CN107153262B - 一种超宽光谱、大靶面短波红外中固定组远摄变焦光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超宽光谱、大靶面短波红外中固定组远摄变焦光学系统，设有光焦度为正的前固定组G1、光焦度为负的变倍组G2、光栏STO、光焦度为正的中固定组G3、光焦度为正的补偿组G4、光焦度为负的后固定组G5及像面Simage；变倍组G2与补偿组G4在变焦距过程中以一定规律相对运动，实现系统在超宽光谱短波红外波段，大靶面上连续变焦成像；后固定组G5中具有负光焦度的胶合镜用于调焦，能使系统口径变小，因而适于迅速的聚焦；通过对具有中固定组连续变焦结构形式的使用，实现了在短波红外波段，具有超宽光谱、大靶面成像能力，系统使用材料普遍、未使用非球面，大大降低了成本，提高了可靠性。

Description

一种超宽光谱、大靶面短波红外中固定组远摄变焦光学系统

技术领域

本发明属于短波红外成像技术领域，具体涉及一种超宽光谱、大靶面短波红外中固定组远摄变焦光学系统，可应用于夜视、侦察与监视、遥感、遥感系统、光电对抗等领域。

背景技术

军用光电探测设备要求探测目标距离大，在对目标既能作大区域小倍率的概观，又能作小区域大倍率的仔细观察的同时，还要求在低照度及能见度较低的雾、雨、尘等天气中具有较高的探测灵敏度，目前市场上已有的昼夜/透雾型连续变焦等系统其功能都是通过切换可见(486nm～656nm)/近红外滤光片(850nm)来实现透雾功能的，其探测器所使用的芯片灵敏度在近红外波段都较低。本发明所提到的系统，配合短波探测器使用，与市场上现有的昼夜/透雾型连续变焦系统相比可大大提高探测灵敏度，进而提升在低照度及低能见度下的探测能力，且与中、长波红外热像仪的大相对口径相比，该短波红外系统的体积、质量与可见光、微光器材相接近。在军事上，该系统还可应用于夜视、侦察与监视、遥感、遥感系统、光电对抗等领域，市场前景广阔。现有的专利及文章并无类似报道。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种超宽光谱、大靶面短波红外中固定组远摄变焦光学系统，系统工作波段900nm～1700nm，适用于12.8mm×10.24mm大靶面短波红外摄像机，可大大提高在低照度及能见度较低的雾、雨、尘等天气的探测灵敏度。

一种短波红外中固定组远摄变焦光学系统，从物方到像方依次设有光焦度为正的前固定组G1、光焦度为负的变倍组G2、光栏、光焦度为正的中固定组G3、光焦度为正的补偿组G4、光焦度为负的后固定组G5及像面；其中，变倍组G2和补偿组G4沿光轴的前后移动实现系统连续变焦成像；

前固定组G1、变倍组G2、中固定组G3、补偿组G4满足如下关系式：

0.32≤f1/ft≤0.38；

1.2≤f4/︱f2︱≤2.3；

0.85≤f3/f4≤2.8；

0.6≤βt4/βw4≤1.4；

βt4≤0.5；

其中，f1是前固定组G1的焦距值；f2是变倍组G2的焦距值；f3是中固定组G3的焦距值；f4是补偿组G4的焦距值；ft是系统最长焦的焦距值；βt4是长焦情况下补偿组G4的放大倍率；βw4是短焦情况下补偿组G4的放大倍率。

较佳的，系统变焦成像过程中，变倍组G2作线性移动，补偿组G4作非线性移动。

较佳的，当系统的位置状态从短焦状态向长焦状态变化时，前固定组G1和变倍组G2之间的距离一直增大，变倍组G2与中固定组G3的距离一直减小，中固定组G3与补偿组G4的距离先减小后增大，补偿组G4与后固定组G5的距离先增大后减小。

较佳的，所述前固定组G1从物方到像方依次包括第一组双胶合透镜L11、第二组双胶合透镜L12和单凹透镜L13。

较佳的，前固定组G1中双胶合透镜L11中的两个透镜分别使用重火石玻璃HZF6和镧火石玻璃HLAF6LA；双胶合透镜L12中的两个透镜分别使用重火石玻璃HZF6和镧冕玻璃HLAK61；单凹透镜L13采用重火石玻璃HZF6。

较佳的，变倍组G2中包括双胶合透镜L21，其中包括材料为玻璃FK61的双凹透镜。

较佳的，中固定组G3中包括弯月透镜L32，材料为玻璃FK61。

较佳的，中固定组G3中包括双胶合透镜L33，其中的双凸透镜材料为玻璃FK61。

本发明具有如下有益效果：

通过对具有中固定组连续变焦结构形式的使用，实现了在短波红外波段，具有超宽光谱、大靶面成像能力，系统使用材料普遍、未使用非球面，大大降低了成本，提高了可靠性。该系统还可应用于夜视、侦察与监视、遥感、遥感系统、光电对抗等领域，市场前景广阔。

附图说明

图1为光学系统主要组成图，G1由3组镜片组成，L11、L12、L13；G2由3组镜片组成，L21、L22；STO为光栏；G3由3组镜片组成，L31，L32，L33；G4由2组镜片组成，L41、L42；G5由2组镜片组成，L51、L52；Simage为像面。

图2为光学系统不同焦距的图示，图2.1为最短焦位置图示；图2.2为中焦位置图示；图2.3为最长焦位置图示。

图3为系统的综合像质评价函数MTF(传递函数)在不同位置时的图示，图3.1为最短焦位置MTF图示；图3.2为中焦位置MTF图示；图3.3为最长焦位置MTF图示；

图4为本发明的具体实施方式中变倍、补偿的移动量及对应的焦距值示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明的一种超宽光谱、大靶面短波红外中固定组远摄变焦光学系统，如图1所示，沿光线入射方向分别设有光焦度为正的前固定组G1、光焦度为负的变倍组G2、光栏STO、光焦度为正的中固定组G3、光焦度为正的补偿组G4、光焦度为负的后固定组G5及像面Simage。变倍组G2与补偿组G4在变焦距过程中以一定规律相对运动，实现系统在超宽光谱短波红外波段，大靶面上连续变焦成像。后固定组G5中具有负光焦度的胶合镜用于调焦，与以往的前组聚焦系统相比能使系统口径变小，因而适于迅速的聚焦。

本发明的系统，实现需满足两个条件：(1)焦距或放大率的连续改变；(2)在变焦过程中像面位置稳定。这两个条件是由变倍组G2和补偿组G4的移动来实现的。为了实现变倍目的，变倍组G2沿轴作线性移动，此时垂轴放大倍率改变，像点移动，为了满足像点不动，补偿组G4需作相应的运动。

其中，变倍组G2由左向右作线性移动时，焦距由短变长，同时像面也发生位移，用补偿组G4作相应的少量非线性移动，以达到系统既变倍而像面位置又稳定的要求。变倍组G2与补偿组G4的位置是一一对应的。

当系统的位置状态从短焦状态向长焦状态变化时，前固定组G1和变倍组G2之间的距离一直增大，变倍组G2与中固定组G3的距离一直减小，中固定组G3与补偿组G4的距离先减小后增大，补偿组G4与后固定组G5的距离先增大后减小。

前固定组G1、变倍组G2、中固定组G3、补偿组G4满足如下关系式：

0.32≤f1/ft≤0.38 公式1

1.2≤f4/︱f2︱≤2.3 公式2

0.85≤f3/f4≤2.8 公式3

0.6≤βt4/βw4≤1.4 公式4

βt4≤0.5 公式5

其中，f1是前固定组G1的焦距值；f2是变倍组G2的焦距值；f3是中固定组G3的焦距值；f4是补偿组G4的焦距值；ft是系统最长焦的焦距值；βt4是长焦情况下补偿组G4的放大倍率；βw4是短焦情况下补偿组G4的放大倍率。

前固定组G1包括正光焦度的双胶合透镜L11、正光焦度的双胶合透镜L12、负光焦度的双凹透镜L13；变倍组G2包括负光焦度的双胶合透镜L21、负光焦度的双凹透镜L22；中固定组G3包括负光焦度的弯月透镜L31、正光焦度的弯月透镜L32、正光焦度的双胶合透镜L33；补偿组G4包括正光焦度的弯月透镜L41、正光焦度的双凸透镜L42；后固定组G5包括负光焦度的双胶合透镜L51、正光焦度的双凸透镜L52。

本系统的工作光谱范围宽为900nm～1700nm，色差及二级光谱难以校正，前固定组G1对系统二级光谱的贡献量最大，而使用双胶合透镜可以更好的对色差进行校正，因此前固定组G1采用双双单的结构，第一组双胶合透镜L11使用低色散重火石玻璃HZF6，高色散镧火石玻璃HLAF6LA；第二组双胶合透镜L12使用低色散重火石玻璃HZF6，L13采用重火石玻璃HZF6。通过两组双胶合玻璃及一单透镜玻璃实现前固定组色差及二级光谱的校正。

为使倍率色差容易校正一些，变倍组G2本身需要消色差，因此使用双胶合透镜L21来实现消色差，L21中的双凹透镜为超低色散玻璃FK61，弯月透镜为重火石玻璃HZF6；L22为镧火石玻璃HLAF3。

中固定组G3、后固定组G5主要作用是缩短总长，平衡其它镜组的二级光谱。其中，中固定组G3中L31为钡冕玻璃HBAK5；；弯月透镜L32和双胶合透镜L33中的双凸透镜为超低色散玻璃FK6，双胶合透镜L33中的弯月透镜为重火石玻璃HZF6。

后固定组G5中，双胶合透镜L51中由一个双凹透镜一个双凸透镜组成，齐总的双凸透镜为重火石玻璃HZF6，双凹透镜为重钡火石玻璃HZBAF5；双凸透镜L52为重火石玻璃HZF6。

补偿组G4中，双胶合透镜L41中的双凸透镜为重冕玻璃HZK3L，弯月透镜为重火石玻璃HZF6；双凸透镜L42为钡冕玻璃HBAK6。

在本实施例中，该光学系统的工作光谱范围为900nm～1700nm,焦距为50mm～500mm，变倍比为10倍，相对孔径为1：3～1：5，像元数目640×512，像元尺寸20μm，探测器类型InGaAS。

实施例：本实施例的具体数据如下表所示：

表中，曲率半径是指每个表面的曲率半径，间隔是指两相邻表面间的距离，举例来说，表面S1的间隔，即表面S1至表面S2间的距离。

焦距(毫米)	D12(毫米)	D23(毫米)	D34(毫米)	D45(毫米)
					50	4.94	107.61	17.25	12.25
216.63	78.74	33.80	6.89	22.62
					500	109.54	3.00	25.03	4.48

其中，D12表示前固定组G1、变倍组G2之间距离；D23表示变倍组G2、中固定组G3之间距离；D34表示中固定组G3、补偿组G4之间距离；D45表示补偿组G4、后固定组G5之间距离。

本发明提供的超宽光谱、大靶面短波红外中固定组远摄变焦光学系统，通过对具有中固定组连续变焦结构形式的使用，实现了在短波红外波段，具有超宽光谱、大靶面成像能力，系统使用材料普遍、未使用非球面，大大降低了成本，提高了可靠性。后固定组G5中具有负光焦度的胶合镜用于调焦，与以往的前组聚焦系统相比能使系统口径变小，因而适于迅速的聚焦。系统可大大提高在低照度及能见度较低的雾、雨、尘等天气的探测灵敏度，还可应用于夜视、侦察与监视、遥感、遥感系统、光电对抗等领域，市场前景广阔。

从图3中可以看出，系统MTF均大于0.3@25lp/mm，针对该探测器能够满足高成像质量要求。图4为本发明的变倍、补偿的移动量及对应的焦距值示意图，从图中可以看出变倍、补偿的移动量变化平缓，针对105mm口径的凸轮，压力角小于40°，能够很好的满足机械传动力学要求。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种短波红外中固定组远摄变焦光学系统，从物方到像方依次设有光焦度为正的前固定组G1、光焦度为负的变倍组G2、光栏、光焦度为正的中固定组G3、光焦度为正的补偿组G4、光焦度为负的后固定组G5及像面；其中，变倍组G2和补偿组G4沿光轴的前后移动实现系统连续变焦成像，其特征在于：

前固定组G1、变倍组G2、中固定组G3、补偿组G4满足如下关系式：

0.32≤f1/ft≤0.38；

1.2≤f4/︱f2︱≤2.3；

0.85≤f3/f4≤2.8；

0.6≤βt4/βw4≤1.4；

βt4≤0.5；

其中，f1是前固定组G1的焦距值；f2是变倍组G2的焦距值；f3是中固定组G3的焦距值；f4是补偿组G4的焦距值；ft是系统最长焦的焦距值；βt4是长焦情况下补偿组G4的放大倍率；βw4是短焦情况下补偿组G4的放大倍率。

2.如权利要求1所述的一种短波红外中固定组远摄变焦光学系统，其特征在于，系统变焦成像过程中，变倍组G2作线性移动，补偿组G4作非线性移动。

3.如权利要求2所述的一种短波红外中固定组远摄变焦光学系统，其特征在于，当系统的位置状态从短焦状态向长焦状态变化时，前固定组G1和变倍组G2之间的距离一直增大，变倍组G2与中固定组G3的距离一直减小，中固定组G3与补偿组G4的距离先减小后增大，补偿组G4与后固定组G5的距离先增大后减小。

4.如权利要求1、2或3所述的一种短波红外中固定组远摄变焦光学系统，其特征在于，所述前固定组G1从物方到像方依次包括第一组双胶合透镜L11、第二组双胶合透镜L12和单凹透镜L13。

5.如权利要求4所述的一种短波红外中固定组远摄变焦光学系统，其特征在于，前固定组G1中双胶合透镜L11中的两个透镜分别使用重火石玻璃HZF6和镧火石玻璃HLAF6LA；双胶合透镜L12中的两个透镜分别使用重火石玻璃HZF6和镧冕玻璃HLAK61；单凹透镜L13采用重火石玻璃HZF6。

6.如权利要求1、2或3所述的一种短波红外中固定组远摄变焦光学系统，其特征在于，变倍组G2中包括双胶合透镜L21，其中包括材料为玻璃FK61的双凹透镜。

7.如权利要求1、2或3所述的一种短波红外中固定组远摄变焦光学系统，其特征在于，中固定组G3中包括弯月透镜L32，材料为玻璃FK61。

8.如权利要求7所述的一种短波红外中固定组远摄变焦光学系统，其特征在于，中固定组G3中包括双胶合透镜L33，其中的双凸透镜材料为玻璃FK61。

9.如权利要求1、2或3所述的一种短波红外中固定组远摄变焦光学系统，其特征在于，前固定组G1包括正光焦度的双胶合透镜L11、正光焦度的双胶合透镜L12、负光焦度的双凹透镜L13；变倍组G2包括负光焦度的双胶合透镜L21、负光焦度的双凹透镜L22；中固定组G3包括负光焦度的弯月透镜L31、正光焦度的弯月透镜L32、正光焦度的双胶合透镜L33；补偿组G4包括正光焦度的弯月透镜L41、正光焦度的双凸透镜L42；后固定组G5包括负光焦度的双胶合透镜L51、正光焦度的双凸透镜L52；光学系统参数如下：

表中，曲率半径是指每个表面的曲率半径，间隔是指两相邻表面间的距离。

10.如权利要求7所述的一种短波红外中固定组远摄变焦光学系统，其特征在于，系统焦距与前固定组G1、变倍组G2、中固定组G3、补偿组G4以及后固定组G5的距离关系为：

焦距(毫米) D12(毫米) D23(毫米) D34(毫米) D45(毫米) 50 4.94 107.61 17.25 12.25 216.63 78.74 33.80 6.89 22.62 500 109.54 3.00 25.03 4.48

其中，D12表示前固定组G1、变倍组G2之间距离；D23表示变倍组G2、中固定组G3之间距离；D34表示中固定组G3、补偿组G4之间距离；D45表示补偿组G4、后固定组G5之间距离。