CN105676432A - 一种光学补偿式长波红外连续变焦光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学补偿式长波红外连续变焦光学系统，包括从物方到像方依次设置的前固定镜组、前移动镜组、中固定镜组、后移动镜组和后固定镜组，前移动镜组由依次设置的第一移动透镜和第二移动透镜组成，后移动镜组由依次设置的第三移动透镜和第四移动透镜组成，前移动镜组和后移动镜组在光轴上做等间距、等速度、同方向的前后联动以实现光学补偿式连续变焦。光学补偿式系统，结构简单容易制造，对控制系统的精度要求较低。克服机械补偿系统需要复杂的凸轮结构或双丝杠的精密配合才能保证变焦过程中图像保持清晰的缺点。

Description

一种光学补偿式长波红外连续变焦光学系统

技术领域

本发明涉及一种光学补偿式长波红外连续变焦光学系统。

背景技术

红外成像系统具有全天候工作、无需辅助照明等优点，在告警、侦察和制导等军事领域中得到了广泛应用。对于军用设备，通常地面上的主要目标为地面掩体、工厂、大坝、坦克、装甲运输车、汽车与士兵等。这些目标表面温度一般不高，辐射能量小，热辐射的峰值集中在长波红外波段。此外，在大气传输过程中红外线易被物质所吸收，但对于薄雾来说，长波红外更容易通过，这样，相对于中波(3μm～5μm)红外，长波红外成像系统在较低温度下能够进行最有效的探测，并且在弥漫着灰尘和烟雾的战场上占据有利地位，在探测识别方面更具优势。

红外连续变焦系统是通过改变透镜组之间的间隔来实现的，按像面补偿方式的不同，通常分为光学补偿和机械补偿两种。目前红外连续变焦大多采用机械补偿式，通过变倍组和补偿组的相对移动，各运动组份按不同的运动规律作较复杂的移动，达到完全防止像面移动。比如申请号为201210535594.7的中国专利申请公开了一种轴向变焦三视场红外光学系统，包括变倍透镜组和补偿透镜组，通过变倍透镜组和补偿透镜组的轴向移动实现三视场的转换。由于变倍组与补偿在运动时需要一一对应，对控制精度的要求较高，否则会出现在视场切换过程中出现某个视场图像模糊的现象。

发明内容

本发明的目的是提供一种光学补偿式长波红外连续变焦光学系统，用以解决机械补偿方式的光学系统在变焦过程中易出现某些点图像模糊的问题。

为实现上述目的，本发明的方案包括一种光学补偿式长波红外连续变焦光学系统，包括从物方到像方依次设置的前固定镜组、前移动镜组、中固定镜组、后移动镜组和后固定镜组，所述前移动镜组由依次设置的第一移动透镜和第二移动透镜组成，所述后移动镜组由依次设置的第三移动透镜和第四移动透镜组成，所述前移动镜组和后移动镜组在光轴上做等间距、等速度、同方向的前后联动以实现连续变焦；所述第一移动透镜为凸面朝向物方的弯月形负透镜，所述第二移动透镜为双凹负透镜，所述第三移动透镜为凸面朝向物方的弯月形负透镜，所述第四移动透镜为凹面朝向物方的弯月形负透镜。

所述前固定镜组由第一固定透镜组成，所述第一固定透镜为凸面朝向物方的弯月形正透镜；所述中固定镜组由第二固定透镜组成，所述第二固定透镜为双凸正透镜；所述后固定镜组包括四个透镜：第三固定透镜、第四固定透镜、第五固定透镜和第六固定透镜，其中，第三固定透镜为凸面朝向物方的弯月形正透镜，第四固定透镜为凹面朝向物方的弯月形正透镜，第五固定透镜为凹面朝向物方的弯月形正透镜，第六固定透镜为凹面朝向物方的弯月形正透镜。

所述前移动镜组和后移动镜组固联设置，以实现所述在光轴上做等距、等速、同向的前后联动。

该连续变焦光学系统实现的技术指标为：波段为7.7μm～9.5μm；焦距为f′＝33mm～500mm；视场为20.62°～1.38；F^#为3。

所述第二固定透镜的靠近像方的表面、第五固定透镜的靠近物方的表面和第六固定透镜的靠近物方的表面为非球面。

所述第一固定透镜的材料为单晶锗，第一移动透镜的材料为硒化锌，第二移动透镜的材料为单晶锗，第二固定透镜的材料为单晶锗，第三移动透镜的材料为单晶锗，第四移动透镜的材料为硒化锌，第三固定透镜的材料为单晶锗，第四固定透镜的材料为单晶锗，第五固定透镜的材料为单晶锗，第六固定透镜的材料为单晶锗。

所述光学系统在短焦时，前移动镜组和后移动镜组组成的变焦镜组在靠近物方的位置，在从短焦到长焦变化过程中，所述变焦镜组向像方方向移动。

所述第一移动透镜与第一固定透镜的间隔范围为2～90.4mm，所述第一移动透镜与第二移动透镜的间隔为6.78mm，所述第二移动透镜与第二固定透镜之间的间隔范围为12.8～101mm，所述第三移动透镜与第二固定透镜之间的间隔范围为13～101.45mm，所述第三移动透镜与第四移动透镜之间的间隔为4.58mm，所述第四移动透镜与第三固定透镜之间的间隔范围为0.5～88.9mm。

所述第一固定透镜的靠近物方的表面的曲率半径为153.84mm，第一固定透镜的靠近像方的表面的曲率半径为237.06mm；第一移动透镜的靠近物方的表面的曲率半径为145.47mm，第一移动透镜的靠近像方的表面的曲率半径为77.06mm；第二移动透镜的靠近物方的表面的曲率半径为-277.97mm，第二移动透镜的靠近像方的表面的曲率半径为260.06mm；第二固定透镜的靠近物方的表面的曲率半径为326.11mm，第二固定透镜的靠近像方的表面的曲率半径为-242.31mm；第三移动透镜的靠近物方的表面的曲率半径为25.09mm，第三移动透镜的靠近像方的表面的曲率半径为22.01mm；第四移动透镜的靠近物方的表面的曲率半径为785.4mm，第四移动透镜的靠近像方的表面的曲率半径为50.13mm；第三固定透镜的靠近物方的表面的曲率半径为34.93mm，第三固定透镜的靠近像方的表面的曲率半径为25.91mm；第四固定透镜的靠近物方的表面的曲率半径为28.09mm，第四固定透镜的靠近像方的表面的曲率半径为155.52mm；第五固定透镜的靠近物方的表面的曲率半径为36.05mm，第五固定透镜的靠近像方的表面的曲率半径为-305.74mm；第六固定透镜的靠近物方的表面的曲率半径为-166.05mm，第六固定透镜的靠近像方的表面的曲率半径为123.56mm；

所述第一固定透镜的厚度为8.80mm，第一移动透镜的厚度为10mm，第二移动透镜的厚度为10mm，第二固定透镜的厚度为5.7392mm，第三移动透镜的厚度为4.71mm，第四移动透镜的厚度为3mm，第三固定透镜的厚度为3mm，第四固定透镜的厚度为3mm，第五固定透镜的厚度为5.74mm，第六固定透镜的厚度为5mm。

所述第四固定透镜与第五固定透镜之间的光线传播路径上设置有第一反射镜和第二反射镜，通过所述第一反射镜和第二反射镜使第四固定透镜的出射光线与第五透镜的入射光线之间的夹角为180°。

本发明提供的光学补偿式长波红外连续变焦光学系统中，中固定镜组的前方和后方均设置有移动镜组，这两个移动镜组之间的间距恒定，并且在光轴上做等速度、同方向的前后联动，通过前后联动实现连续变焦。并且，由于两个移动镜组等间距、等速度、同方向移动，所以，对控制精度的要求较低，在变焦过程中不会出现某些点图像模糊的现象，保证了成像的清晰和稳定。并且，该光学系统焦距长，变倍比大，能够适用于航空机载设备的远距离目标探测、识别。

附图说明

图1是光学补偿式长波红外连续变焦光学系统结构示意图；

图2是光学系统在短焦下的变焦镜组的位置图；

图3是光学系统在中焦下的变焦镜组的位置图；

图4是光学系统在长焦下的变焦镜组的位置图；

图5是变焦镜组的运动过程示意图；

图6是短焦光学系统场曲畸变图；

图7是中焦光学系统场曲畸变图；

图8是长焦光学系统场曲畸变图；

图9是短焦光学系统点列图；

图10是中焦光学系统点列图；

图11是长焦光学系统点列图。

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。

本发明提供的光学补偿式长波红外连续变焦光学系统包括从物方到像方依次设置的前固定镜组、前移动镜组、中固定镜组、后移动镜组和后固定镜组。前固定镜组、中固定镜组和后固定镜组的位置恒定，前移动镜组和后移动镜组之间的间距也保持恒定。在变焦过程中，前移动镜组和后移动镜组在光轴上做等间距、等速度、同方向的前后联动。

前移动镜组和后移动镜组均由两个透镜组成，其中，前移动镜组由依次设置的第一移动透镜和第二移动透镜组成，后移动镜组由依次设置的第三移动透镜和第四移动透镜组成。

如图1所示，该光学补偿式长波红外连续变焦光学系统包括从物方沿光线入射方向依次为：前固定组A、移动组B、中固定组C、移动组D、后固定组E、后固定组G和探测器H，其中，后固定组E和后固定组G共同构成后固定镜组。

该连续变焦光学系统的设计技术指标为：波段为7.7μm～9.5μm；焦距为f′＝33mm～500mm；视场为20.62°～1.38；F^#为3；适配像元数为320×256；像元尺寸为30μm的长波制冷探测器。

移动组B和移动组D构成变焦镜组，且移动组B和移动组D固联设置，即该光学系统中，移动组B和移动组D采用联动的方式，可采用普通电机作为驱动源，该电机安装在镜筒上，通过齿轮-导轨机构驱动变焦镜组在光学系统光轴方向前后直线移动，使这两个移动组在光轴上一起前后移动，以实现移动组B和移动组D在光轴上做等距、等速、同向的前后联动。

移动组B由依次设置的移动组物镜B-1和移动组物镜B-2组成，移动组D由依次设置的移动组物镜D-1和移动组物镜D-2组成。其中，移动组物镜B-1为凸面朝向物方的弯月形负透镜，移动组物镜B-2为双凹负透镜，移动组物镜D-1为凸面朝向物方的弯月形负透镜，移动组物镜D-2为凹面朝向物方的弯月形负透镜。

前固定组A由一个固定透镜组成，称为前固定组物镜A，前固定组物镜A为凸面朝向物方的弯月形正透镜；中固定组C由一个固定透镜组成，称为中固定组物镜C，中固定组物镜C为双凸正透镜；后固定组E包括依次设置的后固定组物镜E-1和后固定组物镜E-2，其中，后固定组物镜E-1为凸面朝向物方的弯月形正透镜，后固定组物镜E-2为凹面朝向物方的弯月形正透镜；后固定组G包括依次设置的后固定组物镜G-1和后固定组物镜G-2，其中，后固定组物镜G-1为凹面朝向物方的弯月形正透镜，后固定组物镜G-2为凹面朝向物方的弯月形正透镜。

由于从物方传输来的光线在穿过一个透镜时，先穿过透镜的前表面，再穿过透镜的后表面，所以，对于该透镜，前表面为靠近物方的表面，后表面为靠近像方的表面。那么，该实施例中，中固定组物镜C的后表面(靠近像方的表面)、后固定组物镜G-1的前表面(靠近物方的表面)和后固定组物镜G-2的前表面(靠近物方的表面)为非球面。

这三个非球面采用CODEV软件中的Asphere面型，方程为：

$z\left(r\right)=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+{\mathrm{Ar}}^4+{\mathrm{Br}}^6+{\mathrm{Cr}}^8+{\mathrm{Dr}}^{10}+...$

其中，c为曲率，r为垂直光轴方向的径向坐标，k为二次曲线常数，A为四阶非球面系数、B六阶非球面系数、C为八阶非球面系数、D为十阶非球面系数。

而且，

中固定组的透镜C的后表面非球面系数为：

k＝7.69；

A＝1.4914E-7；

B＝4.6826E-12；

C＝1.6105E-15；

后固定组的透镜G-1的前表面非球面系数为：

k＝-1.1144；

A＝1.5236E-6；

B＝-3.7171E-9；

C＝-3.5521E-11；

后固定组的透镜G-2的前表面非球面系数为：

k＝5；

A＝1.6414E-7；

B＝1.2337E-8；

C＝1.299E-11。

表1给出了该光学系统的一组具体的光学系数，单位为mm。

表1

移动组B和移动组D能够沿着光轴前后直线移动，所以，在两者的移动范围内，如图2至图4所示，该光学系统在短焦时，移动组B和移动组D在靠近物方的位置，在从短焦到长焦变化过程中，移动组B和移动组D逐渐远离物方运动，即向像方方向移动。如图5所示，为移动组B和移动组D的移动过程示意图，以图中的方位来看，当光学系统由短焦向长焦变化时，移动组B与D固联在一起向右做等速度线性移动来实现系统焦距的变化。而且，在该实施例中，由于移动组B和D的前后移动，那么，前固定组物镜A与移动组物镜B-1之间会有一定的间隔，其间隔范围为2～90.4mm；而移动组物镜B-1与移动组物镜B-2之间的间隔恒定，为6.78mm；移动组物镜B-2与中固定组物镜C之间会有一定的间隔，其间隔范围为12.8～101mm；移动组物镜D-1与中固定组物镜C之间的间隔范围为13～101.45mm；而移动组物镜D-1与移动组物镜D-2之间的间隔恒定，为4.58mm；移动组物镜D-2与后固定组物镜E-1之间的间隔会有一定的间隔，其间隔范围为0.5～88.9mm。通过控制调节移动组B和移动组D的位置，实现焦距的调节。

该光学系统采用二次成像的方式，使得光学系统的光阑与探测器的冷光阑完全重合，实现了冷光阑效率100％。避免了光线被切割从而减少通光量，使得系统的灵敏度降低；同时，对热辐射的杂光进行抑制，提高了系统的信噪比。

另外，为了缩短光学系统的长度，在后固定组物镜E-2与后固定组物镜G-1之间的传播光路中设置有两个反射镜，反射镜F-1和反射镜F-2，其中，反射镜F-1与光轴成45°放置，反射镜F-2也与光轴成45°放置，通过这两个反射镜能够使后固定组物镜E-2的出射光线与后固定组物镜G-1的入射光线之间的夹角为180°，即两个光线的方向相反。引入了两个折叠反射镜，对光路进行两次转折，形成“U”型结构，缩短了系统长度，适应了机载光电设备对红外光学系统结构不能太长的要求。

所以，在本实施例中，如图1所示，正透镜A、负透镜B-1、负透镜B-2、正透镜C、负透镜D-1、负透镜D-2、正透镜E-1、正透镜E-2同轴放置，其光线与正透镜G-1和正透镜G-2的光线平行。光线从正透镜A、负透镜B-1、负透镜B-2、正透镜C、负透镜D-1、负透镜D-2、正透镜E-1、正透镜E-2到达折叠反射镜F-1，经过反射镜F-1反射后到达反射镜F-2，经过反射镜F-2反射的光线由正透镜G-1、正透镜G-2会聚后成像在探测器H。

如图6-8所示，分别为光学系统在短焦、中焦、长焦时的场曲畸变图，可知畸变在大小视场均小于1％，表明系统成像优良，满足设计要求。

如图9-11所示，分别是光学系统在短焦、中焦、长焦时的点列图，由图可见，在不同焦距时的点斑直径均小于像元尺寸，表明系统成像优良，满足设计要求。

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 (10)

1.一种光学补偿式长波红外连续变焦光学系统，其特征在于，包括从物方到像方依次设置的前固定镜组、前移动镜组、中固定镜组、后移动镜组和后固定镜组，所述前移动镜组由依次设置的第一移动透镜和第二移动透镜组成，所述后移动镜组由依次设置的第三移动透镜和第四移动透镜组成，所述前移动镜组和后移动镜组在光轴上做等间距、等速度、同方向的前后联动以实现连续变焦；所述第一移动透镜为凸面朝向物方的弯月形负透镜，所述第二移动透镜为双凹负透镜，所述第三移动透镜为凸面朝向物方的弯月形负透镜，所述第四移动透镜为凹面朝向物方的弯月形负透镜。

2.根据权利要求1所述的光学补偿式长波红外连续变焦光学系统，其特征在于，所述前固定镜组由第一固定透镜组成，所述第一固定透镜为凸面朝向物方的弯月形正透镜；所述中固定镜组由第二固定透镜组成，所述第二固定透镜为双凸正透镜；所述后固定镜组包括四个透镜：第三固定透镜、第四固定透镜、第五固定透镜和第六固定透镜，其中，第三固定透镜为凸面朝向物方的弯月形正透镜，第四固定透镜为凹面朝向物方的弯月形正透镜，第五固定透镜为凹面朝向物方的弯月形正透镜，第六固定透镜为凹面朝向物方的弯月形正透镜。

3.根据权利要求1所述的光学补偿式长波红外连续变焦光学系统，其特征在于，所述前移动镜组和后移动镜组固联设置，以实现所述在光轴上做等距、等速、同向的前后联动。

4.根据权利要求1所述的光学补偿式长波红外连续变焦光学系统，其特征在于，该连续变焦光学系统实现的技术指标为：波段为7.7μm～9.5μm；焦距为f′＝33mm～500mm；视场为20.62°～1.38；F^#为3。

5.根据权利要求2所述的光学补偿式长波红外连续变焦光学系统，其特征在于，所述第二固定透镜的靠近像方的表面、第五固定透镜的靠近物方的表面和第六固定透镜的靠近物方的表面为非球面。

6.根据权利要求2所述的光学补偿式长波红外连续变焦光学系统，其特征在于，所述第一固定透镜的材料为单晶锗，第一移动透镜的材料为硒化锌，第二移动透镜的材料为单晶锗，第二固定透镜的材料为单晶锗，第三移动透镜的材料为单晶锗，第四移动透镜的材料为硒化锌，第三固定透镜的材料为单晶锗，第四固定透镜的材料为单晶锗，第五固定透镜的材料为单晶锗，第六固定透镜的材料为单晶锗。

7.根据权利要求2所述的光学补偿式长波红外连续变焦光学系统，其特征在于，所述光学系统在短焦时，前移动镜组和后移动镜组组成的变焦镜组在靠近物方的位置，在从短焦到长焦变化过程中，所述变焦镜组向像方方向移动。

8.根据权利要求7所述的光学补偿式长波红外连续变焦光学系统，其特征在于，所述第一移动透镜与第一固定透镜的间隔范围为2～90.4mm，所述第一移动透镜与第二移动透镜的间隔为6.78mm，所述第二移动透镜与第二固定透镜之间的间隔范围为12.8～101mm，所述第三移动透镜与第二固定透镜之间的间隔范围为13～101.45mm，所述第三移动透镜与第四移动透镜之间的间隔为4.58mm，所述第四移动透镜与第三固定透镜之间的间隔范围为0.5～88.9mm。

9.根据权利要求8所述的光学补偿式长波红外连续变焦光学系统，其特征在于，所述第一固定透镜的靠近物方的表面的曲率半径为153.84mm，第一固定透镜的靠近像方的表面的曲率半径为237.06mm；第一移动透镜的靠近物方的表面的曲率半径为145.47mm，第一移动透镜的靠近像方的表面的曲率半径为77.06mm；第二移动透镜的靠近物方的表面的曲率半径为-277.97mm，第二移动透镜的靠近像方的表面的曲率半径为260.06mm；第二固定透镜的靠近物方的表面的曲率半径为326.11mm，第二固定透镜的靠近像方的表面的曲率半径为-242.31mm；第三移动透镜的靠近物方的表面的曲率半径为25.09mm，第三移动透镜的靠近像方的表面的曲率半径为22.01mm；第四移动透镜的靠近物方的表面的曲率半径为785.4mm，第四移动透镜的靠近像方的表面的曲率半径为50.13mm；第三固定透镜的靠近物方的表面的曲率半径为34.93mm，第三固定透镜的靠近像方的表面的曲率半径为25.91mm；第四固定透镜的靠近物方的表面的曲率半径为28.09mm，第四固定透镜的靠近像方的表面的曲率半径为155.52mm；第五固定透镜的靠近物方的表面的曲率半径为36.05mm，第五固定透镜的靠近像方的表面的曲率半径为-305.74mm；第六固定透镜的靠近物方的表面的曲率半径为-166.05mm，第六固定透镜的靠近像方的表面的曲率半径为123.56mm；

所述第一固定透镜的厚度为8.80mm，第一移动透镜的厚度为10mm，第二移动透镜的厚度为10mm，第二固定透镜的厚度为5.7392mm，第三移动透镜的厚度为4.71mm，第四移动透镜的厚度为3mm，第三固定透镜的厚度为3mm，第四固定透镜的厚度为3mm，第五固定透镜的厚度为5.74mm，第六固定透镜的厚度为5mm。

10.根据权利要求4所述的光学补偿式长波红外连续变焦光学系统，其特征在于，所述第四固定透镜与第五固定透镜之间的光线传播路径上设置有第一反射镜和第二反射镜，通过所述第一反射镜和第二反射镜使第四固定透镜的出射光线与第五透镜的入射光线之间的夹角为180°。