CN107121765B - 一种非制冷双视场红外光学系统及应用该系统的光学镜头 - Google Patents

一种非制冷双视场红外光学系统及应用该系统的光学镜头 Download PDF

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Abstract

针对现有技术中的非制冷双视场光学系统镜片数量多、切换复杂、对系统装配误差要求高等问题，本发明提供一种非制冷双视场红外光学系统及应用该系统的光学镜头，包括从物方至像方依次同轴设置的前固定会聚透镜组、移动变倍透镜组、后固定会聚透镜组、探测器保护玻璃和用于成像的成像探测器焦平面，所述的移动变倍透镜组在前固定会聚透镜组和后固定会聚透镜组之间移动从而进行双视场切换，其技术方案在于：所述的后固定会聚透镜组由依次设置的弯月形正透镜II和弯月形正透镜III组成。本发明透镜数量少，光能利用率高，双视场成像清晰；各透镜光焦度及表面曲率的合理配置降低系统误差敏感度、提高装配效率、降低生产成本。

Description

一种非制冷双视场红外光学系统及应用该系统的光学镜头
技术领域
本发明涉及非制冷双视场红外光学系统及应用该系统的光学镜头，属于光学领域。
背景技术
红外成像系统具有全天候工作、无需辅助照明、隐蔽性好、环境适应性好等优点，在告警、侦察和制导等军事领域和民用工程中得到了广泛应用。
随着技术的发展进步，非制冷红外系统的像元尺寸不断减小、灵敏度不断提高，而其价格却逐步降低。此外，因其不需要制冷机，系统可靠性好、能够实现小型化，所以越来越广泛应用于安防监控、车载等领域。
红外变焦系统有分档变焦和连续变焦两种，由于连续变焦系统所需透镜片数过多，会导致系统透射比下降，且系统质量较大。此外，为保持系统在连续变焦过程中始终保持清晰成像，对伺服控制系统的精度要求高。因此，在某些特殊情况下，常使用两档变焦系统来代替连续变焦系统。
与连续变焦红外光学系统相比，两档或多档变焦红外光学系统具有结构更加简捷、透过率高、系统装调难度低、视场切换时间短、伺服控制容易等优点。在现代军事中，红外双视场变焦光学系统已被广泛应用于制导、监控、红外前视系统、目标探测和追踪等领域；在民用方面，红外双视场变焦光学系统可用于照相、空间遥感等领域。
双视场光学系统一般有两种变焦方式：变倍组移入移出切换式变换视场、变倍组沿光轴方向平行移动式变视场。切换式光学系统由于透镜组的切入、切出需要较大的空间，因而光学系统的横向尺寸较大，而且多次的透镜组切入、切出易使两个视场光轴的一致性变差。而轴向移动式移动元件少、质量轻，且无需另设调焦机构即可同时实现变焦和精密调焦的功能。
中国专利CN201510388632.4及CN201610789592.9均为切换式非制冷双视场光学系统，由于需要透镜进行切入和切出，光学系统的横向尺寸较大，不利于实现系统小型化。
中国专利CN201310661268.5介绍了一种双视场长波红外光学被动消热差光学系统，该系统由7片透镜组成，实现50/150两档变焦，系统总长240mm；中国专利CN201210339814.9、CN201320153758.x、CN201410057627.0均为5片透镜双视场光学系统。由于光学系统的T数为
Figure GDA0003751694540000011
F#为光学系统F数(焦距与口径之比)，τ为光学系统的总透过率。可见要减小光学系统的T值就要提高光学系统的总透过率，因此，减少系统的透镜数量具有重要意义，较多的透镜数量不利于提高光能利用率。
中国专利CN201620521779.6及CN201620524144.1介绍了轴向移动式的双视场光学系统，系统均由4片透镜组成，光学系统在像元为17μm的红外探测器所对应空间频率为30lp/mm时的传递函数低、成像质量不佳、光学分辨率不高；此外系统在变倍组透镜中使用了衍射面透镜，由于衍射面对系统的装调精度要求高，变倍组在运动过程中的定位误差会降低系统的成像质量。因此，该系统装配效率低、生产成本高。
申请号为201010516394.8的中国专利申请公开了一种非制冷双视场红外光学系统，该系统实现56.7mm/114.3mm两档变焦，光学总长达232mm，光学系统太长，不利于实现成像系统的小型化、轻量化。该系统适配像元为25μm的探测器，目前主流红外探测器的像元为17μm以下，分辨率不能满足现行探测器。此外，由于其透镜数量多，导致中光学系统透过率低，不利于提高光能利用率。
发明内容
针对现有技术中的非制冷双视场光学系统镜片数量多、切换复杂、对系统装配误差要求高等问题，本发明提供一种非制冷双视场红外光学系统及应用该系统的光学镜头。
所述的一种非制冷双视场红外光学系统，包括从物方至像方依次同轴设置的前固定会聚透镜组、移动变倍透镜组、后固定会聚透镜组、探测器保护玻璃和用于成像的成像探测器焦平面，所述的移动变倍透镜组在前固定会聚透镜组和后固定会聚透镜组之间移动从而进行双视场切换，其中，前固定会聚透镜组包括弯月形正透镜I，移动变倍透镜组包括双凹负透镜，其技术方案在于：所述的后固定会聚透镜组由依次设置的弯月形正透镜II和弯月形正透镜III组成。
优选的，所述的移动变倍透镜组沿着光轴方向移动导程d满足：53mm≤d≤59mm。
优选的，所述的弯月形正透镜I、双凹负透镜、弯月形正透镜II和弯月形正透镜III的材质为单晶锗。
进一步的，所述的弯月形正透镜I满足以下条件：1.2≤f1/f≤1.6，其中f为由前固定会聚透镜组、移动变倍透镜组和后固定会聚透镜组组成的光学系统在长焦状态下的焦距、f1为弯月形正透镜I的有效焦距；
所述的双凹负透镜满足以下条件：-0.45≤f2/f≤-0.34，其中f为由前固定会聚透镜组、移动变倍透镜组和后固定会聚透镜组组成的光学系统在长焦状态下的焦距、f2为双凹负透镜的有效焦距；
所述的弯月形正透镜II满足以下条件：0.4≤f3/f≤0.5，其中f为由前固定会聚透镜组、移动变倍透镜组和后固定会聚透镜组组成的光学系统在长焦状态下的焦距、f3为弯月形正透镜II的有效焦距；
所述的弯月形正透镜III满足以下条件：0.42≤f4/f≤0.55，其中f为由前固定会聚透镜组、移动变倍透镜组和后固定会聚透镜组组成的光学系统在长焦状态下的焦距、f4为弯月形正透镜III的有效焦距。
进一步的，所述弯月形正透镜I与所述弯月形正透镜II之间轴距为T13，所述弯月形正透镜II与所述弯月形正透镜III之间轴距为T34，所述弯月形正透镜II于光轴上的厚度为CT3，满足以下条件：22≤(T13+T34)/CT3≤23.5。
进一步的，所述的弯月形正透镜I的后表面采用偶次非球面，满足方程：
Figure GDA0003751694540000031
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。
进一步的，所述的弯月形正透镜II的前表面采用衍射非球面，满足方程：
Figure GDA0003751694540000032
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；HOR为衍射级次，C1、C2、C3为衍射面系数，λ0为设计中心波长；n为弯月形正透镜II的折射率，n0为空气折射率。
进一步的，所述的由前固定会聚透镜组、移动变倍透镜组和后固定会聚透镜组组成的光学系统实现的技术参数为：工作波段：8μm～12μm；F#：1；焦距：25mm/100mm两档；光学长度：≤150mm；像面直径：Φ14mm；其中，F#为光学系统的焦距/光学系统入射光瞳直径。
一种应用上述一种双视场非制冷红外光学系统的光学镜头，其技术方案是：所述的光学镜头的光学长度TTL与由前固定会聚透镜组、移动变倍透镜组和后固定会聚透镜组组成的光学系统在长焦状态的焦距f满足以下条件：TTL/f≤1.5。
本发明的有益效果是：本发明透镜数量少，光能利用率高，双视场成像清晰；利用单晶锗材料的折射率大于4、具有很高的阿贝数、色散小的光学特性来减小像差，降低光学系统的设计难度、提高成像质量。在系统的短焦和长焦位置，利用双凹负透镜微小的位移来对系统进行调焦，实现光学系统对不同距离目标的清晰成像，无需另设调焦机构。各透镜光焦度及表面曲率的合理配置降低系统误差敏感度、提高装配效率、降低生产成本。
附图说明
图1为光学系统光路图。
图2为实施例I的光学系统在短焦状态光路图。
图3为实施例I的光学系统在长焦状态光路图。
图4为实施例I在短焦状态的传递函数图。
图5为实施例I在长焦状态的传递函数图。
图6为实施例I在短焦与长焦状态的点列图。
图7为实施例I在短焦状态场曲、畸变图。
图8为实施例I在长焦状态的场曲、畸变图。
图9为实施例I衍射面形状图。
图10为实施例II在短焦状态光路图。
图11为实施例II在长焦状态光路图。
图12为实施例II在短焦状态的传递函数图。
图13为实施例II在长焦状态的传递函数图。
图14为实施例II在短焦与长焦状态的点列图。
图15为实施例II在短焦状态场曲、畸变图。
图16为实施例II在长焦状态的场曲、畸变图。
图17为实施例II衍射面形状图。
其中，1为弯月形正透镜I，2为双凹负透镜，3为弯月形正透镜II，4为弯月形正透镜III，5为探测器保护玻璃，6为成像探测器焦平面，7为前固定会聚透镜组，8为移动变倍透镜组，9为后固定会聚透镜组。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步的说明。
如图1，一种双视场非制冷红外光学系统，包括从物方至像方依次同轴设置的前固定会聚透镜组7、移动变倍透镜组8、后固定会聚透镜组9、探测器保护玻璃5和用于成像的成像探测器焦平面6，所述的移动变倍透镜组8在前固定会聚透镜组7和后固定会聚透镜组9之间移动从而进行双视场切换，其中，前固定会聚透镜组7包括弯月形正透镜I1，移动变倍透镜组8包括双凹负透镜2，其技术方案在于：所述的后固定会聚透镜组9由依次设置的弯月形正透镜II3和弯月形正透镜III4组成。
优选的，所述的移动变倍透镜组8沿着光轴方向移动导程d满足：53mm≤d≤59mm。
优选的，所述的弯月形正透镜I1、双凹负透镜2、弯月形正透镜II3和弯月形正透镜III4的材质为单晶锗。
进一步的，所述的弯月形正透镜I1满足以下条件：1.2≤f1/f≤1.6，其中f为由前固定会聚透镜组7、移动变倍透镜组8和后固定会聚透镜组9组成的光学系统在长焦状态下的焦距、f1为弯月形正透镜I1的有效焦距；
所述的双凹负透镜2满足以下条件：-0.45≤f2/f≤-0.34，其中f为由前固定会聚透镜组7、移动变倍透镜组8和后固定会聚透镜组9组成的光学系统在长焦状态下的焦距、f2为双凹负透镜2的有效焦距；
所述的弯月形正透镜II3满足以下条件：0.4≤f3/f≤0.5，其中f为由前固定会聚透镜组7、移动变倍透镜组8和后固定会聚透镜组9组成的光学系统在长焦状态下的焦距、f3为弯月形正透镜II3的有效焦距；
所述的弯月形正透镜III4满足以下条件：0.42≤f4/f≤0.55，其中f为由前固定会聚透镜组7、移动变倍透镜组8和后固定会聚透镜组9组成的光学系统在长焦状态下的焦距、f4为弯月形正透镜III4的有效焦距。
进一步的，所述弯月形正透镜I1与所述弯月形正透镜II3之间轴距为T13，所述弯月形正透镜II3与所述弯月形正透镜III4之间轴距为T34，所述弯月形正透镜II3于光轴上的厚度为CT3，满足以下条件：22≤(T13+T34)/CT3≤23.5。
进一步的，所述的弯月形正透镜I1的后表面采用偶次非球面，满足方程：
Figure GDA0003751694540000051
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。
进一步的，所述的弯月形正透镜II3的前表面采用衍射非球面，满足方程：
Figure GDA0003751694540000052
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；HOR为衍射级次，C1、C2、C3为衍射面系数，λ0为设计中心波长；n为弯月形正透镜II3的折射率，n0为空气折射率。
进一步的，所述的由前固定会聚透镜组7、移动变倍透镜组8和后固定会聚透镜组9组成的光学系统实现的技术参数为：工作波段：8μm～12μm；F#：1；焦距：25mm/100mm两档；光学长度：≤150mm；像面直径：Φ14mm；其中，F#为光学系统的焦距/光学系统入射光瞳直径。
所述的一种应用上述的一种双视场非制冷红外光学系统的光学镜头，其技术方案是：光学镜头的光学长度TTL与f满足以下条件：TTL/f≤1.5；其中f为由前固定会聚透镜组7、移动变倍透镜组8和后固定会聚透镜组9组成的光学系统在长焦状态下的焦距。
具体实施例I：如图1～9，弯月形正透镜I1与双凹负透镜2之间的间隔为10.77mm/69.24mm，双凹负透镜2与弯月形正透镜II3之间的间隔为60.81mm/2.33mm，弯月形正透镜II3与弯月形正透镜III4之间的间隔为46.27mm，弯月形正透镜III4与探测器保护玻璃5之间的间隔为8mm。
本发明实现的技术指标：
探测器： 640×512非制冷；
像元尺寸： 17μm；
工作波段： 8μm～12μm；
F#： 1.0；
焦距： 25mm/100mm两档；
光学长度： ≤150mm。
表I：透镜参数
Figure GDA0003751694540000061
表II：非球面系数的值
Figure GDA0003751694540000062
弯月形正透镜I1的后表面采用偶次非球面，根据以下公式(1)进行矢高计算，满足方程：
Figure GDA0003751694540000071
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。
表III：衍射非球面系数
Figure GDA0003751694540000072
对弯月形正透镜II3的前表面采用衍射非球面，根据以下公式(2)进行矢高计算，满足方程：
Figure GDA0003751694540000073
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；HOR为衍射级次，C1、C2、C3为衍射面系数，λ0为设计中心波长；n为弯月形正透镜II3折射率，n0为空气折射率。
如图4可知，在短焦状态下对应空间频率为30lp/mm时，系统传递函数最低为0.5，满足设计要求。
如图5可知，在长焦状态下对应空间频率为30lp/mm时，系统传递函数最低为0.5，满足设计要求。
如图6可知，本发明的系统点斑RMS直径均在一个像元直径范围内。
如图7可知，本发明在短焦状态下系统畸变小于4.5％，满足设计要求。
如图8可知，本发明在长焦状态下系统畸变小于0.5％，满足设计要求。
如图9可知，本发明随着径向坐标的增加，衍射面的环带密度增大。衍射面的环带数为3，技术方案尺寸为5mm，现有的制作工艺能够满足上述衍射面的加工制作。
具体实施例II：如图10～17，弯月形正透镜I1与双凹负透镜2之间的间隔为10.77mm/64.41mm，双凹负透镜2与弯月形正透镜II3之间的间隔为58.61mm/4.97mm，弯月形正透镜II3与弯月形正透镜III4之间的间隔为46.71mm，弯月形正透镜III4与探测器保护玻璃5之间的间隔为8mm。
本发明实现的技术指标：
探测器： 640×512非制冷；
像元尺寸： 17μm；
工作波段： 8μm～12μm；
F#： 1.0；
焦距： 25mm/100mm两档；
光学长度： ≤150mm。
表IV：透镜参数
Figure GDA0003751694540000081
表V：非球面参数
Figure GDA0003751694540000082
弯月形正透镜I1的后表面采用偶次非球面，根据以下公式(3)进行矢高计算，满足方程：
Figure GDA0003751694540000083
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。
表VI：衍射面参数
Figure GDA0003751694540000084
弯月形正透镜II3的前表面采用衍射非球面，根据以下公式(4)进行矢高计算，满足方程：
Figure GDA0003751694540000091
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；HOR为衍射级次，C1、C2、C3为衍射面系数，λ0为设计中心波长；n为弯月形正透镜II3折射率，n0为空气折射率。
如图12可知，在短焦状态下对应空间频率为30lp/mm时，系统传递函数最低为0.45，满足设计要求。
如图13可知，在长焦状态下对应空间频率为30lp/mm时，系统传递函数最低为0.4，满足设计要求。
如图14可知，本发明的系统点斑RMS直径均在一个像元直径范围内。
如图15可知，本发明在短焦状态时系统畸变小于5％，满足设计要求。
如图16可知，本发明在长焦状态时系统畸变小于0.5％，满足设计要求。
如图17可知，本发明随着径向坐标的增加，衍射面的环带密度增大。衍射面的环带数为3，技术方案尺寸为5mm，现有的制作工艺能够满足上述衍射面的加工制作。
以上所述仅为发明的较佳实施例而己，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种非制冷双视场红外光学系统，由从物方至像方依次同轴设置的前固定会聚透镜组(7)、移动变倍透镜组(8)、后固定会聚透镜组(9)、探测器保护玻璃(5)和用于成像的成像探测器焦平面(6)组成，所述的移动变倍透镜组在前固定会聚透镜组和后固定会聚透镜组之间移动从而进行双视场切换，其中，前固定会聚透镜组(7)为弯月形正透镜I(1)，移动变倍透镜组(8)为双凹负透镜(2)，其特征在于：所述的后固定会聚透镜组(9)由依次设置的弯月形正透镜II(3)和弯月形正透镜III(4)组成；各透镜组满足以下条件：
1.2≤f1/f≤1.6，-0.45≤f2/f≤-0.34，0.4≤f3/f≤0.5，0.42≤f4/f≤0.55；
其中f为由前固定会聚透镜组(7)、移动变倍透镜组(8)和后固定会聚透镜组(9)组成的光学系统在长焦状态下的焦距，
f1为弯月形正透镜I(1)的有效焦距，
f2为双凹负透镜(2)的有效焦距，
f3为弯月形正透镜II(3)的有效焦距，
f4为弯月形正透镜III(4)的有效焦距。
2.根据权利要求1所述的一种非制冷双视场红外光学系统，其特征是：所述的移动变倍透镜组(8)沿着光轴方向移动导程d满足：53mm≤d≤59mm。
3.根据权利要求1所述的一种非制冷双视场红外光学系统，其特征是：所述的弯月形正透镜I(1)、双凹负透镜(2)、弯月形正透镜II(3)和弯月形正透镜III(4)的材质为单晶锗。
4.根据权利要求1所述的一种非制冷双视场红外光学系统，其特征是：所述弯月形正透镜I(1)与所述弯月形正透镜II(3)之间轴距为T13，所述弯月形正透镜II(3)与所述弯月形正透镜III(4)之间轴距为T34，所述弯月形正透镜II(3)于光轴上的厚度为CT3，满足以下条件：22≤(T13+T34)/CT3≤23.5。
5.根据权利要求1所述的一种非制冷双视场红外光学系统，其特征是：所述的弯月形正透镜I(1)的后表面采用偶次非球面，满足方程：
Figure FDA0003751694530000011
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。
6.根据权利要求1所述的一种非制冷双视场红外光学系统，其特征是：所述的弯月形正透镜II(3)的前表面采用衍射非球面，满足方程：
Figure FDA0003751694530000021
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；HOR为衍射级次，C1、C2、C3为衍射面系数，λ0为设计中心波长；n为弯月形正透镜II(3)的折射率，n0为空气折射率。
7.一种应用权利要求1所述的一种非制冷双视场红外光学系统的光学镜头，其特征是：所述的光学镜头的光学长度TTL与由前固定会聚透镜组(7)、移动变倍透镜组(8)和后固定会聚透镜组(9)组成的光学系统在长焦状态的焦距f满足以下条件：TTL/f≤1.5。
CN201710229930.8A 2017-04-10 2017-04-10 一种非制冷双视场红外光学系统及应用该系统的光学镜头 Active CN107121765B (zh)

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