CN106226893A - 一种多视场长波红外变焦光学系统及红外热像仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多视场长波红外变焦光学系统，包括增倍镜组、前固定透镜、运动镜组、反射镜组以及后固定镜组，所述的增倍镜组由第一增倍透镜和第二增倍透镜组成，所述的运动镜组包括变焦透镜组和补偿透镜，所述的变焦透镜组由第一变焦透镜和第二变焦透镜组成，所述的反射镜组由相互垂直的第一反射镜和第二反射镜组成，所述的后固定镜组包括第一后固定透镜、第二后固定透镜、第三后固定透镜和第四后固定透镜，所述的第四后固定透镜光线出射方设置有探测器组件；还公开了一种红外热像仪，包括支撑框架以及多视场长波红外变焦光学系统；本光学系统能够实现总共六档焦距与视场，显著提升红外热像仪的性能，具有更好的适应性与实用性。

Description

一种多视场长波红外变焦光学系统及红外热像仪

技术领域

本发明属于红外成像光学系统，具体涉及一种切换式多视场长波红外变焦光学系统，以及采用该长波红外变焦光学系统的红外热像仪。

背景技术

当前红外热成像产品获得了长足发展，由于具有全天候昼夜观测能力，大量被用于监控、警戒、监视、侦察、森林防火等诸多领域。而红外光学系统则在其中承担了收集外界红外能量辐射与聚焦成像的作用，是红外热成像产品不可或缺的重要组成部分。而变焦距光学系统能在一定范围内迅速改变系统的焦距，获得不同比例的象与视场，因而在红外热成像产品中得到大量应用。

现有的红外变焦光学系统，一般分为两大类，一类为连续变焦光学系统，另一类为多档变焦光学系统。连续变焦光学系统拥有两组运动镜组，一组为变焦镜组，一组为补偿镜组，两组镜组沿光轴方向进行直线联合运动，通过透镜间隔的不断改变，实现光学系统焦距变化，同时保持像面位置不变。这种变焦方式可以实现光学系统焦距与视场的连续变化。而多档变焦光学系统则是拥有一组或两组运动镜组，镜组或沿光轴方向运动，或通过某种机构切入切出光路，实现系统焦距变化。由于镜组运动空间的限制，这种变焦方式大多为两档变焦，少数可实现三档变焦。

连续变焦光学系统，虽然具有连续变焦功能，但存在以下不足：

1，连续变焦光学系统的焦距是连续变化的，从短焦到长焦的变焦时间长，难以实现快速变焦。

2，连续变焦光学系统一般采用凸轮机构完成运动镜组的运动，当镜组外径尺寸较大时，凸轮零件会存在加工难度大与运动阻力大的难题。

而现有的多档变焦光学系统，也存在以下不足：

1，由于多档变焦光学系统的变焦镜组是切入光路，为了不遮挡光线，变焦镜组无法设置太多，一般为一组，少数为两组，这样只能实现两档变焦或三档变焦，难以实现更多视场。

2，多档变焦光学系统，视场越多，镜组数量就越多，增加了光学成本。

发明内容

本发明是针对现有连续变焦光学系统与多档变焦光学系统存在的不足，目的之一是提供一种具有多视场的长波红外变焦光学系统，主要接收目标的红外能量辐射光线，并通过光学系统内部光学透镜对光线进行多次折射处理，聚焦于红外探测器的靶面上，最终实现红外成像。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种多视场长波红外变焦光学系统，包括沿光轴从物方到像方设置的增倍镜组、前固定透镜、运动镜组、反射镜组以及后固定镜组，所述的增倍镜组由第一增倍透镜和第二增倍透镜组成，所述的运动镜组包括通过导杆和丝杠连接的变焦透镜组和补偿透镜，所述的变焦透镜组由第一变焦透镜和第二变焦透镜组成，所述的反射镜组由相互垂直的第一反射镜和第二反射镜组成，所述的后固定镜组包括设置在补偿透镜和第一反射镜之间的第一后固定透镜和设置在第二反射镜光线出射方的第二后固定透镜、第三后固定透镜和第四后固定透镜，所述的第四后固定透镜光线出射方设置有探测器组件。

所述的一种多视场长波红外变焦光学系统，其第一增倍透镜、第二增倍透镜和前固定透镜为凸面朝向物方的单晶锗材料凸凹透镜，所述的第一增倍透镜和前固定透镜为正屈光度，所述的第二增倍透镜为负屈光度。

所述的一种多视场长波红外变焦光学系统，其第一变焦透镜和第三后固定透镜为凹面朝向物方的单晶锗材料凹凸透镜，所述的第一变焦透镜为负屈光度，所述的第三后固定透镜为正屈光度。

所述的一种多视场长波红外变焦光学系统，其第二变焦透镜和第四后固定透镜为凸面朝向物方的凹凸透镜，采用硒化锌材料，为负屈光度。

所述的一种多视场长波红外变焦光学系统，其补偿透镜为双凸透镜，采用单晶锗材料，为正屈光度。

所述的一种多视场长波红外变焦光学系统，其第一后固定透镜和第二后固定透镜为凸面朝向物方的单晶锗材料凹凸透镜，所述的为第一后固定透镜负屈光度，所述的第二后固定透镜为正屈光度。

本发明的目的之二是提供一种使用上述长波红外变焦光学系统的红外热像仪。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种红外热像仪，包括支撑框架，所述的支撑框架内设有多视场长波红外变焦光学系统，所述的支撑框架内还设有与丝杠连接的电机、与电机连接的光电编码器和光电开关；实现第一增倍透镜和第二增倍透镜安装固定的增倍镜镜座；实现第一反射镜安装固定的第一反射镜镜座和实现第二反射镜安装固定的第二反射镜镜座；用于安装补偿透镜的补偿透镜镜座；以及用于安装第一变焦透镜和第二变焦透镜的变焦透镜镜座。

所述的一种红外热像仪，其增倍镜镜座与支撑框架可拆卸连接。

本发明的有益效果是：

1，光学系统后组的八片透镜构成单独的三档成像式变焦光学系统，光学系统前组的两片透镜单独形成1.7×的望远式增倍系统，与光学系统后组八片透镜组合，可以实现系统六档焦距的整体放大，大大提高了光学焦距的覆盖范围。

2，采用可拆卸式高像质增倍镜组设计技术：光学系统的增倍镜组由两片透镜组成，采用正负屈光度搭配，形成1.7×的望远式系统，可以对后组光学系统的焦距整体放大；增倍镜座采用可拆卸式设计，可以根据需要进行拆卸与安装，无增倍镜时，系统焦距为40mm/120mm/400mm，有增倍镜时，系统焦距为70mm/210mm/700mm，组件设计有定位装置，可以保证系统光轴精度不受拆卸与安装的影响。

3，一体化冷反射控制技术：作为制冷型变焦光学系统，需要对系统冷反射进行严格控制，而本光学系统相对于常规光学系统，又增加了增倍透镜，焦距的变化范围从40mm到700mm，更加增加了冷反射控制难度。

附图说明

图1 本发明红外热像仪的结构示意图；

图2 为700mm长焦端的光学系统示意图；

图3 为70mm短焦端的光学系统示意图；

图4 为400mm长焦端的后组光学系统示意图；

图5 为40mm短焦端的后组光学系统示意图。

各附图标记为：1—第一增倍透镜，2—第二增倍透镜，3—前固定透镜，4—第一变焦透镜，5—第二变焦透镜，6—导杆，7—丝杠，8—补偿透镜，9—光电开关，10—第一后固定透镜，11—第一反射镜，12—第一反射镜镜座，13—第二反射镜镜座，14—第二反射镜，15—第二后固定透镜，16—第三后固定透镜，17—第四后固定透镜，18—补偿透镜镜座，19—探测器组件，20—变焦透镜镜座，21—增倍镜镜座。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参照图1所示，本发明公开了一种多视场长波红外变焦光学系统，包括沿光轴从物方到像方设置的增倍镜组、前固定透镜3、运动镜组、反射镜组以及后固定镜组，所述的增倍镜组由第一增倍透镜1和第二增倍透镜2组成，所述的运动镜组包括通过导杆6和丝杠7连接的变焦透镜组和补偿透镜8，所述的变焦透镜组由第一变焦透镜4和第二变焦透镜5组成，补偿透镜8、第一变焦透镜4和第二变焦透镜5三片透镜可以沿光轴方向做有规律性的直线运动，从而实现系统焦距的变化，所述的反射镜组由相互垂直的第一反射镜11和第二反射镜14组成，所述的后固定镜组包括设置在补偿透镜8和第一反射镜11之间的第一后固定透镜10和设置在第二反射镜14光线出射方的第二后固定透镜15、第三后固定透镜16和第四后固定透镜17，所述的第四后固定透镜17光线出射方设置有探测器组件19，两片反射镜分别放置于第一后固定透镜10和第二后固定透镜15之间，将光路进行了两次折转。

本发明多视场长波红外变焦光学系统，其光学系统相对孔径为1：2.7，工作波段为7.7μm～9.3μm，光学系统工作于长波红外波段，分为前组与后组两部分，本发明第一增倍透镜1、第二增倍透镜2、前固定透镜3、第一变焦透镜4、第二变焦透镜5、补偿透镜8、第一后固定透镜10、第二后固定透镜15、第三后固定透镜16和第四后固定透镜17共十片透镜和第一反射镜11、第二反射镜14两片反射镜；其中光学系统后组的八片透镜是一个单独的三档成像式变焦光学系统，可以单独使用；光学系统前组的两片透镜第一增倍透镜1和第二增倍透镜2单独形成1.7×的望远式增倍系统，与光学系统后组八片透镜组合，可以实现系统六档焦距的整体放大。

如图2至图5所示，后组系统可以单独成像，焦距为40mm/120mm/400mm，为变焦倍率为十倍的3档变焦系统；后组系统与第一增倍透镜1和第二增倍透镜2组合后，焦距可扩展为70mm/210mm/700mm，总共可实现六档焦距与视场。

本发明系统通过前组与后组两个光学系统的组合，可以实现总共六档焦距，大大提高了光学焦距的覆盖范围；前组的望远系统镜组设计为可重复拆卸式结构，可以根据使用情况装配或拆卸，提高了使用灵活性。

其中：

第一增倍透镜1为凸面朝向物方的单晶锗材料凸凹透镜，为正屈光度。

第二增倍透镜2为凸面朝向物方的单晶锗材料凸凹透镜，为负屈光度，由于望远系统会增加系统像差，为了提高成像质量，在第二增倍透镜2上设置了非球面，可以充分消除系统像差。

前固定透镜3为凸面朝向物方的单晶锗材料凸凹透镜，为正屈光度。

第一变焦透镜4为凹面朝向物方的单晶锗材料凹凸透镜，为负屈光度。

第三后固定透镜16为凹面朝向物方的单晶锗材料凹凸透镜，为正屈光度。

第二变焦透镜5为凸面朝向物方的凹凸透镜，采用硒化锌材料，为负屈光度。

第四后固定透镜17为凸面朝向物方的凹凸透镜，采用硒化锌材料，为负屈光度。

补偿透镜8为双凸透镜，采用单晶锗材料，为正屈光度。

第一后固定透镜10为凸面朝向物方的单晶锗材料凹凸透镜，为负屈光度。

第二后固定透镜15为凸面朝向物方的单晶锗材料凹凸透镜，为正屈光度。

本光学系统在设计上首先控制后组光学系统的冷反射，再将增倍透镜与后组系统进行组合，进行一体化设计控制，最终将系统冷反射降低到合理范围，既可实现高质量像质，又将系统的冷反射强度控制在合适的范围，与高性能长波制冷探测器配合使用，可以实现高分辨率红外成像。

本发明还公开了一种红外热像仪，包括支撑框架，所述的支撑框架内设有如权利要求1所述的多视场长波红外变焦光学系统，所述的支撑框架内还设有与丝杠7连接的电机、与电机连接的光电编码器和光电开关9，第一变焦透镜4与第二变焦透镜5组成变焦透镜组，变焦透镜组和后方的补偿透镜8依靠丝杠7驱动，沿光轴方向运动，实现光学系统的焦距变化，同时依靠光电编码器控制变焦透镜组与补偿透镜8停留的位置，实现精确变焦；还设有实现第一增倍透镜1和第二增倍透镜2安装固定的增倍镜镜座21，并实现与支撑框架的连接，支撑框架实现变焦机构的安装固定以及提供热像仪对外支撑安装的机械面，还设有实现第一反射镜11安装固定的第一反射镜镜座12和实现第二反射镜14安装固定的第二反射镜镜座13，并保证光学折转角度的精度；还设有用于安装补偿透镜8的补偿透镜镜座18；以及用于安装第一变焦透镜4和第二变焦透镜5的变焦透镜镜座20。

当系统从长焦端向短焦端变焦时，变焦透镜组沿光轴向物方运动，补偿透镜8沿光轴向像方运动，前组的增倍镜组设计为可重复拆卸式结构，可以根据使用情况装配或拆卸，提高了使用灵活性。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种多视场长波红外变焦光学系统，其特征在于：包括沿光轴从物方到像方设置的增倍镜组、前固定透镜（3）、运动镜组、反射镜组以及后固定镜组，所述的增倍镜组由第一增倍透镜（1）和第二增倍透镜（2）组成，所述的运动镜组包括通过导杆（6）和丝杠（7）连接的变焦透镜组和补偿透镜（8），所述的变焦透镜组由第一变焦透镜（4）和第二变焦透镜（5）组成，所述的反射镜组由相互垂直的第一反射镜（11）和第二反射镜（14）组成，所述的后固定镜组包括设置在补偿透镜（8）和第一反射镜（11）之间的第一后固定透镜（10）和设置在第二反射镜（14）光线出射方的第二后固定透镜（15）、第三后固定透镜（16）和第四后固定透镜（17），所述的第四后固定透镜（17）光线出射方设置有探测器组件（19）。

2.根据权利要求1所述的一种多视场长波红外变焦光学系统，其特征在于，所述的第一增倍透镜（1）、第二增倍透镜（2）和前固定透镜（3）为凸面朝向物方的单晶锗材料凸凹透镜，所述的第一增倍透镜（1）和前固定透镜（3）为正屈光度，所述的第二增倍透镜（2）为负屈光度。

3.根据权利要求1所述的一种多视场长波红外变焦光学系统，其特征在于，所述的第一变焦透镜（4）和第三后固定透镜（16）为凹面朝向物方的单晶锗材料凹凸透镜，所述的第一变焦透镜（4）为负屈光度，所述的第三后固定透镜（16）为正屈光度。

4.根据权利要求1所述的一种多视场长波红外变焦光学系统，其特征在于，所述的第二变焦透镜（5）和第四后固定透镜（17）为凸面朝向物方的凹凸透镜，采用硒化锌材料，为负屈光度。

5.根据权利要求1所述的一种多视场长波红外变焦光学系统，其特征在于，所述的补偿透镜（8）为双凸透镜，采用单晶锗材料，为正屈光度。

6.根据权利要求1所述的一种多视场长波红外变焦光学系统，其特征在于，所述的第一后固定透镜（10）和第二后固定透镜（15）为凸面朝向物方的单晶锗材料凹凸透镜，所述的为第一后固定透镜（10）负屈光度，所述的第二后固定透镜（15）为正屈光度。

7.一种红外热像仪，其特征在于：包括支撑框架，所述的支撑框架内设有如权利要求1所述的多视场长波红外变焦光学系统，所述的支撑框架内还设有

与丝杠（7）连接的电机、与电机连接的光电编码器和光电开关（9）；

实现第一增倍透镜（1）和第二增倍透镜（2）安装固定的增倍镜镜座（21）；

实现第一反射镜（11）安装固定的第一反射镜镜座（12）和实现第二反射镜（14）安装固定的第二反射镜镜座（13）；

用于安装补偿透镜（8）的补偿透镜镜座（18）；

以及用于安装第一变焦透镜（4）和第二变焦透镜（5）的变焦透镜镜座（20）。

8.根据权利要求7所述的一种红外热像仪，其特征在于，所述的增倍镜镜座（21）与支撑框架可拆卸连接。