CN105445934A - 一种紧凑型切换式三视场中波红外光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种紧凑型切换式三视场中波红外光学系统，从物方到像方依次包括前透镜组G1、中继透镜组G2、大视场转换透镜组G3及中视场转换透镜组G4，其中前透镜组G1、中继透镜组G2被大、中、小三个视场状态共用。本发明利用二次成像原理压缩光学系统轴向尺寸，光学系统采用径向切入切出变倍镜组G3、G4，实现三视场光学系统视场的转换。本发明中光学系统轴向尺寸紧凑，避免了增加反射镜折叠光路，同时窄视场具有最高的光轴精度和最高的光学透过率，且视场切换时间短。

Description

一种紧凑型切换式三视场中波红外光学系统

技术领域

本发明公开了一种紧凑型切换式三视场中波红外光学系统，涉及红外热成像技术领域。

背景技术

红外热成像的应用领域通常需要红外光学系统能够同时提供高放大倍率的小视场图像和低放大倍率的大视场图像以完成系统对目标的搜索、瞄准和跟踪功能。两档或多档变焦红外光学系统简捷而实用，双视场红外光学系统的大视场或低放大倍率模式可用于观察大的景物区域、搜索疑似目标，小视场或高放大倍率模式可用于仔细观察或放大目标，对目标进行识别、跟踪与瞄准。当大视场和小视场之间焦距变倍比比较大时，在两个视场中间加入一个过渡视场，则可以对大视场和小视场起到一个很好的补充作用。

目前红外三视场光学系统的变倍方式有三种：径向切入、旋转变倍和轴向变倍。轴向变倍采用变倍镜和补偿镜的相对位置移动实现多视场变换，旋转变倍方式采用不同变倍镜组旋转切换来实现多视场的转换；以上两种方式往往造成光学系统的轴向尺寸过长，为压缩系统轴向长度常在系统后部增加一片或两片反射镜折叠光路，无疑会增加系统复杂程度及装调难度。径向切入方式采用不同变倍组径向切换实现三视场的转换，可以有效压缩光学系统的轴向长度，缩短视场切换时间。

无人机是当前应用开发的热点，无人机可以搭载可见光相机或红外热像仪进行航拍。热像仪通过探测物体本身发出的红外线，对景物温度分布进行成像，提供了比可见光更多的信息，可用于夜视巡航、搜寻救援、设备巡检、农林牧渔等。无人机搭载热像仪要求红外光学系统重量轻、体积紧凑、成像优良、视场切换时间短。为此本发明提供一种重量轻、结构紧凑、切换式三视场中波红外光学系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的缺陷，提供一种紧凑型切换式三视场中波制冷红外光学系统，利用二次成像原理压缩光学系统轴向尺寸，采用径向切入切出变倍镜组，实现三视场光学系统视场的转换。本发明中光学系统轴向尺寸紧凑，避免了增加反射镜折叠光路，同时窄视场具有最高的光轴精度和最高的光学透过率，且视场切换时间短。本发明轴向尺寸紧凑，重量轻，适用于无人机等对载荷重量、体积要求较高的场所，保证光学系统仍具有长焦距、三视场、成像质量优良的特点。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本发明中，设定光学系统光学总长为T,系统在小视场状态的焦距为fn,中继透镜组G2的放大率为m，则T/fn≤0.35，-4≤m≤-2。

从物方到像方依次由前透镜组G1、中继透镜组G2、大视场转换透镜组G3及中视场转换透镜组G4，其中前透镜组G1、中继透镜组G2被大、中、小三个视场状态共用。

其中，前透镜组G1由第一至第三透镜组成，第一、三透镜具有正光焦度且凸面弯向物方的弯月形透镜，第二透镜为具有负光焦度的弯月形透镜；

中继透镜组G2由第七至第九透镜组成，三个透镜分别具有正光焦度；

大视场转换透镜组G3由第四至第六透镜组成，第四、六透镜具有负光焦度，第五透镜具有正光焦度；

中视场转换透镜组G4由第十三至第十五透镜组成，第十三、十五透镜具有负光焦度，第十四透镜具有正光焦度；

本发明所述的中波红外三视场光学系统，其工作波段为3um～5um，视场分别为1.2°x0.9°,5°x4°,17°x14°,系统在三个视场状态下的焦距与各自入瞳孔径比值，亦即系统F数为4；可用于像素15um大小的中波制冷探测器；

本发明所述光学系统中每个透镜的材料为单晶锗、硅、硫化锌或硒化锌；

本发明的原理：前透镜组G1与中继透镜组G2两者构成窄视场光路，目标的辐射光通过前透镜组G1成一次实像，通过中继透镜组G2再次成像到中波制冷红外探测器的靶面上，即二次成像，以实现100％冷屏效率，同时有效缩小前组镜片的口径，进一步的还可以缩短系统轴向尺寸。

当大视场转换透镜组G3打入G1、G2所形成的小视场光路时，实现小视场到大视场光路的变换；

当中视场转换透镜组G4打入G1、G2所形成的小视场光路时，实现小视场到中视场光路的变换。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.本发明采用切换方式实现三视场中波红外系统，通过合理使用不同红外材料，并借助非球面及衍射面实现光学系统轴向尺寸短、结构紧凑、成像质量好、长焦距的特点；

2.本发明实现系统光学总长T与系统小视场状态的焦距fn比值T/fn≤0.35；

3.本发明分视场状态的焦距值与各自入瞳孔径的比值，即系统F数为4；

4.通过使用二次成像不仅实现100％冷光阑效率，压缩前组镜片的尺寸，进一步的可以有效缩短光学系统的轴向长度尺寸。

附图说明

图1为本发明所采用的大、中、小三个视场切换示意图；

图2为本发明的光学系统在大视场工作状态下的结构示意图；

图3为本发明的光学系统在中视场工作状态下的结构示意图；

图4为本发明的光学系统在小视场工作状态下的结构示意图；

图5为本发明的光学系统在大视场工作状态下的光学传递函数曲线图；

图6为本发明的光学系统在中视场工作状态下的光学传递函数曲线图；

图7为本发明的光学系统在小视场工作状态下的光学传递函数曲线图；

其中：G1至G4分别为前透镜组、中继透镜组、大视场转换透镜组和中视场转换透镜组；S1至S18、S23至S28分别为光学系统中各个视场内的光线接触面，S19、S20为中波红外探测器保护窗前后表面，S21为中波红外探测器冷屏，S22为中波红外探测器靶面；1-9分别是组成该光学系统的第一至第九透镜，13-15分别为第十至十二透镜，10为中波红外探测器保护窗玻璃，11为中波红外探测器冷屏，12为中波红外探测器靶面。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明的光学系统在大、中、小视场工作状态下的结构示意图分别如图2、图3、图4所示，本发明所采用的大、中、小三个视场切换示意图如图1所示。

从物方到像方依次由前透镜组G1、中继透镜组G2、大视场转换透镜组G3及中视场转换透镜组G4，其中前透镜组G1、中继透镜组G2为大、中、小三个视场状态共用。

其中，前透镜组G1由第一至第三透镜组成，第一、三透镜具有正光焦度且凸面弯向物方的弯月形透镜，第二透镜为具有负光焦度的弯月形透镜；

中继透镜组G2由第七至九透镜组成，三个透镜分别具有正光焦度；

大视场转换透镜组G3由第四至第六透镜组成，第四、六透镜具有负光焦度，第五透镜具有正光焦度；

中视场转换透镜组G4由第十三至第十五透镜组成，第十三、十五透镜具有负光焦度，第十四透镜具有正光焦度；

前透镜组G1与中继透镜组G2两者构成窄视场光路；当大视场转换透镜组G3打入G1、G2所形成的窄视场光路时，实现小视场到大视场光路的变换；当中视场转换透镜组G4打入G1、G2所形成的窄视场光路时，实现小视场到中视场光路的变换。

表1为本实施例所述光学系统的技术指标，表2为本实施例所述光学系统的在大视场及中视场状态具体光学参数，为清晰起见将本具体实施例的光学系统在小视场工作状态的参数单独列于表3。

表1：光学系统的技术指标

表2：光学系统的大视场\中视场状态的具体光学参数

表3：光学系统小视场状态具体光学参数

上述表2、表3中，曲率半径是指每个镜片表面的曲率半径，厚度或间隔是指镜片厚度或相邻镜片表面距离，材料是镜片所用材料，空气是指两个透镜之间介质为空气。

为使光学系统获得比较好的成像质量，光学系统中使用非球面及衍射面，减小包括色差在内的多种像差。

表4是其非球面系数，表5是所使用的衍射面系数，如下所述：

表4：具体实施例中使用非球面系数

表5：具体实施例中使用衍射面系数

表4中各表面所采用的非球面方程为：

$ZA=\frac{Y^2}{R\sqrt{1+\[1-\left(1+k\right)(\frac{Y}{R}}{)}^2\]}+{\mathrm{AY}}^4+{\mathrm{BY}}^6+{\mathrm{CY}}^8+{\mathrm{DY}}^{10}$

其中，ZA为非球面沿光轴方向的透镜矢高；R为表面与光轴OO’交点处的曲率半径；Y为透镜垂直于光轴方向的半口径；k为圆锥系数；A、B、C、D分别为非球面系数。

表5所采用的衍射面方程为：

Φ＝A₁Y²+A₂Y⁴+A₃Y⁶

其中，Φ为衍射面的位相；Y为透镜垂直于光轴方向的半口径；A1、A2、A3为衍射面位相系数。

图5为本实施例在大视场工作状态下光学传递函数曲线图，图6为本实施例在中视场工作状态下光学传递函数曲线图，图7为本实施例在小视场工作状态下光学传递函数曲线图。在图5至图7中的数据统计中，横坐标是每毫米的空间频率,纵坐标是模量传递函数,TS分别代表子午、弧矢方向,采用本发明技术方案，在三个视场状态下光学系统的成像质量良好。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是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。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种紧凑型切换式三视场中波红外光学系统，包括中波红外探测器，其特征在于：还包括由第一至第十二透镜分别组成的前透镜组、中继透镜组、大视场转换透镜组以及中视场转换透镜组，所述中继透镜组被大、中、小三个视场状态共用；

所述前透镜组由第一至第三透镜组成，第一、三透镜具有正光焦度且凸面弯向物方的弯月形透镜，第二透镜为具有负光焦度的弯月形透镜；

所述中继透镜组由第七至第九透镜组成，三个透镜分别具有正光焦度；

所述大视场转换透镜组由第四至第六透镜组成，第四、六透镜具有负光焦度，第五透镜具有正光焦度；

所述中视场转换透镜组由第十至第十二透镜组成，第十、十二透镜具有负光焦度，第十一透镜具有正光焦度；

所述前透镜组与中继透镜组构成小视场光路状态，目标的辐射光通过前透镜组成一次实像，通过中继透镜组再次成像到中波制冷红外探测器的靶面上，即二次成像；

所述前透镜组、大视场转换透镜组与中继透镜组构成大视场光路状态，当大视场转换透镜组打入前透镜组与中继透镜组构成的小视场光路时，实现小视场到大视场光路的变换；

所述前透镜组、中视场转换透镜组与中继透镜组构成中视场光路状态，当中视场转换透镜组打入前透镜组与中继透镜组构成的小视场光路时，实现小视场到中视场光路的变换。

2.如权利要求1所述的一种紧凑型切换式三视场中波红外光学系统，其特征在于：所述第一至第十二透镜的材料为单晶锗、硅、硫化锌或硒化锌。

3.如权利要求1所述的一种紧凑型切换式三视场中波红外光学系统，其特征在于：设定所述光学系统的光学总长为T，系统在小视场状态的焦距为fn，中继透镜组的放大率为m，则T/fn≤0.35，-4≤m≤-2。

4.如权利要求1所述的一种紧凑型切换式三视场中波红外光学系统，其特征在于：所述大、中、小三个视场状态的工作波段均为3um～5um，视场分别为1.2°x0.9°,5°x4°,17°x14°。

5.如权利要求4所述的一种紧凑型切换式三视场中波红外光学系统，其特征在于：所述光学系统在大、中、小三个视场状态下的焦距与各自入瞳孔径比值为4。

6.如权利要求4所述的一种紧凑型切换式三视场中波红外光学系统，其特征在于：所述中波红外探测器为像素为15um大小的中波制冷探测器。

7.如权利要求4所述的一种紧凑型切换式三视场中波红外光学系统，其特征在于：所述光学系统中的透镜使用非球面或衍射面。

8.如权利要求7所述的一种紧凑型切换式三视场中波红外光学系统，其特征在于，所述非球面方程为：

$ZA=\frac{Y^2}{R\sqrt{1+\[1-\left(1+k\right)(\frac{Y}{R}}{)}^2\]}+{\mathrm{AY}}^4+{\mathrm{BY}}^6+{\mathrm{CY}}^8+{\mathrm{DY}}^{10}$

其中，ZA为非球面沿光轴方向的透镜矢高；R为表面与光轴OO’交点处的曲率半径；Y为透镜垂直于光轴方向的半口径；k为圆锥系数；A、B、C、D分别为非球面系数。

9.如权利要求7所述的一种紧凑型切换式三视场中波红外光学系统，其特征在于，所述衍射面方程为：

Φ＝A₁Y²+A₂Y⁴+A₃Y⁶

其中，Φ为衍射面的位相；Y为透镜垂直于光轴方向的半口径；A1、A2、A3为衍射面位相系数。