入两组不同的光学部件，系统体积会增大。打入光学部件的光轴难以和原系统的光轴重合且机构较多，对光学和机构加工要求很高。通过本发明的实施仅需打入一块光学平板，可以有效地减少打入光学部件以及机构的数量，装调过程中光轴一致性的问题得到很好的解决；改变间隔型断续变焦系统可以实现三个焦距的变化，但需要移动两组以上的光学组件，且光学组件移动的行程会较长，这样会使整机的体积增大，导致重量上升。通过本发明的实施可以有效地减少移动光学部件以及机构的数量，且行程会缩短，这样体积重量都可以得到减小。

发明内容

针对现有红外断续变焦系统的不足，本发明提供一种大变倍比长波红外三视场光学系统，该系统变焦方式新颖，切换时间短，装配调整简单，纵向尺寸紧凑，透镜组元之间空间尺寸大，透过率高，成像效果较好。

为了解决上述技术问题，本发明所述的长波红外三视场光学系统采用的技术方案是：从物方到像方依次由前固定组、变倍组、后固定组、光学平板、第一反射镜、第二反射镜和二次成像组组成，其中：

前固定组为一凸面朝向物侧的弯月形正透镜，其作用是将物方景物会聚；

变倍组由两片透镜构成，通过轴向移动变倍组可以改变光学系统的焦距，即改变变倍倍率，同时可进行调焦与温度补偿；

后固定组由两片透镜构成，其作用是将物方景物会聚成成像系统的一次实像；

光学平板的作用是当切换到大视场时，放置于后固定组的两片透镜之间，进行光路平移，保证像面稳定；

第一反射镜成45度放置于后固定组后，其作用是减小光路的横向尺寸；

第二反射镜成45度放置于二次成像组前，其作用是折转光路；光学系统的一次实像的成像位置在第一反射镜和第二反射镜之间；

二次成像组由两片透镜构成，其作用是将一次像面聚焦于二次像面，实现100%冷屏效率以及有效缩小前固定组的口径。

本发明所述的前固定组透镜的第二表面、后固定组中的第一透镜的第二表面、二次成像组中的第二透镜的第一表面均采用高次非球面。

本发明所述的长波红外三视场光学系统，其工作波段为7.7～9.5μm，F#为3，视场分别为0.96°×0.72°，6°×4.5°，27°×21°。

本发明的工作原理是：目标的辐射光线首先经过前固定组、变倍组、后固定组后汇聚，形成一次像面，再通过二次成像透镜组进行二次成像。变倍组与后固定组间隔最小时，光学系统处于小视场；变倍组沿光轴从靠近后固定组的位置向前固定组移动，实现小视场到中视场的变换；变倍组沿光轴再向前固定组移动，同时在后固定组中间切入一块光学平板，实现中视场到大视场的变换。光学系统小视场的有效焦距与大视场的有效焦距之比就是变倍比。

本发明的技术效果是：采用两种断续变焦混合的方式，移动一组变倍组，打入一块光学平板，可实现大、中、小三个视场，且达到28倍的变倍比，在三个视场成像质量优良。与其他系统相比减少打入光学部件以及机构的数量，装调过程中光轴一致性的问题得到很好的解决，具有装调简单，利于批量生产的特点。

本发明采用二次成像技术，从小视场变换到大视场，仅由7组镜片实现，变倍组最大行程小于100mm，实现100%冷屏效率。采用两个45°放置的反射镜对光路进行U型折叠的设计，使光学系统具有紧凑的结构，长×宽×高的尺寸小于280 mm×200 mm×200 mm。

附图说明

图1为本发明的光学系统在长焦位置（F=560 mm）的示意图；

图2为本发明的光学系统在中焦位置（F=92 mm）的示意图；

图3为本发明的光学系统在短焦位置（F=20 mm）的示意图。

图中，1为前固定组，2为变倍组，21为变倍组第一透镜，22为变倍组第二透镜，3为后固定组，31为后固定组第一透镜，32为后固定组第二透镜，4为第一反射镜，5为第二反射镜，6为二次成像组，61为二次成像组第一透镜，62为二次成像组第二透镜，7为光学平板。

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384×288元25μm凝视型焦平面探测器的例子。

图1、图2、图3分别是本发明所述的长波红外三视场光学系统在长焦、中焦、短焦位置时的示意图。其特征在于：从物方到像方依次由正光焦度的前固定组1、负光焦度的变倍组2、正光焦度的后固定组3、光学平板7、第一反射镜4、第二反射镜5和正光焦度的二次成像组6组成。

其中，前固定组1为一凸面朝向物侧的弯月形锗正透镜，其作用是将物方景物会聚。

变倍组第一透镜21和变倍组第二透镜22构成变倍组2，通过轴向移动变倍组可以改变光学系统的焦距，即改变变倍倍率，同时可进行调焦与温度补偿。

后固定组第一透镜31和后固定组第二透镜32构成后固定组3，其作用是将物方景物会聚成成像系统的一次实像，即形成一次像面。

第一反射镜4成45度放置于后固定透镜组3后，其作用是减小光路的横向尺寸。

第二反射镜5成45度放置于二次成像组6前，其作用是折转光路。光学系统的一次实像成像在第一反射镜4和第二反射镜5之间。

二次成像组第一透镜61和二次成像组第二透镜62构成二次成像组6，其作用是将一次像面聚焦于二次像面。可实现100%冷屏效率以及有效缩小前固定组的口径。

光学平板7的作用是当切换到大视场时，放置于后固定组3的两片透镜31和32之间，进行光路平移，保证像面稳定。

为提高成像质量，减小温度变化对成像质量的影响，前固定组1的第二表面S2、后固定组第一透镜31的第二表面S8和二次成像组第二透镜62的第一表面S15均采用高次非球面。

该光学系统的工作波段为7.7～9.5μm，F#为3，变倍比为28倍，视场分别为0.96°×0.72°，6°×4.5°，27°×21°。

如图1和图2所示，当光学系统从小视场调整到中视场时，变倍组2沿光轴从靠近后固定组3的位置向前固定组1移动，移动距离为38mm，此时一次像面位置不变。

如图2和图3所示，当光学系统从中视场调整到大视场时，变倍组2沿光轴再向前固定组1移动，移动距离为60mm，同时在后固定组3的第一透镜31和第二透镜32之间切入光学平板7，改变后固定组3的有效焦距，用以补偿变倍组2移动带来的像面位移。切入的光学平板7不会带来光轴的偏移，对于瞄准系统来说三个视场的光轴偏移量较好控制，对装调有较大的优势。

表一：本发明光学系统的优选实施例

表一中，Sn代表各镜片的表面序号；曲率半径是指每个镜片表面的曲率半径；间距是指两相邻镜片表面的距离（如：表面S1的间距，是指表面S1至表面S2间的距离）；材料是镜片所用材料，其中空气指前后两个透镜之间的介质为空气，反射镜指第一反射镜和第二反射镜的反射表面；备注栏表明镜片的编号。

表二：镜片表面S2、S8、S15的非球面系数

表面序号	K	A	B	C	D
						S2	0	8.48×10^-10	7.07×10^-15	2.95×10^-15	-3.7261×10^-18
S8	0	3.33×10^-07	-3.77×10^-11	9.39×10^-15	4.91×10^-18
						S15	0	-6.69×10^-07	1.26×10^-11	-9.31×10^-15	7×10^-18

偶次非球面方程定义如下：

表三：本实施例在长焦、中焦、短焦时的重要参数值

中视场变换到大视场时，在后固定组第一透镜31和后固定组第二透镜32中间切入的光学平板7的材料为硒化锌，厚度为17mm。

本发明通过实际使用证明：该光学系统具有体积小、结构紧凑、三个视场的成像质量优良、三个视场的光轴一致性好、装调简单、利于批量生产等特点。

本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims

1.一种长波红外三视场光学系统，其特征在于：从物方到像方依次由前固定组⑴、变倍组⑵、后固定组⑶、光学平板⑺、第一反射镜⑷、第二反射镜⑸和二次成像组⑹组成，其中：

前固定组⑴为一凸面朝向物侧的弯月形正透镜，其作用是将物方景物会聚；

变倍组⑵由两片透镜构成，通过轴向移动变倍组可以改变光学系统的焦距，即改变变倍倍率，同时可进行调焦与温度补偿；

后固定组⑶由两片透镜构成，其作用是将物方景物会聚成成像系统的一次实像；

光学平板⑺的作用是当切换到大视场时，放置于后固定组的两片透镜之间，进行光路平移，保证像面稳定；

第一反射镜⑷成45度放置于后固定组后，其作用是减小光路的横向尺寸；

第二反射镜⑸成45度放置于二次成像组前，其作用是折转光路；光学系统的一次实像的成像位置在第一反射镜和第二反射镜之间；

二次成像组⑹由两片透镜构成，其作用是将一次像面聚焦于二次像面，实现100%冷屏效率以及有效缩小前固定组的口径。

2.按照权利要求1所述的长波红外三视场光学系统，其特征在于：前固定组⑴透镜的第二表面（S2）、后固定组中的第一透镜（31）的第二表面（S8）、二次成像组中的第二透镜（62）的第一表面（S15）均采用高次非球面。

3.按照权利要求1所述的长波红外三视场光学系统，其特征在于：其工作波段为7.7～9.5μm，F#为3，视场分别为0.96°×0.72°，6°×4.5°，27°×21°。

4.按照权利要求1所述的长波红外三视场光学系统，其特征在于：在小视场、中视场时，光学平板⑺不切入光路；当切换到大视场时，光学平板⑺切入光路并位于后固定组第一透镜（31）和后固定组第二透镜（32）之间。

5.按照权利要求1所述的长波红外三视场光学系统，其特征在于：光学平板⑺的材料为硒化锌，厚度为17mm。