CN108152937B - 红外中/长波变焦投影镜头 - Google Patents

红外中/长波变焦投影镜头 Download PDF

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Abstract

本申请的一种红外中/长波变焦投影镜头，包括共口径部分及用于对入射的红外长波、中波图像光分别进行透射及反射到共口径部分的双色合束镜，其中，共口径部分包括从投影镜头出瞳沿主光轴依次设置的具有正光焦度的前固定组、具有负光焦度的变倍组及具有正光焦度的后固定组，前固定组和后固定组分别包括一非球面透镜。本方案的红外中波、长波图像光分别由红外中波、长波动态景象生成器件产生，由双色合束镜实现红外双波段图像光的耦合并由共口径部分投影，不但可用于投影红外双波段仿真场景，还可模拟场景中不同红外波段在像面的能量分布差异，且基于非球面透镜的应用，使共口径部分既完成了波段内色差校正和波段间像差校正又实现了两档变焦功能。

Description

红外中/长波变焦投影镜头
技术领域
本发明涉及红外动态场景仿真领域，尤其涉及一种红外中/长波变焦投影镜头。
背景技术
红外双波段成像系统可同时获得两个红外波段的图像信息，通过比对场景中不同红外波段在其探测器靶面的能量分布差异来识别真实目标，既继承了红外单波段成像系统的优点，又进一步提升了抗干扰性能。
红外双波段场景模拟器，为红外双波段成像系统的性能测试和评估设备，可以在工作波段内生成与真实红外动态场景辐射特性相一致的虚拟红外动态场景图像，可有效替代红外双波段成像系统的部分高成本外场测试。在测试过程中，红外双波段场景模拟器，通过其投影镜头将红外动态景象生成器件生成的带有辐射信息的红外双波段图像光投影到待检红外双波段成像系统的入瞳处，因此，其投影镜头的性能直接决定了红外双波段场景模拟器对红外动态场景的仿真能力。
红外双波段成像系统的性能依赖于两个波段的选择，其中以红外中波和长波的组合最优，因此提出了与之相匹配的红外中/长波投影镜头，目前此类镜头均为基于单景象生成器件设计，也就是说，红外中、长波两个波段的红外图像光只能由同一个景象生成器件产生，共用一个通道，虽然可以用于投影红外中波和长波仿真场景，但无法用于模拟该场景中不同红外波段在像面的能量分布差异，因此只满足红外中/长波成像系统的工作波段需求，但无法测试其抗干扰性能，制约了此类投影镜头的使用范围。
发明内容
本发明提供了一种红外中/长波变焦投影镜头，既可投影红外双波段仿真场景，还可用于模拟该场景中不同红外波段在像面的能量分布差异。
为达到上述目的，本申请的实施例采用如下技术方案：
提供一种红外中/长波变焦投影镜头，包括共口径部分，及用于对入射的红外长波图像光及红外中波图像光分别进行透射及反射到共口径部分的双色合束镜，其中，
所述共口径部分，包括从投影镜头的出瞳沿主光轴依次设置的具有正光焦度的前固定组、具有负光焦度的变倍组及具有正光焦度的后固定组，且在前固定组和后固定组中分别包括一非球面的透镜。
本发明提供的红外中/长波变焦投影镜头，为基于分别可生成红外长波图像光和红外中波图像光的两不同红外波段动态景象生成器件设计的投影镜头，该投影镜头包括设置有非球面透镜的共口径部分及对入射的由上述双景象生成器生成的红外双波段图像光合束到共口径部分的双色合束镜部分。以此，一方面，通过在共口径部分的前固定组及后固定组中采用非球面透镜，可增加光焦度分配的自由度，平衡色差校正与单色像差校正间的矛盾，以实现波段内的色差校正和像差校正，同时，可降低投影镜头加工难度及成本，提高投影镜头的能量利用率；另一方面，由两不同红外波段动态景象生成器件分别生成红外长波图像光和红外中波图像光，并由双色合束镜对红外双波段图像光进行合束后投影，使得该投影镜头既可用于投影红外双波段仿真场景，还可用于模拟该场景中不同红外波段在像面的能量分布差异。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明实施例中红外中/长波变焦投影镜头的结构示意图；
图2-1及图2-2分别为本发明实施例中红外中/长波变焦投影镜头的长焦距光路图及短焦距光路图；
图3-1及图3-2分别为本发明实施例中红外中/长波变焦投影镜头长焦距和短焦距时的红外长波调制传递函数曲线；
图4-1及图4-2分别为本发明实施例中红外中/长波变焦投影镜头长焦距和短焦距时的红外中波调制传递函数曲线；
图5-1及图5-2分别为本发明实施例中红外中/长波变焦投影镜头长焦距时的红外长波和红外中波畸变曲线；
图6-1及图6-2分别为本发明实施例中红外中/长波变焦投影镜头短焦距时的红外长波和红外中波畸变曲线。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
下面通过实施例来进一步说明本发明的技术方案。
在本实施例中，提供了一种红外中/长波变焦投影镜头，尤其可应用于有两档变焦需求的红外双波段场景模拟器中，其技术原理在于，该投影镜头为基于分别可生成红外长波图像光和红外中波图像光的两不同红外波段动态景象生成器件设计的投影镜头，包括：设置有非球面透镜的共口径部分及用于对入射的由上述双景象生成器生成的红外双波段图像光合束到共口径部分的双色合束镜部分，一方面，设置有非球面透镜的共口径部分，既完成了波段内的色差校正和像差校正，又实现了两档变焦功能；另一方面，由两不同红外波段动态景象生成器件分别生成红外长波图像光和红外中波图像光，并由双色合束镜对红外双波段图像光进行合束后投影，使得该投影镜头既可用于投影红外双波段仿真场景，还可用于模拟该场景中不同红外波段在像面的能量分布差异。
如图1所示，其为本发明实施例的红外中/长波变焦投影镜头结构示意图，该红外中/长波变焦投影镜头1可包括共口径部分11及双色合束镜12。
其中，共口径部分11，可包括从该红外中/长波变焦投影镜头1的出瞳沿主光轴依次设置的具有正光焦度的前固定组111、具有负光焦度的变倍组112及具有正光焦度的后固定组113，且在前固定组111和后固定组113中可分别包括一非球面的透镜。
双色合束镜12，可用于对入射的红外长波图像光及红外中波图像光分别进行透射及反射，并合束到该红外中/长波变焦投影镜头的共口径部分11进行投影。
参看图2-1及图2-2所示，该红外中/长波变焦投影镜头在使用过程中，通过红外长波动态景象生成器件21生成带有辐射信息的红外长波图像光，通过红外中波动态景象生成器件22生成带有辐射信息的红外中波图像光，其中，该两个不同红外波段的动态景象生成器件应采用同一产品，比如可以是电阻阵列、液晶光阀、数字微镜器件(DMD，Dgital Micromirror Device)等，但不仅限于以上三种，如果使用DMD，则需要配合有额外的照明光学系统。其中，以采用DMD为例，DMD分为多种不同型号，不同型号DMD的分辨率与像元尺寸均不同，本发明虽然使用两个DMD，但是要求投影出来的是两个DMD产生的不同红外波段图像经图像配准后叠加的效果，如果两个DMD为不同型号，则投影出来的两幅图像不能进行图像配准，从而导致叠加后的图像出现重影现象，因此，采用的两个不同红外波段的动态景象生成器件需要为同一型号产品。
红外长波图像光入射到双色合束镜的透射表面，红外中波图像光入射到双色合束镜的反射表面，经由双色合束镜合束后进入共口径部分，波段内的像差校正和色差校正可完全由共口径部分承担，使得红外中波和红外长波的双波段焦距差值小于光学系统最小焦深，两波段红外图像光最终以平行光出射到待检红外双波段成像系统的入瞳处。
在实际应用中，由于红外材料受温度变化影响较大，为了保证该红外中/长波变焦投影镜头的正常工作，可将其工作温度范围限制在10℃～30℃，该红外中/长波变焦投影镜头的光学指标设置可参看如下表1所示。
表1
Figure BDA0001466200130000051
在本实施例中，在红外中/长波变焦投影镜头1的共口径部分11中，前固定组111，可包括从出瞳沿主光轴依次设置的第一负透镜和第一正透镜；变倍组112，可包括从出瞳沿主光轴依次设置的第二负透镜和第二正透镜；后固定组113，可包括从出瞳沿主光轴依次设置的第三正透镜、第三负透镜、第四正透镜、第四负透镜。其中，前固定组111中的第一负透镜及后固定组中的第三负透镜至少一个表面为非球面。
具体实现时，参看图2所示，在前固定组111中，第一负透镜L1可为双弯月负透镜，可由ZNS_BROAD材料制成，光焦度范围在-0.001～-0.002之间；第一正透镜L2可为双弯月正透镜，可由AMTIR1材料制成，光焦度范围在0.004～0.005之间。其中，第一负透镜L1的出瞳方向可设置为非球面。
在变倍组112中，第二负透镜L3可为双凹面负透镜，可由AMTIR1材料制成，光焦度范围在-0.02～-0.01之间；第二正透镜L4可为双弯月正透镜，可由ZNSE材料制成，光焦度范围在0.007～0.008之间。
在后固定组113中，第三正透镜L5可为双弯月正透镜，可由AMTIR1材料制成，光焦度范围在0.006～0.007之间；第三负透镜L6可为双弯月负透镜，可由GERMANIUM材料制成，光焦度范围在-0.008～-0.007之间；第四正透镜L7可为双弯月正透镜，可由AMTIR1材料制成，光焦度范围在0.01～0.02之间；第四负透镜L8可为单凹面负透镜，可由ZNS_BROAD材料制成，光焦度范围在-0.007～-0.006之间。其中，第三负透镜L6的出瞳方向可设置为非球面。
双色合束镜L9，可由ZNSE材料制成，其中心法线与光轴之间的夹角设置为25°～35°之间，该角度设置是实验优化后的结果，基于该角度设置可得到较为理想的投影图像效果。该双色合束镜可对入射到其透射表面的的红外长波图像光、入射到其反射表面的红外中波图像光分别进行透射及反射，并合束到投影镜头的共口径部分进行投影。
在实际应用中，该红外中/长波变焦投影镜头的光学系统结构参数可具体参看如下表2所示。
表2
Figure BDA0001466200130000061
此外，该红外中/长波变焦投影镜头所采用非球面透镜的系数可参看如下表3所示。
表3
K A2 A4 A6 A8
S1 0 0 2.037E-008 -6.680E-012 2.652E-015
S11 0 0 -3.342E-009 1.301E-012 -8.200E-016
在表3中，表中的非球面系数对应的是非球面方程式中的参数，该非球面方程式为：
Figure BDA0001466200130000071
其中，K＝-e2为锥面度，c为非球面的顶点曲率，ai为非球面系数(比如，A2对应a2)，r为非球面上的点在XY平面内到原点的距离。
在上述红外中/长波变焦投影镜头中，设置由前固定组、变倍组、后固定组组成的共口径部分，可以透过红外中波图像光和红外长波图像光，其中，前固定组具有正光焦度、变倍组具有负光焦度、后固定组具有正光焦度，各组元中透镜的光焦度分配应满足总光焦度和消色差方程，当满足消色差条件时，光学系统对于单色像差的校正能力十分有限，因此，在前固定组中第一双弯月负透镜朝向出瞳的方向的表面加工有非球面，在后固定组中第五双弯月负透镜朝向出瞳的方向的表面加工有非球面，引入非球面可以增加光焦度分配的自由度，平衡色差校正与单色像差校正间的矛盾，可实现波段内色差校正和波段间的像差校正，同时，还可降低该红外中/长波变焦投影镜头的加工难度及加工成本，并且可提高该红外中/长波变焦投影镜头的能量利用率。
其中，总光焦度公式为(1)，消色差方程为(2)。
Figure BDA0001466200130000072
其中，Φi——第i个透镜光焦度；hi——近轴光线在第i个面上的入射高度；Φ——投影系统总光焦度。
Figure BDA0001466200130000073
其中，w i——第i个透镜的色散因子。
在本实施例中，可预先沿主光轴轴向设置一个长焦距位置和一个短焦距位置，红外中/长波变焦投影镜头中的变倍组与凸轮机构相连接，当有变焦需求时，该红外中/长波变焦投影镜头的前固定组、后固定组及双色合束镜不动，可通过凸轮机构转动带动变倍组进行沿轴向移动，以移动到长焦距位置或者短焦距位置，比如，移动到长焦距位置，该红外中/长波变焦投影镜头则拥有长焦距，移动到短焦距位置，该红外中/长波变焦投影镜头则拥有短焦距，变倍组只有在长焦距位置或者短焦距位置才会投影出清晰图像，在其他任何位置都为离焦状态，不会投影出清晰图像，以此，可实现投影镜头的两档变焦。
参看如下表4所示，为变倍组和出瞳位置的移动量，其中，D2为变倍组与前固定组的间距，D4为变倍组与后固定组的间距。
表4
短焦距/133.6mm 长焦距/267.2mm
D2 9.25mm 99mm
D4 97.75mm 8mm
此外，在使用该红外中/长波变焦投影镜头(比如应用于红外双波段场景模拟器中)对待检红外双波段成像系统进行测试时，红外中/长波变焦投影镜头的出瞳与红外双波段成像系统的入瞳应满足光瞳衔接原则，因此，考察红外中/长波变焦投影镜头的奈奎斯特频率时，应由待检红外双波段成像系统决定，本实例考察红外中/长波变焦投影镜头在10lp/mm处的调制传递函数(MTF，Modulation Transfer Function)曲线。
如图3-1和图3-2所示，红外中/长波变焦投影镜头长焦距和短焦距时的红外长波MTF曲线在10lp/mm处的值优于0.4；如图4-1和图4-2所示，红外中/长波变焦投影镜头长焦距和短焦距时的红外中波MTF曲线在10lp/mm处的值优于0.7；由此可看出，各视场MTF均接近于衍射极限，成像质量较好。
如图5-1和图5-2所示，红外中/长波变焦投影镜头长焦距时的红外长波和红外中波畸变均在0.5％以内；如图6-1和图6-2所示，红外中/长波变焦投影镜头短焦距时的红外长波和红外中波畸变均在0.1％以内；由此可看出，红外中/长波变焦投影镜头的畸变得到了很好的校正。
本实施例中的红外中/长波变焦投影镜头在产业上的可用性：适用于对红外中/长波成像系统的仿真测试，短焦距大视场可用于仿真对目标的快速搜索场景，长焦距小视场可用于仿真对目标的锁定观察场景，所仿真的红外动态场景图像分别由红外长波动态景象生成器件和红外中波动态景象生成器件产生，特别适用于模拟场景中不同红外波段在像面的能量分布差异。
本实施例的红外中/长波变焦投影镜头，为基于分别可生成红外长波图像光和红外中波图像光的两不同红外波段动态景象生成器件设计的投影镜头，包括设置有非球面透镜的共口径部分及用于对入射的由上述双景象生成器生成的红外双波段图像光合束到共口径部分的双色合束镜部分，一方面，设置有非球面透镜的共口径部分，既完成了波段内的色差校正和像差校正，又实现了两档变焦功能；另一方面，由两不同红外波段动态景象生成器件分别生成红外长波图像光和红外中波图像光，并由双色合束镜对红外双波段图像光进行合束后投影，使得该投影镜头既可用于投影红外双波段仿真场景，还可用于模拟该场景中不同红外波段在像面的能量分布差异。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种红外中/长波变焦投影镜头，其特征在于，包括共口径部分，及用于对入射的红外长波图像光及红外中波图像光分别进行透射及反射到共口径部分的双色合束镜，其中，
所述共口径部分，包括从投影镜头的出瞳沿主光轴依次设置的具有正光焦度的前固定组、具有负光焦度的变倍组及具有正光焦度的后固定组，且在前固定组和后固定组中分别包括一非球面的透镜，
所述前固定组，包括从出瞳沿主光轴依次设置的第一负透镜和第一正透镜；
所述变倍组，包括从出瞳沿主光轴依次设置的第二负透镜和第二正透镜；
所述后固定组，包括从出瞳沿主光轴依次设置的第三正透镜、第三负透镜、第四正透镜、第四负透镜；
其中，所述前固定组中的第一负透镜及所述后固定组中的第三负透镜至少一个表面为非球面。
2.根据权利要求1所述的红外中/长波变焦投影镜头，其特征在于，
所述第一负透镜为双弯月负透镜，光焦度范围在-0.001～-0.002之间，所述第一正透镜为双弯月正透镜，光焦度范围在0.004～0.005之间；
所述第二负透镜为双凹面负透镜，光焦度范围在-0.02～-0.01之间，所述第二正透镜为双弯月正透镜，光焦度范围在0.007～0.008之间；
所述第三正透镜为双弯月正透镜，光焦度范围在0.006～0.007之间，所述第三负透镜为双弯月负透镜，光焦度范围在-0.008～-0.007之间，所述第四正透镜为双弯月正透镜，光焦度范围在0.01～0.02之间，所述第四负透镜为单凹面负透镜，光焦度范围在-0.007～-0.006之间。
3.根据权利要求1所述的红外中/长波变焦投影镜头，其特征在于，所述第一负透镜朝向出瞳方向的表面为非球面，所述第三负透镜朝向出瞳方向的表面为非球面。
4.根据权利要求1所述的红外中/长波变焦投影镜头，其特征在于，所述双色合束镜的光轴与主光轴之间的夹角设置为25°～35°之间。
5.根据权利要求1所述的红外中/长波变焦投影镜头，其特征在于，投影镜头的工作波段为红外中波3.7μm～4.2μm和红外长波8μm～12μm；投影镜头的工作温度范围为10℃～30℃。
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