CN108366185A - 一种可变焦距红外成像终端 - Google Patents

一种可变焦距红外成像终端 Download PDF

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Abstract

一种可变焦距红外成像终端，包括设于杜瓦内且沿光路依次设置的视场光阑、场镜、滤光轮组件、里奥光阑、变焦距镜组和红外探测器，变焦距镜组包括沿光路依次设置的前固定透镜组、变倍透镜机构和后固定透镜组，变倍透镜机构包括调焦机构和设于调焦机构上的变倍透镜组，调焦机构用于驱动变倍透镜组沿光束的轴向前后移动。上述可变焦距红外成像终端，在里奥光阑和红外探测器之间加入变焦距镜组，可以优化像质并改变可变焦距红外成像终端的焦距。变焦距镜组中的变倍透镜组可沿光束的轴向前后移动，可实现可变焦距红外成像终端焦距的变化，即观测目标成像尺寸的变化，通过里奥光阑可以实现焦距变化过程中各焦距位置的100％冷阑匹配。

Description

一种可变焦距红外成像终端
技术领域
本发明涉及光电探测与红外成像技术领域，尤其涉及一种可变焦距红外成像终端。
背景技术
随着红外探测器制造技术的提升，其探测灵敏度越来越高，为实现背景限的高灵敏度、低噪声观测，多选择将红外设备制冷，同时保证100％的冷阑匹配。现有冷光学红外成像终端多为固定焦距，或用于高分辨率成像(长焦距)，或用于高灵敏度跟踪探测(短焦距)。为了在一个系统中同时实现高分辨率和高灵敏度成像，若在杜瓦内部加入里奥光阑转轮，通过改变光路中里奥光阑的尺寸，来改变系统焦距，其存在问题是，在缩小里奥光阑增大系统焦距的同时将无法保证100％的冷阑匹配，减小了系统的有效通光孔径，降低了主镜集光能力，导致系统探测能力下降。
发明内容
为克服现有红外光学终端无法同时实现焦距变化与100％冷阑匹配的问题，有必要提供一种采用基于冷光学技术的可变焦距红外成像终端。
一种可变焦距红外成像终端，包括设于杜瓦内且沿光路依次设置的视场光阑、场镜、滤光轮组件、里奥光阑、变焦距镜组和红外探测器，所述变焦距镜组包括沿光路依次设置的前固定透镜组、变倍透镜机构和后固定透镜组，所述变倍透镜机构包括调焦机构和设于所述调焦机构上的变倍透镜组，所述调焦机构用于驱动所述变倍透镜组沿光束的轴向前后移动。
在其中一个实施例中，所述可变焦距红外成像终端适用于短波、中波、长波和甚长波波段。
在其中一个实施例中，所述红外探测器采用能在低温环境工作的红外焦平面阵列。
在其中一个实施例中，所述前固定透镜组包括沿光路依次设置的第一负透镜和第一正透镜，所述第一负透镜和所述第一正透镜的曲率均向所述视场光阑方向弯曲。
在其中一个实施例中，所述第一负透镜的材料为锗，所述第一正透镜的材料为硅。
在其中一个实施例中，所述变倍透镜组包括第二负透镜。
在其中一个实施例中，所述第二负透镜的材料为锗。
在其中一个实施例中，所述后固定透镜组包括沿光路依次设置的第二正透镜、第三正透镜和第四正透镜，其中所述第二正透镜为平凸透镜，所述第二正透镜的凸面朝向所述第三正透镜，所述第三正透镜和所述第四正透镜的曲率均弯向像面。
在其中一个实施例中，所述第二正透镜、第三正透镜和第四正透镜的材料均为硅。
在其中一个实施例中，所述可变焦距红外成像终端的焦距变倍比小于等于2。
上述可变焦距红外成像终端，将望远镜的一次像面置于低温真空杜瓦内，在一次像面处设置制冷的视场光阑，一次像面后加入场镜，将入瞳成像，入瞳像处设置制冷的里奥光阑，即冷阑。在里奥光阑和红外探测器之间加入变焦距镜组，可以优化像质并改变可变焦距红外成像终端的焦距。变焦距镜组中的变倍透镜机构通过调焦机构驱动变倍透镜组沿光束的轴向前后移动，可实现可变焦距红外成像终端焦距的变化，即观测目标成像尺寸的变化，在望远镜出瞳位置处设置里奥光阑机械结构，通过里奥光阑可以实现焦距变化过程中各焦距位置的100％冷阑匹配。
附图说明
图1为一实施方式的可变焦距红外成像终端的结构示意图；
图2为一实施方式的望远镜系统与可变焦距红外成像终端对接形成的望远镜整体系统的结构光路示意图；
图3为图1所示的可变焦距红外成像终端的焦距4800mm的结构光路示意图；
图4为图1所示的可变焦距红外成像终端的焦距6000mm的结构光路示意图；
图5为图1所示的可变焦距红外成像终端的焦距7200mm的结构光路示意图；
图6为图1所示的可变焦距红外成像终端的焦距9600mm的结构光路示意图；
图7为图1所示的可变焦距红外成像终端的焦距4800mm的MTF曲线图；
图8为图1所示的可变焦距红外成像终端的焦距6000mm的MTF曲线图；
图9为图1所示的可变焦距红外成像终端的焦距7200mm的MTF曲线图；
图10为图1所示的可变焦距红外成像终端的焦距9600mm的MTF曲线图；
图11为图1所示的可变焦距红外成像终端的焦距4800mm的点列图；
图12为图1所示的可变焦距红外成像终端的焦距6000mm的点列图；
图13为图1所示的可变焦距红外成像终端的焦距7200mm的点列图；
图14为图1所示的可变焦距红外成像终端的焦距9600mm的点列图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一实施方式的可变焦距红外成像终端100，包括设于杜瓦10内且沿光路依次设置的视场光阑20、场镜30、滤光轮组件40、里奥光阑50、变焦距镜组和红外探测器60。变焦距镜组采用光学变焦方式。变焦距镜组包括沿光路依次设置的前固定透镜组70、变倍透镜机构80和后固定透镜组90。变倍透镜机构80包括调焦机构82和设于调焦机构82上的变倍透镜组，调焦机构82用于驱动变倍透镜组沿光束的轴向前后移动。
杜瓦10可以为低温真空杜瓦。
前端望远镜第一像面置于杜瓦10的内部，通过在第一像面处设置视场光阑20，可以抑制视场外杂光进入红外探测器。
场镜30用于将前端望远镜光束准直，并将轴外视场光束折转，以减小后端镜组口径。
滤光轮组件40用于选择可变焦距红外成像终端100的通光波段。
当上述可变焦距红外成像终端100适用于中波波段时，变焦距镜组采用如图3中所示结构。请同时参考图3，前固定透镜组70包括沿光路依次设置的第一负透镜72和第一正透镜74。第一负透镜72的材料为锗，第一正透镜74的材料为硅。第一负透镜72和第一正透镜74均向视场光阑20方向弯曲，以减小轴外视场像差。
变倍透镜组包括第二负透镜84。第二负透镜84的材料为锗。调焦机构82驱动第二负透镜84沿光束的轴向前后移动实现可变焦距红外成像终端100的焦距变化。变倍透镜组从前向后轴向移动，实现系统焦距由小向大的变化。
后固定透镜组90包括沿光路依次设置的第二正透镜92、第三正透镜94和第四正透镜96。第二正透镜92、第三正透镜94和第四正透镜96的材料均为硅。其中第二正透镜92为平凸透镜。第二正透镜92的凸面朝向第三正透镜94，第三正透镜94和第四正透镜96均弯向像面98，用于校正场曲。
可以理解，上述可变焦距红外成像终端100通过改变变焦距镜组的前固定透镜组、变倍透镜机构和后固定透镜组的透镜的镜片数量和材料等，可以使该可变焦距红外成像终端100同样适用于短波、长波和甚长波波段。其中，短波是指波长为1～3μm的无线电波。中波是指波长为3～6μm的无线电波。长波是指波长为6～15μm的无线电波。甚长波是指波长为15～30μm的无线电波。
在一个实施方式中，红外探测器70采用能在低温环境工作的红外焦平面阵列。
望远镜系统与可变焦距红外成像终端对接形成的望远镜整体系统的结构如图2所示，主镜12、次镜14和三镜16沿光路依次设置，可变焦距红外成像终端100设于三镜16的后端。目标光束依次经过主镜12、次镜14、三镜16、场镜30、前固定透镜组70、变倍透镜机构80和后固定透镜组90。
上述可变焦距红外成像终端100的焦距变倍比M小于等于2。
上述基于冷光学技术的可变焦距红外成像终端100，通过将光机元件和红外探测器60集成到低温真空杜瓦10内，避免了光机结构元件和带通滤光片及其装夹机构的红外热辐射。
上述可变焦距红外成像终端100，将望远镜的一次像面置于低温真空杜瓦10内，在一次像面处设置制冷的视场光阑20，一次像面后加入场镜30，将入瞳成像，入瞳像处设置制冷的里奥光阑50，即冷阑。在里奥光阑50和红外探测器60之间加入变焦距镜组，可以优化像质并改变可变焦距红外成像终端100的焦距。变焦距镜组中的变倍透镜机构80通过调焦机构82驱动变倍透镜组沿光束的轴向前后移动，可实现可变焦距红外成像终端100焦距的变化，即观测目标成像尺寸的变化，在望远镜出瞳位置处设置里奥光阑机械结构，通过里奥光阑50可以实现焦距变化过程中各焦距位置的100％冷阑匹配。
下面为一个具体实施例：
本实施例的望远镜整体系统采用1.2m口径反射式Cassegarin望远镜系统与可变焦距红外成像终端对接，主系统焦距15.17m。不同焦距时可变焦距红外成像终端100结构如图3至图6所示。通过望远镜主系统与可变焦距红外成像终端对接，可以实现整体4800mm～9600mm的两倍焦距变化，同时视场0.14°～0.075°的2倍变化。该望远镜整体系统成像于像面98。
表1实施例的望远镜整体系统的光学参数
图7至图10为上述实施例的望远镜整体系统的各个焦距位置的传递函数曲线。从图中可以看出，除焦距4800mm处的边缘视场外，其他焦距位置全视场在17lp/mm空间频率处，MTF均大于0.3，表明系统具有较高的分辨率。
图11至图14为上述实施例的望远镜整体系统在各个焦距位置的点列图。从图中可以看出，除焦距4800mm处的边缘视场外，其他焦距位置全视场所成点列图均在衍射极限之内，表明系统具有较好的成像质量。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种可变焦距红外成像终端，其特征在于，包括设于杜瓦内且沿光路依次设置的视场光阑、场镜、滤光轮组件、里奥光阑、变焦距镜组和红外探测器，所述变焦距镜组包括沿光路依次设置的前固定透镜组、变倍透镜机构和后固定透镜组，所述变倍透镜机构包括调焦机构和设于所述调焦机构上的变倍透镜组，所述调焦机构用于驱动所述变倍透镜组沿光束的轴向前后移动。
2.如权利要求1所述的可变焦距红外成像终端，其特征在于，所述红外探测器采用能在低温环境工作的红外焦平面阵列。
3.如权利要求1或2所述的可变焦距红外成像终端，其特征在于，所述可变焦距红外成像终端适用于短波、中波、长波和甚长波波段中的至少一种。
4.如权利要求1所述的可变焦距红外成像终端，其特征在于，所述前固定透镜组包括沿光路依次设置的第一负透镜和第一正透镜，所述第一负透镜和所述第一正透镜的曲率均向所述视场光阑方向弯曲。
5.如权利要求4所述的可变焦距红外成像终端，其特征在于，所述第一负透镜的材料为锗，所述第一正透镜的材料为硅。
6.如权利要求1所述的可变焦距红外成像终端，其特征在于，所述变倍透镜组包括第二负透镜。
7.如权利要求6所述的可变焦距红外成像终端，其特征在于，所述第二负透镜的材料为锗。
8.如权利要求1所述的可变焦距红外成像终端，其特征在于，所述后固定透镜组包括沿光路依次设置的第二正透镜、第三正透镜和第四正透镜，其中所述第二正透镜为平凸透镜，所述第二正透镜的凸面朝向所述第三正透镜，所述第三正透镜和所述第四正透镜的曲率均弯向像面。
9.如权利要求8所述的可变焦距红外成像终端，其特征在于，所述第二正透镜、第三正透镜和第四正透镜的材料均为硅。
10.如权利要求1所述的可变焦距红外成像终端，其特征在于，所述可变焦距红外成像终端的焦距变倍比小于等于2。
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