CN105676433B - 一种双组联动红外连续变焦光学系统 - Google Patents

一种双组联动红外连续变焦光学系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种双组联动红外连续变焦光学系统，包括从物方到像方沿光轴依次设置的前固定组、第一变倍组、补偿组、第二变倍组和后固定组，第一变倍组和第二变倍组同方向、同速度在光轴上做轴向线性运动，补偿组在光轴上以相对方向做轴向非线性运动，以实现像面位移补偿；该系统由两个变倍组及位于两个变倍组之间的补偿组组成，由于两个变倍组分担了光焦度，因此在变倍过程中产生的像面位移小，从而减轻了补偿组的负担，使得补偿组运动曲线平缓。该光学系统结构简单，易实现小型化。在不需要增加系统控制难度的同时，可以减少系统镜片数量、实现小型化，同时能够提高光学系统的变倍比。

Description

一种双组联动红外连续变焦光学系统
技术领域
本发明涉及一种双组联动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。光学补偿式变焦系统，因移动组同时担负变倍与补偿的功能，不易实现大变倍比的变焦系统；机械补偿式变焦系统，系统组元之间变化的间隔较少，系统总体长度较长，不易实现小型化。
发明内容
本发明的目的是提供一种双组联动红外连续变焦光学系统，用以解决现有的光学系统不易实现大变倍比的问题。
为实现上述目的，本发明的方案包括一种双组联动红外连续变焦光学系统，包括从物方到像方沿光轴依次设置的前固定组、第一变倍组、补偿组、第二变倍组和后固定组，所述第一变倍组和第二变倍组同方向、同速度在光轴上做轴向线性运动，所述补偿组在光轴上以相对方向做轴向非线性运动，以实现连续变焦。
所述前固定组为一个前固定透镜，该前固定透镜为凸面朝向物方的弯月形正透镜；第一变倍组为第一变倍透镜，该第一变倍透镜为一个双凹负透镜；补偿组为一个补偿透镜，该补偿透镜为一个凸面朝向物方的弯月形正透镜；第二变倍组为第二变倍透镜，该第二变倍透镜为一个凸面朝向物方的弯月形负透镜；所述后固定组由依次设置的第一后固定组和第二后固定组构成，所述第一后固定组由依次设置的第一后固定透镜和第二后固定透镜构成，所述第二后固定组由依次设置的第三后固定透镜和第四后固定透镜构成，所述第一后固定透镜为一个凹面朝向物方的弯月形正透镜，所述第二后固定透镜为一个凹面朝向物方的弯月正透镜，所述第三后固定透镜为凹面朝向物方的弯月形正透镜，所述第四后固定透镜为一个凹面朝向物方的弯月形负透镜。
该光学系统的设计参数指标为：波段：7.7μm～9.5μm；焦距：f′＝33mm～500mm；视场：20.62°～1.38°。
所述光学系统还包括一个探测器，所述探测器为像元数：320×256，像元尺寸为30μm，F数为3的长波制冷型探测器。
所述前固定透镜的靠近物方的表面、补偿透镜的靠近像方的表面和第三后固定透镜的靠近物方的表面为非球面。
所述前固定透镜、第一变倍透镜、第二变倍透镜、第一后固定透镜、第三后固定透镜和第四后固定透镜的材料为单晶锗，所述补偿透镜和第二后固定透镜的材料为硒化锌。
所述前固定透镜的靠近物方的表面的曲率半径为148.72mm，靠近像方的表面的曲率半径为206.69mm；第一变倍透镜的靠近物方的表面的曲率半径为-552.84mm，靠近像方的表面的曲率半径为122.92mm；补偿透镜的靠近物方的表面的曲率半径为63.70mm，靠近像方的表面的曲率半径为75.84mm；第二变倍透镜的靠近物方的表面的曲率半径为40.48mm，靠近像方的表面的曲率半径为31.42mm；第一后固定透镜的靠近物方的表面的曲率半径为-47.25mm，靠近像方的表面的曲率半径为-50.22mm；第二后固定透镜的靠近物方的表面的曲率半径为-193.95mm，靠近像方的表面的曲率半径为-84.76mm；第三后固定透镜的靠近物方的表面的曲率半径为24.15mm，靠近像方的表面的曲率半径为44.41mm；第四后固定透镜的靠近物方的表面的曲率半径为65.58mm，靠近像方的表面的曲率半径为26.54mm。
所述前固定透镜的厚度为14mm，第一变倍透镜的厚度为3.85mm，补偿透镜的厚度为10mm，第二变倍透镜的厚度为8.86mm，第一后固定透镜的厚度为4mm，第二后固定透镜的厚度为3.5mm，第三后固定透镜的厚度为5.12mm，第四后固定透镜的厚度为5mm；前固定透镜与第一变倍透镜之间的间隔为20mm～93.24mm，第一变倍透镜与补偿透镜之间的间隔为0.76mm～135mm，补偿透镜与第二变倍透镜之间的间隔为2mm～136.23mm，第二变倍透镜与第一后固定透镜之间的间隔为7.04mm～80.29mm，第一后固定透镜与第二后固定透镜之间的间隔为0.5mm，第三后固定透镜与第四后固定透镜之间的间隔为3mm。
所述第二后固定透镜与第三后固定透镜之间的光路上设置有两个反射镜，第二后固定透镜射出的光线依次经这两个反射镜的反射后射入到第三后固定透镜中；第二后固定透镜与第一反射镜之间的间隔为20mm，第一反射镜与第二反射镜之间的间隔为100mm，第二反射镜与第三后固定透镜之间的间隔为20mm。
本发明提供的光学系统中，两个变倍组之间设置有一个补偿组，在变倍时，这两个变倍组同方向、同速度沿着光轴做轴向线性移动，而补偿组沿着与变倍组相反的方向、沿光轴做轴向非线性移动，通过这种运动方式实现连续变焦，实现短焦、中焦和长焦的随意变换，所以，该光学系统能够实现大变倍比；并且，该光学系统中的透镜个数较少，系统结构简单，不复杂，易实现小型化。在不需要增加移动组元及系统控制难度的同时，可以减少系统镜片数量、实现小型化同时能够提高光学系统的变倍比。
附图说明
图1是双组联动红外连续变焦光学系统结构示意图；
图2是光学系统变倍组和补偿组之间的移动过程示意图；
图3是光学系统在短焦状态下的透镜位置关系示意图；
图4是光学系统在中焦状态下的透镜位置关系示意图；
图5是光学系统在长焦状态下的透镜位置关系示意图；
图6是光学系统在短焦状态下的传递函数图；
图7是光学系统在中焦状态下的传递函数图；
图8是光学系统在长焦状态下的传递函数图；
图9是光学系统在短焦状态下的场曲畸变图；
图10是光学系统在中焦状态下的场曲畸变图；
图11是光学系统在长焦状态下的场曲畸变图；
图12是光学系统在短焦状态下的点列图；
图13是光学系统在中焦状态下的点列图；
图14是光学系统在长焦状态下的点列图；
图15是光学系统变焦曲线图；
图16是光学系统凸轮运动曲线图。
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。
如图1所示，双组联动红外连续变焦光学系统包括从物方到像方沿光轴依次设置的前固定组、第一变倍组、补偿组、第二变倍组和后固定组，其中，前固定组为前固定透镜A，第一变倍组为变倍透镜B-1，补偿组为补偿透镜C，第二变倍组为变倍透镜B-2。如图2所示，在变焦时，变倍透镜B-1和变倍透镜B-2在光轴上做同方向、同速度的轴向线性运动，以实现系统焦距的变化；补偿透镜C在光轴上沿相对方向做轴向非线性运动，以补偿变焦过程中像面位移，从而保持系统像面稳定，即补偿透镜C与两个变倍透镜的运动方向时刻相反，比如：当变倍透镜B-1和变倍透镜B-2向左运动时，补偿透镜C向右运动。另外，为了便于实现变倍透镜B-1和变倍透镜B-2做同方向、同速度的运动，可以将这两个变倍透镜固联在一起。
该变焦系统在焦距的变化过程中，变倍组与补偿组的相对位置是一一对应的，补偿组的非线性运动取决于决变倍组的线性运动。变倍组线性运动的斜率不同则补偿组的非线性曲线就不同。因此，在变倍组与补偿组二者相对位移保持不变的情况下，以及能够实现连续变焦的前提下，变倍组和补偿组可以有不同的运动曲线。另外，这在系统结构设计时需要考虑如何降低运动过程中的摩擦力，从而优化出最佳运动曲线。
该光学系统实现的技术指标为：波段：7.7μm～9.5μm；焦距：f′＝33mm～500mm；视场：20.62°～1.38°；并且，其适配像元数:320×256，像元尺寸为30μm，F数为3的长波制冷型探测器。
在本实施例中，后固定组包括依次设置的后固定组D和后固定组F，其中，后固定组D包括依次设置的两个透镜，后固定透镜D-1和后固定透镜D-2；后固定组F包括依次设置的两个透镜，后固定透镜F-1和后固定透镜F-2。另外，为了适应机载光电设备对红外光学系统结构不能太长的要求，该光学系统中引入两个折叠反射镜：反射镜E-1和反射镜E-2，这两个反射镜设置在后固定透镜D-2和后固定透镜F-1之间，后固定透镜D-2射出的光线依次经这两个反射镜的反射后射入到后固定透镜F-1中。这两个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。
本实施例中，透镜A为一个凸面朝向物方的弯月形正透镜，透镜B-1为一个双凹负透镜，透镜C为一个凸面朝向物方的弯月形正透镜，透镜B-2为一个凸面朝向物方的弯月形负透镜，透镜D-1为一个凹面朝向物方的弯月形正透镜，透镜D-2为一个凹面朝向物方的弯月正透镜。折叠反射镜E-1与光轴成45°放置，折叠反射镜E-2与光轴成45°放置，通过这两个反射镜的反射，能够使光路的方向改变180°。透镜F-1为一个凹面朝向物方的弯月形正透镜，透镜F-2为一个凹面朝向物方的弯月形负透镜。
光线从正透镜A、负透镜B-1、正透镜C、负透镜B-2、正透镜D-1、正透镜D-2到达折叠反射镜E-1，经过反射镜E-1反射后到达反射镜E-2，经过反射镜E-2反射的光线由正透镜F-1、负透镜F-2会聚后成像在探测器G。
定义：透镜的前表面为靠近物方的表面，后表面为靠近像方的表面。那么，在本实施例中，透镜A的前表面(即靠近物方的表面)、透镜C的后表面(即靠近像方的表面)和透镜F-1的前表面采用非球面，非球面采用CODE V软件中的Asphere面型，方程为：
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。
前固定组的透镜A的前表面非球面系数为：
k＝0；
A＝1.4724E-9
B＝5.7347E-14
C＝4.5816E-18
移动透镜C的后表面非球面系数为：
k＝-0.96；
A＝6.8950E7
B＝6.3832E-11
C＝9.1545E-16
后固定组的透镜F-1的前表面非球面系数为：
k＝-0.15；
A＝4.8778E-7
B＝5.9341E-10
C＝3.2438E-12
如表1所示，给出了一组该光学系统的光学参数，单位为mm。
表1
如图3，4和5所示，该光学系统在连续变焦过程中，当减小系统的焦距时，比如由长焦或者中焦变为短焦时，透镜B-1和透镜B-2等速度向物方所在的方向移动，同时补偿组C向像方所在的方向移动；当增大系统的焦距时，比如由短焦或者中焦变为长焦时，透镜B-1和透镜B-2等速度向像方所在的方向移动，同时补偿组C向物方所在的方向移动。如果以附图中的方位进行说明的话，当减小系统的焦距时，透镜B-1和透镜B-2等速度向左移动，同时补偿组C向右移动；当增大系统的焦距时，透镜B-1和透镜B-2等速度向右移动，同时补偿组C向左移动。基于表1给出的数据，变倍透镜B-1和B-2的行程为73.24mm，补偿透镜C的行程为61mm。
图6-8是本发明实施例在短焦、中焦、长焦时的调制传递函数曲线，和所适配的分辨率为320×256的长波红外制冷探测器对应的空间分别率为16lp/mm时，系统传递函数最低值接近0.4，表明光学系统成像优良，满足要求。
图9-11是本发明实施例在短焦、中焦、长焦时的场曲畸变图，由图可见，光学系统在不同焦距时的畸变均小于2.5％，表明系统成像优良，满足设计要求。
图12-14是本发明实施例在短焦、中焦、长焦时的点列图，由图可见，光学系统在不同焦距时的弥散斑直径均小于红外探测器像元尺寸，表明系统成像优良，满足设计要求。
图15是光学系统变焦曲线图，横坐标表示不同时刻的焦距值，纵坐标表示为不同焦距时变倍组与补偿组在光轴方向上与前固定组对应的距离。可见，在变焦过程中，变倍组与补偿组运行平滑无拐点，不会出现卡滞现象。
变倍组和补偿组均可以通过凸轮进行轴向移动，图16是光学系统凸轮运动曲线图，横坐标表示凸轮圆周角度，纵坐标表示变倍组与补偿组在轴向距离。可见，在变焦过程中，变倍组做线性运动，补偿组做如图所示的非线性运动。
另外，该光学系统采用二次成像的方式，光学系统的出瞳位置与制冷探测器自身的冷光阑重合，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。
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 (8)

1.一种双组联动红外连续变焦光学系统，其特征在于，包括从物方到像方沿光轴依次设置的前固定组、第一变倍组、补偿组、第二变倍组和后固定组，所述第一变倍组和第二变倍组同方向、同速度在光轴上做轴向线性运动，所述补偿组在光轴上以相对方向做轴向非线性运动，以实现连续变焦；
所述前固定组为一个前固定透镜，该前固定透镜为凸面朝向物方的弯月形正透镜；第一变倍组为第一变倍透镜，该第一变倍透镜为一个双凹负透镜；补偿组为一个补偿透镜，该补偿透镜为一个凸面朝向物方的弯月形正透镜；第二变倍组为第二变倍透镜，该第二变倍透镜为一个凸面朝向物方的弯月形负透镜；所述后固定组由依次设置的第一后固定组和第二后固定组构成，所述第一后固定组由依次设置的第一后固定透镜和第二后固定透镜构成，所述第二后固定组由依次设置的第三后固定透镜和第四后固定透镜构成，所述第一后固定透镜为一个凹面朝向物方的弯月形正透镜，所述第二后固定透镜为一个凹面朝向物方的弯月正透镜，所述第三后固定透镜为凹面朝向物方的弯月形正透镜，所述第四后固定透镜为一个凹面朝向物方的弯月形负透镜。
2.根据权利要求1所述的双组联动红外连续变焦光学系统，其特征在于，该光学系统的设计参数指标为：波段：7.7μm～9.5μm；焦距：f′＝33mm～500mm；视场：20.62°～1.38°。
3.根据权利要求1所述的双组联动红外连续变焦光学系统，其特征在于，所述光学系统还包括一个探测器，所述探测器为像元数：320×256，像元尺寸为30μm，F数为3的长波制冷型探测器。
4.根据权利要求1所述的双组联动红外连续变焦光学系统，其特征在于，所述前固定透镜的靠近物方的表面、补偿透镜的靠近像方的表面和第三后固定透镜的靠近物方的表面为非球面。
5.根据权利要求1所述的双组联动红外连续变焦光学系统，其特征在于，所述前固定透镜、第一变倍透镜、第二变倍透镜、第一后固定透镜、第三后固定透镜和第四后固定透镜的材料为单晶锗，所述补偿透镜和第二后固定透镜的材料为硒化锌。
6.根据权利要求1所述的双组联动红外连续变焦光学系统，其特征在于，所述前固定透镜的靠近物方的表面的曲率半径为148.72mm，靠近像方的表面的曲率半径为206.69mm；第一变倍透镜的靠近物方的表面的曲率半径为-552.84mm，靠近像方的表面的曲率半径为122.92mm；补偿透镜的靠近物方的表面的曲率半径为63.70mm，靠近像方的表面的曲率半径为75.84mm；第二变倍透镜的靠近物方的表面的曲率半径为40.48mm，靠近像方的表面的曲率半径为31.42mm；第一后固定透镜的靠近物方的表面的曲率半径为-47.25mm，靠近像方的表面的曲率半径为-50.22mm；第二后固定透镜的靠近物方的表面的曲率半径为-193.95mm，靠近像方的表面的曲率半径为-84.76mm；第三后固定透镜的靠近物方的表面的曲率半径为24.15mm，靠近像方的表面的曲率半径为44.41mm；第四后固定透镜的靠近物方的表面的曲率半径为65.58mm，靠近像方的表面的曲率半径为26.54mm。
7.根据权利要求1所述的双组联动红外连续变焦光学系统，其特征在于，所述前固定透镜的厚度为14mm，第一变倍透镜的厚度为3.85mm，补偿透镜的厚度为10mm，第二变倍透镜的厚度为8.86mm，第一后固定透镜的厚度为4mm，第二后固定透镜的厚度为3.5mm，第三后固定透镜的厚度为5.12mm，第四后固定透镜的厚度为5mm；前固定透镜与第一变倍透镜之间的间隔为20mm～93.24mm，第一变倍透镜与补偿透镜之间的间隔为0.76mm～135mm，补偿透镜与第二变倍透镜之间的间隔为2mm～136.23mm，第二变倍透镜与第一后固定透镜之间的间隔为7.04mm～80.29mm，第一后固定透镜与第二后固定透镜之间的间隔为0.5mm，第三后固定透镜与第四后固定透镜之间的间隔为3mm。
8.根据权利要求7所述的双组联动红外连续变焦光学系统，其特征在于，所述第二后固定透镜与第三后固定透镜之间的光路上设置有两个反射镜，第二后固定透镜射出的光线依次经这两个反射镜的反射后射入到第三后固定透镜中；第二后固定透镜与第一反射镜之间的间隔为20mm，第一反射镜与第二反射镜之间的间隔为100mm，第二反射镜与第三后固定透镜之间的间隔为20mm。
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