CN105334603A - 一种轴向变倍三视场长波红外成像光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种轴向变倍三视场长波红外成像光学系统，包括从物方到像方同光轴依次设置的物镜、变倍镜、补偿镜、调焦镜和汇聚镜组，补偿镜中的靠近像方的表面为衍射面；光学系统的设计指标参数为：工作波段为7700nm～9500nm，在大视场下该系统的焦距是22mm，在中视场下该系统的焦距是92mm，在小视场下该系统的焦距为550mm；工作环境温度为-40℃～60℃。通过轴向移动变倍镜和补偿镜实现三个视场之间的切换，而且，变倍比能够达到25倍；另外，通过轴向调整调焦镜的位置，能够补偿因温度变化带来的焦点在像面上的漂移，保证像质不随温度改变，使得光学系统高低温环境适应性良好。

Description

一种轴向变倍三视场长波红外成像光学系统
技术领域
本发明涉及一种轴向变倍三视场长波红外成像光学系统。
背景技术
国内外红外三视场连续变焦光学系统的实现方式，分为径向变倍方式和轴向变倍方式，而轴向变倍方式是统通过变倍镜与补偿镜在光轴上的不同位置实现三视场的转换，具有体积小、重量轻的优点，但是变倍比大于20倍的轴向变倍光学系统在实际设计中校正像差存在一定难度。
发明内容
本发明的目的是提供一种轴向变倍三视场长波红外成像光学系统。
为实现上述目的，本发明的方案包括一种轴向变倍三视场长波红外成像光学系统，包括从物方到像方同光轴依次设置的物镜、变倍镜、补偿镜、调焦镜和汇聚镜组，所述补偿镜中的靠近像方的表面为衍射面；
所述光学系统的设计指标参数为：工作环境温度：-45℃～+60℃；工作波段为7700nm～9500nm；在大视场下，该光学系统的焦距是22mm，在中视场下，该光学系统的焦距是92mm，在小视场下，该光学系统的焦距为550mm；光学系统F#为3；
通过轴向移动变倍镜和补偿镜实现三个视场之间的切换；通过轴向调整调焦镜的位置，实现补偿因温度变化带来的焦点在像面上的漂移。
所述汇聚镜组包括依次同轴设置的第一汇聚镜和第二汇聚镜，所述物镜为光焦度为正的的透镜，所述变倍镜为光焦度为负的透镜，所述补偿镜为光焦度为正的透镜，所述调焦镜为光焦度为负的透镜，所述第一汇聚镜为光焦度为正的透镜，所述第二汇聚镜为光焦度为负的透镜，所述第一汇聚镜和第二汇聚镜整体构成光焦度为正的汇聚镜组。
所述物镜的材料为锗，所述变倍镜的材料为锗，所述补偿镜的材料为锗，所述调焦镜的材料为锗，所述第一汇聚镜的材料为锗，所述第二汇聚镜的材料为硒化锌。
所述变倍镜中的靠近物方的表面、补偿镜中的靠近像方的表面、调焦镜中的靠近像方的表面、第一汇聚镜中的靠近物方的表面和第二汇聚镜中的靠近物方的表面为非球面。
所述物镜的靠近物方的表面为凸面，物镜的靠近像方的表面为凹面，变倍镜的靠近物方的表面为凹面，变倍镜的靠近像方的表面为凹面，补偿镜的靠近物方的表面为凸面，补偿镜的靠近像方的表面为凸面，调焦镜的靠近物方的表面为凹面，调焦镜的靠近像方的表面为凸面，第一汇聚镜的靠近物方的表面为凸面，第一汇聚镜的靠近像方的表面为凸面，第二汇聚镜的靠近物方的表面为凹面，第二汇聚镜的靠近像方的表面为凹面。
所述物镜的靠近物方的表面曲率半径为284.4mm，物镜的靠近像方的表面曲率半径为456.4mm；变倍镜的靠近物方的表面曲率半径为-235mm，变倍镜的靠近像方的表面曲率半径为199.76mm；补偿镜的靠近物方的表面曲率半径为266.7mm，补偿镜的靠近像方的表面曲率半径为-318mm；调焦镜的靠近物方的表面曲率半径为-74.89mm，调焦镜的靠近像方的表面曲率半径为-102.2mm；第一汇聚镜的靠近物方的表面曲率半径为144.94mm，第一汇聚镜的靠近像方的表面曲率半径为-126.93mm；第二汇聚镜的靠近物方的表面曲率半径为-103.21mm，第二汇聚镜的靠近像方的表面曲率半径为138.65mm。
所述物镜的厚度为14.5mm，所述变倍镜的厚度为7mm，所述补偿镜的厚度为8.7mm，所述调焦镜的厚度为5mm，所述第一汇聚镜的厚度为6.3mm，所述第二汇聚镜的厚度为3.5mm；所述调焦镜与第一汇聚镜之间的间隔为152.5mm，所述第一汇聚镜与第二汇聚镜之间的间隔为12.7mm；
当所述物镜与变倍镜之间的间隔为150mm，所述变倍镜与补偿镜之间的间隔为8.6mm，所述补偿镜与调焦镜之间的间隔为87.3mm时，该光学系统处于小视场下；当所述物镜与变倍镜之间的间隔为123.9mm，所述变倍镜与补偿镜之间的间隔为95.5mm，所述补偿镜与调焦镜之间的间隔为26.5mm时，该光学系统处于中视场下；当所述物镜与变倍镜之间的间隔为40.1mm，所述变倍镜与补偿镜之间的间隔为189.6mm，所述补偿镜与调焦镜之间的间隔为16.2mm时，该光学系统处于大视场下。
本发明提供额光学系统具有三种视场，在大视场下，该光学系统的焦距是22mm，在中视场下，该光学系统的焦距是92mm，在小视场下，该光学系统的焦距为550mm，并且，通过轴向移动变倍镜和补偿镜实现三个视场之间的随意切换，而且，变倍比能够达到25倍；另外，通过轴向调整调焦镜的位置，能够补偿因温度变化带来的焦点在像面上的漂移，保证像质不随温度改变，使得光学系统高低温环境适应性良好。所以，该光学系统能够在军事用途中的搜索、跟踪和识别的系统中广泛应用。另外，该光学系统结构简单，镜片数较少，能够以较小的投资实现高变倍比、且能够轴向变倍、以及三视场随意切换的功能。
附图说明
图1是轴向变倍三视场长波红外成像光学系统在小视场下的构型示意图；
图2是轴向变倍三视场长波红外成像光学系统在中视场下的构型示意图；
图3是轴向变倍三视场长波红外成像光学系统在大视场下的构型示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
本发明提供的轴向变倍三视场长波红外成像光学系统采用二次成像构型对长波红外辐射进行汇聚成像，以有效地压缩物镜的口径。如图1、2或者3所示，该轴向变倍三视场长波红外成像光学系统包括从物方到像方同光轴依次设置的物镜1、变倍镜2、补偿镜3、调焦镜4和汇聚镜组，其中，汇聚镜组由依次同轴设置的汇聚镜5和汇聚镜6构成。图1-3中的7、8和9部分为探测器的组成部分，其与本发明无关，在此不做赘述。
该光学系统的设计指标参数为：工作波段为7700nm～9500nm，中心波长为8500nm；在大视场下，该光学系统的焦距是22mm，在中视场下，该光学系统的焦距是92mm，在小视场下，该光学系统的焦距为550mm；光学系统F#为3。另外，该光学系统的适用的探测器像面尺寸为9.6mm×7.68mm。
通过轴向移动变倍镜2和补偿镜3实现三个视场之间的切换，变倍比达25倍。另外，变倍镜2和补偿镜3只有三个位置是能够清晰成像的，分别对应着大视场、中视场和小视场，而变倍镜和补偿镜在轴向移动的过程中，并不能清晰成像，所以，变倍镜2和补偿镜3并不是连续变焦，而只有在上述分别对应着大视场、中视场和小视场三个位置时才能够清晰成像。
并且，在高低温(工作环境：-40℃～60℃)环境温度下，通过轴向调整调焦镜4的位置，实现补偿因温度变化带来的焦点在像面上的漂移，保证像质不随温度改变，使得光学系统高低温环境适应性良好。
另外，补偿镜3中的靠近像方的表面为衍射面。衍射光学元件具有消色差和消单色像差的功能，在光学系统中引入衍射面，在保证光学系统像质的前提下，可有效减化系统结构及降低成本。该光学系统为轴向变倍的三视场(焦距分别为550mm、92mm、22mm)长波红外光学系统，小视场焦距长达550mm，变倍比为25倍(光学系统的长焦与短焦之比)。随着焦距的增加，消除系统色差的难度增加，同时，在长波红外波段，可选用的光学材料有限，在兼顾三视场像质的条件下，在光学系统中引入衍射光学元件，可较好的消除色差和单色像差，有效减少透镜片数、减轻质量、提高透过率。另外，衍射面放置在补偿镜上的优点为：在该光学系统的具体构型中(光学材料的搭配组合以及光焦度的分配)，将衍射面放置于补偿镜上为最优，能最大限度地提升光学系统的像质。
基于上述基本参数，以下给出一种该光学系统的具体实施方式。
在该光学系统中，物镜1为光焦度为正的透镜，变倍镜2为光焦度为负的透镜，补偿镜3为光焦度为正的透镜，调焦镜4为光焦度为负的透镜，汇聚镜5为光焦度为正的透镜，汇聚镜6为光焦度为负的透镜，汇聚镜5和汇聚镜6整体构成光焦度为正的汇聚镜组。
变倍镜2中的靠近物方的表面、补偿镜3中的靠近像方的表面、调焦镜4中的靠近像方的表面、汇聚镜5中的靠近物方的表面和汇聚镜6中的靠近物方的表面为非球面。
为了保证成像良好、稳定，该光学系统整体上采用锗和硒化锌作为透镜材料，具体为：物镜1的材料为锗，变倍镜2的材料为锗，补偿镜3的材料为锗，调焦镜4的材料为锗，汇聚镜5的材料为锗，汇聚镜6的材料为硒化锌。
按照光路的走向，透镜的第一面为靠近物方的表面，第二面为靠近像方的表面，那么，物镜1的第一面为凸面，物镜1的第二面为凹面，变倍镜2的第一面为凹面，变倍镜2的第二面为凹面，补偿镜3的第一面为凸面，补偿镜3的第二面为凸面，调焦镜4的第一面为凹面，调焦镜4的第二面为凸面，汇聚镜5的第一面为凸面，汇聚镜5的第二面为凸面，汇聚镜6的第一面为凹面，汇聚镜6的第二面为凹面。
而且，物镜1的第一面曲率半径为284.4mm，物镜1的第二面曲率半径为456.4mm；变倍镜2的第一面曲率半径为-235mm，变倍镜2的第二面曲率半径为199.76mm；补偿镜3的第一面曲率半径为266.7mm，补偿镜3的第二面曲率半径为-318mm；调焦镜4的第一面曲率半径为-74.89mm，调焦镜4的第二面曲率半径为-102.2mm；汇聚镜5第一面曲率半径为144.94mm，汇聚镜5第二面曲率半径为-126.93mm；汇聚镜6的第一面曲率半径为-103.21mm，汇聚镜6的第二面曲率半径为138.65mm。
上述中提到，该光学系统能够通过轴向移动变倍镜2和补偿镜3实现大、中、小三个视场之间的切换，但是，不管怎么切换，该光学系统中的各个透镜均有以下的参数：物镜1的厚度为14.5mm，变倍镜2的厚度为7mm，补偿镜3的厚度为8.7mm，调焦镜4的厚度为5mm，汇聚镜5的厚度为6.3mm，汇聚镜6的厚度为3.5mm。
但是，由于该光学系统中的变倍镜2和补偿镜3能够通过轴向移动，那么，物镜1与变倍镜2之间的间隔、变倍镜2与补偿镜3之间的间隔、补偿镜3与调焦镜4之间的间隔根据不同的视场会有不同的间隔。另外，上述提到，变倍镜2和补偿镜3只有三个位置是能够清晰成像的，分别对应着大视场、中视场和小视场。比如：在轴向移动变倍镜2和补偿镜3实现变焦时，如图1所示，当物镜1与变倍镜2之间的间隔为150mm，变倍镜2与补偿镜3之间的间隔为8.6mm，补偿镜3与调焦镜4之间的间隔为87.3mm时，该光学系统处于小视场下；如图2所示，当物镜1与变倍镜2之间的间隔为123.9mm，变倍镜2与补偿镜3之间的间隔为95.5mm，补偿镜3与调焦镜4之间的间隔为26.5mm时，该光学系统处于中视场下；如图3所示，当物镜1与变倍镜2之间的间隔为40.1mm，变倍镜2与补偿镜3之间的间隔为189.6mm，补偿镜3与调焦镜4之间的间隔为16.2mm时，该光学系统处于大视场下。
另外，通过轴向调整调焦镜4的位置，能够补偿因温度变化带来的焦点在像面上的漂移，在常温条件下，调焦镜4与汇聚镜5之间的间隔为152.5mm；在-45℃条件下，调焦镜4与汇聚镜5之间的间隔调整为144mm即可补偿焦点在像面上的漂移；在+60℃条件下，调焦镜4与汇聚镜5之间的间隔调整为158mm，即可补偿焦点在像面上的漂移。而汇聚镜5与汇聚镜6之间的间隔是固定的，为12.7mm。
以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种轴向变倍三视场长波红外成像光学系统，其特征在于，包括从物方到像方同光轴依次设置的物镜、变倍镜、补偿镜、调焦镜和汇聚镜组，所述补偿镜中的靠近像方的表面为衍射面；
所述光学系统的设计指标参数为：工作环境温度：-45℃～+60℃；工作波段为7700nm～9500nm；在大视场下，该光学系统的焦距是22mm，在中视场下，该光学系统的焦距是92mm，在小视场下，该光学系统的焦距为550mm；光学系统F#为3；
通过轴向移动变倍镜和补偿镜实现三个视场之间的切换；通过轴向调整调焦镜的位置，实现补偿因温度变化带来的焦点在像面上的漂移。
2.根据权利要求1所述的轴向变倍三视场长波红外成像光学系统，其特征在于，所述汇聚镜组包括依次同轴设置的第一汇聚镜和第二汇聚镜，所述物镜为光焦度为正的的透镜，所述变倍镜为光焦度为负的透镜，所述补偿镜为光焦度为正的透镜，所述调焦镜为光焦度为负的透镜，所述第一汇聚镜为光焦度为正的透镜，所述第二汇聚镜为光焦度为负的透镜，所述第一汇聚镜和第二汇聚镜整体构成光焦度为正的汇聚镜组。
3.根据权利要求2所述的轴向变倍三视场长波红外成像光学系统，其特征在于，所述物镜的材料为锗，所述变倍镜的材料为锗，所述补偿镜的材料为锗，所述调焦镜的材料为锗，所述第一汇聚镜的材料为锗，所述第二汇聚镜的材料为硒化锌。
4.根据权利要求2所述的轴向变倍三视场长波红外成像光学系统，其特征在于，所述变倍镜中的靠近物方的表面、补偿镜中的靠近像方的表面、调焦镜中的靠近像方的表面、第一汇聚镜中的靠近物方的表面和第二汇聚镜中的靠近物方的表面为非球面。
5.根据权利要求2所述的轴向变倍三视场长波红外成像光学系统，其特征在于，所述物镜的靠近物方的表面为凸面，物镜的靠近像方的表面为凹面，变倍镜的靠近物方的表面为凹面，变倍镜的靠近像方的表面为凹面，补偿镜的靠近物方的表面为凸面，补偿镜的靠近像方的表面为凸面，调焦镜的靠近物方的表面为凹面，调焦镜的靠近像方的表面为凸面，第一汇聚镜的靠近物方的表面为凸面，第一汇聚镜的靠近像方的表面为凸面，第二汇聚镜的靠近物方的表面为凹面，第二汇聚镜的靠近像方的表面为凹面。
6.根据权利要求5所述的轴向变倍三视场长波红外成像光学系统，其特征在于，所述物镜的靠近物方的表面曲率半径为284.4mm，物镜的靠近像方的表面曲率半径为456.4mm；变倍镜的靠近物方的表面曲率半径为-235mm，变倍镜的靠近像方的表面曲率半径为199.76mm；补偿镜的靠近物方的表面曲率半径为266.7mm，补偿镜的靠近像方的表面曲率半径为-318mm；调焦镜的靠近物方的表面曲率半径为-74.89mm，调焦镜的靠近像方的表面曲率半径为-102.2mm；第一汇聚镜的靠近物方的表面曲率半径为144.94mm，第一汇聚镜的靠近像方的表面曲率半径为-126.93mm；第二汇聚镜的靠近物方的表面曲率半径为-103.21mm，第二汇聚镜的靠近像方的表面曲率半径为138.65mm。
7.根据权利要求6所述的轴向变倍三视场长波红外成像光学系统，其特征在于，所述物镜的厚度为14.5mm，所述变倍镜的厚度为7mm，所述补偿镜的厚度为8.7mm，所述调焦镜的厚度为5mm，所述第一汇聚镜的厚度为6.3mm，所述第二汇聚镜的厚度为3.5mm；所述调焦镜与第一汇聚镜之间的间隔为152.5mm，所述第一汇聚镜与第二汇聚镜之间的间隔为12.7mm；
当所述物镜与变倍镜之间的间隔为150mm，所述变倍镜与补偿镜之间的间隔为8.6mm，所述补偿镜与调焦镜之间的间隔为87.3mm时，该光学系统处于小视场下；当所述物镜与变倍镜之间的间隔为123.9mm，所述变倍镜与补偿镜之间的间隔为95.5mm，所述补偿镜与调焦镜之间的间隔为26.5mm时，该光学系统处于中视场下；当所述物镜与变倍镜之间的间隔为40.1mm，所述变倍镜与补偿镜之间的间隔为189.6mm，所述补偿镜与调焦镜之间的间隔为16.2mm时，该光学系统处于大视场下。
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