CN106773032A - 一种超短紧凑型大变倍比三视场红外光学系统 - Google Patents

一种超短紧凑型大变倍比三视场红外光学系统 Download PDF

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许泽帅
兰卫华
张良
潘晓东
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Abstract

本发明涉及一种超短紧凑型大变倍比三视场红外光学系统，包括沿光路依次设置的物镜组、固定镜、会聚镜组，物镜组包括第一物镜、第二物镜和第三物镜，物镜组与固定镜之间设置有大视场变倍镜和大视场补偿镜、中视场变倍镜、第一中视场补偿镜以及第二中视场补偿镜，变倍镜组和补偿镜组能够移入光路而形成中视场光路和大视场光路。本发明的大变倍比三视场红外光学系统的无反射镜折转在超短系统空间中实现了光学系统的大变倍比，并通过径向摆臂切换模式实现三个视场之间的方便转换。

Description

一种超短紧凑型大变倍比三视场红外光学系统
技术领域
本发明属于光学设备技术领域，涉及一种超短紧凑型大变倍比三视场红外光学系统。
背景技术
光电探测系统需要具有非常远的作用距离和高分辨率成像性能，且要能满足高集成性、小体积的要求。目前，红外成像系统在导航、观察、跟踪等领域有着越来越广泛的应用，而单视场红外光学系统由于功能单一无法满足现代红外光学系统的发展需求，三视场红外光学系统有大小不同三个视场，大视场可以用于大范围搜索目标，中视场可以进一步观察和识别，小视场可以进行精确的跟踪与瞄准，在现代红外光学系统中得到了广泛的应用。
红外光学系统的变焦按照变焦过程中焦距是否连续变化可以分为两类，连续变焦和非连续变焦。连续变焦是通过运动透镜组光绪补偿线性移动或机械补偿非线性移动来实现焦距变化，能保持像面不变，但是在设计、材料选择和冷屏匹配方面存在一定不足，并且这类系统轴向尺寸长，前部透镜口径大，装调过程中保持像面清晰难度较大。
对于500mm焦距、大变倍比的光学系统，目前主要采用的是反射镜折转方式进行设计来保证系统的体积和重量要求，但由于采用了折转方式，系统体积和重量仍然很大，而且折转方式中反射镜需要穿轴，增大了装调难度。
紧凑型大变倍比光学镜头，通过大幅压缩体积重量，节省光电转塔安装空间，为光电转塔在有限空间内安装更多传感器提供可能。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种超短紧凑型大变倍比三视场红外光学系统，通过大幅压缩体积重量，节省光电转塔安装空间，为光电转塔在有限空间内安装更多传感器提供可能。
技术方案
一种超短紧凑型大变倍比三视场红外光学系统，其特征在于包括物镜组、固定镜、会聚镜组、大视场变倍镜和大视场补偿镜、中视场变倍镜和中视场补偿镜；所述物镜组、固定镜和会聚镜组构成小视场光路，物方到像方沿光轴路设有第一物镜1、第二物镜2、第三物镜3、固定镜4、光阑5、第一会聚透镜6和第二会聚透7；在第三物镜3与固定镜之间的光轴路上依次移入大视场变倍镜8和大视场补偿镜9，得到大视场光路；或在第三物镜3与固定镜之间的光轴路上依次移入中视场变倍镜10、第一中视场补偿镜11和第二中视场补偿镜12，得到中视场光路；所述两种视场的变倍镜和补偿镜的移入或移出采用径向摆臂机构。
探测器至于第二会聚透7之后的光轴上，形成三视场红外光学探测系统。
所述三视场红外光学探测系统体积为150mm×127.6mm×127.6mm，光学系统的最大口径为127.6mm。
所述探测器选用制冷型3um—5um中波探测器，F数：4，像元数：640*512，像元大小：15um。
所述各个器件的材质匹配为：所述第一物镜1、第二物镜2和第三物镜3的材料为硅、锗和硅，固定镜4的材料为锗，第一会聚镜6的材料为氟化钙，第二会聚镜7的材料为硅，大视场变倍镜8的材料为锗，大视场补偿镜9的材料为硅，中视场变倍镜10的材料为硅，第一中视场补偿镜11的材料为锗和第二中视场补偿镜12的材料为硅。
所述小视场光路的焦距为500mm，各个器件的参数匹配为：
所述中视场光路的焦距为120mm，各个器件的参数匹配为：
所述大视场光路的焦距为35mm，各个器件的参数匹配为：
有益效果
本发明提出的一种超短紧凑型大变倍比三视场红外光学系统，包括沿光路依次设置的物镜组、固定镜、会聚镜组，物镜组包括第一物镜1、第二物镜2和第三物镜3，物镜组与固定镜4之间设置有大视场变倍镜8和大视场补偿镜9、中视场变倍镜10、第一中视场补偿镜11以及第二中视场补偿镜12，变倍镜组和补偿镜组能够移入光路而形成中视场光路和大视场光路。本发明的大变倍比三视场红外光学系统的无反射镜折转在超短系统空间中实现了光学系统的大变倍比，并通过径向摆臂切换模式实现三个视场之间的方便转换。
本发明的三视场红外光学系统采用摄远光学设计，并通过径向摆臂切换模式实现三个视场之间的方便转换，通过会聚镜组来保证相应的调焦功能，实现了大变倍比结构紧凑，体积小，重量轻。本发明采用二次成像系统减小前端物镜尺寸，保持系统冷光阑效率为100％。
附图说明
图1是本发明的超短紧凑型大变倍比三视场红外光学系统原理图；
图2是本发明的光学装置的三视场红外光学系统窄视场光路图；
图3是本发明的光学装置的三视场红外光学系统中视场光路图；
图4是本发明的光学装置的三视场红外光学系统宽视场光路图；
1-第一物镜，2-第二物镜，3-第三物镜，4-固定镜，5-光阑，6-，7-，8-大视场变倍镜，9-大视场补偿镜，10-中视场变倍镜，11-第一中视场补偿镜，12-第二中视场补偿镜，13-探测器。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
如图1-4所示，本发明的光学装置包括三视场红外光学系统，三视场红外光学系统包括沿光轴依次顺序设置的物镜组、变倍镜组、补偿镜组、固定镜4、光阑5、会聚镜组和探测器13，其中物镜组由依次设置的第一物镜1、第二物镜2及第三物镜3。
变倍镜组包括大视场变倍镜8和中视场变倍镜10组成，补偿镜组包括大视场补偿镜9和第一中视场补偿镜11、第二中视场补偿镜12组成。
大视场变倍镜8和大视场补偿镜9设置在第三物镜3和固定镜4之间，采用径向摆臂机构移入或移出。
中视场变倍镜10、第一中视场补偿镜11和第二中视场补偿镜12依次设置在第三物镜3和固定镜4之间，采用径向摆臂机构移入或移出。
光阑5和会聚镜组依次顺序设置在固定镜4和探测器之间，光阑5靠近固定镜4设置，会聚镜组靠近探测器设置，会聚镜组由第一会聚透镜6和第二会聚透7并列同轴设置组成。物镜组、中视场变倍镜10、第一中视场补偿镜11和第二中视场补偿镜12、固定镜4、光阑5、会聚镜组和探测器13共同构成了该光学系统的大视场光路。物镜组、大视场变倍镜8、大视场补偿镜9、固定镜4、光阑5、会聚镜组和探测器13共同构成了该光学系统的中视场光路。本实施例中，探测器为制冷型红外焦平面探测器。
所述径向摆臂机构设置在物镜组与固定镜之间。
当处于小视场状态下时，径向摆臂机构控制物镜组与固定镜之间无镜片，当处于中视场状态下时，径向摆臂机构控制物镜组与固定镜之间有大视场变倍镜8和大视场补偿镜9，当处于大视场状态下时，径向摆臂机构控制物镜组与固定镜之间有中视场变倍镜10和第一中视场补偿镜11以及第二中视场补偿镜12。
变倍镜组的透镜与补偿镜组的透镜在光路轴线构成的平面上的呈直线型。变倍镜组和补偿镜组均能够沿光路径向方向旋转，从而能够移出或者移入由物镜组、固定镜组、会聚镜组构成的光路，变倍镜组和补偿镜组移入该光路后，即构成了大视场或者中视场光路，移出该光路后，即构成了小视场光路。
本实施例中，小视场光路的焦距为500mm，中视场光路的焦距为120mm，大视场光路的焦距为35mm，光学系统的最大口径为127.6mm，光学系统的体积为150mm×127.6mm×127.6mm。
本实施例中，小视场使用6片透镜、中视场使用8片透镜、大视场使用9片透镜，实现了大变倍比紧凑型的三视场光路的搭建。
本实施例中，探测器选用制冷型3um—5um中波探测器，F数：4，像元数：640*512，像元大小：15um。
上述各光学组件共引入了七个非球面，通过较少的透镜数量实现了校正像差、提高像质的作用。具体参数和材料如表1-3所示。
表1小视场光学系统组成及参数
表2中视场光学系统组成及参数
表3大视场光学系统组成及参数
本实施例的光学装置在使用时，首先使用大视场光路对目标进行探测，这时通过径向摆臂将中视场变倍镜10、第一中视场补偿镜11和第二中视场补偿镜12切入光路，形成大视场光路，光线经过大视场光路在制冷型红外焦平面探测器上成像，然后通过中小视场光路对目标进行识别，通过径向摆臂将中视场变倍镜10、第一中视场补偿镜11和第二中视场补偿镜12切出光路，同时将大视场变倍镜8和大视场补偿镜9切入光路形成中视场光路，光线经过中视场光路在探测器上成像，利用小视场对目标进行识别时，通过径向摆臂将大视场变倍镜8和大视场补偿镜9，中视场变倍镜10、第一中视场补偿镜11和第二中视场补偿镜12都切出光路即可利用小视场光路进行识别。
在本发明的光学装置的其他实施例中，变倍镜组、调焦镜组、补偿镜组、会聚镜组、固定镜组的透镜的数量可以视具体需要而设置。
在其他实施例中，光学系统可以不包括光阑。
本发明的三视场红外光学系统的实施例与上述光学装置的实施例中的三视场红外光学系统的结构完全一致，此处不再一一赘述。另外，上述光学装置的实施例中的各种三视场红外光学系统的替代方式也适用于本发明的三视场红外光学系统的实施例。

Claims (8)

1.一种超短紧凑型大变倍比三视场红外光学系统，其特征在于包括物镜组、固定镜、会聚镜组、大视场变倍镜和大视场补偿镜、中视场变倍镜和中视场补偿镜；所述物镜组、固定镜和会聚镜组构成小视场光路，物方到像方沿光轴路设有第一物镜(1)、第二物镜(2)、第三物镜(3)、固定镜(4)、光阑(5)、第一会聚透镜(6)和第二会聚透(7)；在第三物镜(3)与固定镜之间的光轴路上依次移入大视场变倍镜(8)和大视场补偿镜(9)，得到大视场光路；或在第三物镜(3)与固定镜之间的光轴路上依次移入中视场变倍镜(10)、第一中视场补偿镜(11)和第二中视场补偿镜(12)，得到中视场光路；所述两种视场的变倍镜和补偿镜的移入或移出采用径向摆臂机构。
2.根据权利要求1所述超短紧凑型大变倍比三视场红外光学系统，其特征在于：探测器至于第二会聚透(7)之后的光轴上，形成三视场红外光学探测系统。
3.根据权利要求2所述超短紧凑型大变倍比三视场红外光学系统，其特征在于：所述三视场红外光学探测系统体积为150mm×127.6mm×127.6mm，光学系统的最大口径为127.6mm。
4.根据权利要求2所述超短紧凑型大变倍比三视场红外光学系统，其特征在于：所述探测器选用制冷型3um—5um中波探测器，F数：4，像元数：640*512，像元大小：15um。
5.根据权利要求1所述超短紧凑型大变倍比三视场红外光学系统，其特征在于：所述各个器件的材质匹配为：所述第一物镜(1)、第二物镜(2)和第三物镜(3)的材料为硅、锗和硅，固定镜(4)的材料为锗，第一会聚镜(6)的材料为氟化钙，第二会聚镜(7)的材料为硅，大视场变倍镜(8)的材料为锗，大视场补偿镜(9)的材料为硅，中视场变倍镜(10)的材料为硅，第一中视场补偿镜(11)的材料为锗和第二中视场补偿镜(12)的材料为硅。
6.根据权利要求1所述超短紧凑型大变倍比三视场红外光学系统，其特征在于：所述小视场光路的焦距为500mm，各个器件的参数匹配为：
7.根据权利要求1所述超短紧凑型大变倍比三视场红外光学系统，其特征在于：所述中视场光路的焦距为120mm，各个器件的参数匹配为：
8.根据权利要求1所述超短紧凑型大变倍比三视场红外光学系统，其特征在于：所述大视场光路的焦距为35mm，各个器件的参数匹配为：
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