CN108594410A - 半球空间远红外六倍连续变焦光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种半球空间远红外六倍连续变焦光学系统，属于航天远红外探测领域。本发明能够实现在大视场短焦距情况下搜索目标和小视场长焦距情况下识别目标的军事目的。该系统分别由在同一光轴上的前固定组、变倍组、补偿组和后固定组共九片红外透镜构成，该系统工作波段为8μm～12μm；连续变焦范围为：150mm～900mm；F数为1.3～3.0；探测器规模为：1k×1k；系统单像元尺寸为：30μm×30μm。可在半球空间，周视角度达到360°的范围内对目标进行探测与识别。系统成像质量良好，结构紧凑，在奈奎斯特频率为11lp/mm时MTF值均大于0.4，系统总长小于835mm。
Description
技术领域
本发明涉及一种半球空间远红外六倍连续变焦光学系统，属于航天远红外探测领域。
背景技术
在空间光学探测领域，应用先进光学仪器进行相关目标探测与识别成为现代光学领域的前沿科技。目前，都是采用两个定焦距探测系统独立工作，分别完成宽视场搜索和小视场详查的任务，即需要研制两个系统协调工作，使得总系统整体重量和体积都非常大，同时还难以协调工作。因此，为了提高对空间目标探测与识别的效率，不可避免地需要采用变焦系统的结构形式来实现对重要目标更好的观察，以对不同视场不同距离的目标成像。
目前在空间远红外探测的应用中，国际上通用做法都是采用两个定焦距探测系统独立工作，分别完成宽视场搜索和小视场详查的任务，即需要研制两个系统协调工作，使得总系统整体重量和体积都非常大，同时还难以协调工作。
可见光变焦光学系统对空间目标的探测只能在白天进行，而且受到目标地区的气象以及光照条件的影响很大。由于红外变焦光学系统对空间目标的探测是基于红外辐射原理，因此克服了可见光变焦光学系统对时间的依赖性，可以全天候进行工作。另一方面，红外光学系统具有良好的环境适应能力，尤其是长波红外具有良好的穿透力，因此远红外变焦光学系统可以在恶劣的气象条件下(大雾，雨雪等)进行工作，可以弥补可见光变焦光学系统的不足。
发明内容
本发明的目的是提供一种半球空间远红外六倍连续变焦光学系统，该系统能够实现在大视场短焦距情况下搜索目标和小视场长焦距情况下识别目标的目的。同一个系统，在变焦的情况下，同时实现搜索和识别。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
半球空间远红外六倍连续变焦光学系统，包括同轴排布的第一片透镜、第二片透镜、第三片透镜、第四片透镜、第五片透镜、第六片透镜、第七片透镜、第八片透镜和第九片透镜；第一片透镜、第二片透镜组成前固定组；第三片透镜、第四片透镜组成变倍组；第五片透镜、第六片透镜组成补偿组；第七片透镜、第八片透镜和第九片透镜组成后固定组。
所述的第一片透镜厚度为28.00mm～29.00mm，前表面曲率半径为446.75mm～448.84mm，后表面曲率半径为586.40mm～588.40mm，材料为GERMANIUM；优选第一片透镜厚度为28.50mm，前表面曲率半径为447.65mm,后表面曲率半径为587.61mm,材料为GERMANIUM(锗)；
所述的第二片透镜厚度为29.00mm～31.00mm，前表面曲率半径为312.85mm～314.52mm，后表面曲率半径为268.70mm～270.50mm，材料为ZNSE；优选第二片透镜厚度为30.50mm，前表面曲率半径为313.50mm,后表面曲率半径为269.90mm,材料为ZNSE(硒化锌)；
所述的第三片透镜厚度为26.50mm～28.00mm，前表面曲率半径为256.5mm～258.2mm，后表面曲率半径为246.80mm～248.50mm，材料为ZNSE；优选第三片透镜厚度为27.80mm，前表面曲率半径为258.00mm,后表面曲率半径为247.85mm,材料为ZNSE；
所述的第四片透镜厚度为13.87mm～15.00mm，前表面曲率半径为-1284.20mm～-1284.96mm，后表面曲率半径为362.81mm～363.96mm，材料为GERMANIUM；优选第四片透镜厚度为14.83mm，前表面曲率半径为-1284.80mm,后表面曲率半径为363.50mm,材料为GERMANIUM；
所述的第五片透镜厚度为21.00mm～22.20mm，前表面曲率半径为171.80mm～172.85mm，后表面曲率半径为142.85mm～143.98mm，材料为ZNSE；优选第五片透镜厚度为21.85mm，前表面曲率半径为172.55mm,后表面曲率半径为143.90mm,材料为ZNSE；
所述的第六片透镜厚度为15.80mm～16.55mm，前表面曲率半径为459.00mm～460.00mm，后表面曲率半径为-3394.60mm～-3395.20mm，材料为GERMANIUM；优选第六片透镜厚度为16.35mm，前表面曲率半径为459.50mm,后表面曲率半径为-3394.68mm,材料为GERMANIUM；
所述的第七片透镜厚度为15.90mm～16.50mm，前表面曲率半径为112.00mm～113.00mm，后表面曲率半径为101.70mm～102.45mm，材料为GERMANIUM；优选第七片透镜厚度为16.20mm，前表面曲率半径为112.61mm,后表面曲率半径为102.43mm,材料为GERMANIUM；
所述的第八片透镜厚度为14.85mm～15.15mm，前表面曲率半径为536.12mm～536.95mm，后表面曲率半径为-461.80mm～-462.62mm，材料为ZNSE；优选第八片透镜厚度为15.10mm，前表面曲率半径为536.72mm,后表面曲率半径为-462.28mm,材料为ZNSE；
所述的第九片透镜为红外光学材料构成的平板玻璃，厚度为5mm,用于移像。
半球空间远红外六倍连续变焦光学系统探测谱段为：8μm～12μm；连续变焦范围为：150mm～900mm；F数为1.3～3.0；探测器规模为：1k×1k；系统单像元尺寸为：30μm×30μm。
半球空间远红外六倍连续变焦光学系统与重型电动扫描云台(电动扫描云台的高速姿态是由两台执行电动机来实现，电动机接受来自控制器的信号精确地运行定位)配合，可以实现在半球空间360°的变焦探测。
有益效果
空间在轨的探测有效载荷要求仪器的体积和重量要尽可能的小，因此本发明的创新性或独特性在于：
1.在空间远红外探测中，在国际上首次采用远红外(8μm～12μm)大变焦(150mm～900mm)光学系统，用于实现在大视场范围内实现搜索目标和小视场范围内实现识别目标的军事需求。
2.在航天远红外的探测领域，在长波红外的宽波段下(8μm～12μm)，在国际上首次完成了150mm～900mm的连续变焦设计，变倍比高达6倍；
3.在8μm～12μm的工作波段和150mm～900mm的连续大变焦的情况下，在国际上首次实现了该发明能够在在半球空间，周视角度达到360°的范围内对目标进行探测与识别。
半球空间远红外六倍连续变焦光学系统能够用于空间光学的探测，可以在大视场短焦距的情况下对目标进行搜索，发现目标后，通过连续变焦在小视场长焦距的情况下将目标放大进行详查。该系统可以全天候进行工作，由于长波红外具有良好的穿透能力，因此可以再恶劣的气象条件下对目标进行探测与识别，该发明的在实际探测应用中的优势如下：
1、连续变焦光学系统在空间探测的实际应用中，可在半球空间，周视角度达到360°的范围内对目标进行探测与识别。
2、连续变焦光学系统可以全天候工作，在空间探测中，可以在夜间对目标物体进行探测、定位与识别。而且具有很强的环境适应能力，可以再恶劣环境下工作，如高盐雾的海洋环境、强辐射的高空环境等等。
3、连续变焦光学系统由于工作在8μm～12μm波段，工作波长较长，因此具有大焦深，成像质量较好，该光学系统的MTF曲线表明：在奈奎斯特频率为11lp/mm时MTF值均大于0.4。
4、连续变焦光学系统在大变焦的情况下，系统总长稳定在830mm，结构紧凑。
附图说明
图1半球空间远红外六倍连续变焦光学系统的结构图；
图2半球空间远红外六倍连续变焦光学系统在短焦150mm处的光路图；
图3半球空间远红外六倍连续变焦光学系统在中短焦338mm处的光路图；
图4半球空间远红外六倍连续变焦光学系统在中长焦620mm处的光路图；
图5半球空间远红外六倍连续变焦光学系统在长焦900mm处的光路图；
图6半球空间远红外六倍连续变焦光学系统在短焦150mm处的点列图；
图7半球空间远红外六倍连续变焦光学系统在中短焦338mm处的点列图；
图8半球空间远红外六倍连续变焦光学系统在中长焦620mm处的点列图；
图9半球空间远红外六倍连续变焦光学系统在长焦900mm处的点列图；
图10半球空间远红外六倍连续变焦光学系统在短焦150mm处的MTF曲线图；
图11半球空间远红外六倍连续变焦光学系统在中短焦338mm处的MTF曲线图；
图12半球空间远红外六倍连续变焦光学系统在中长焦620mm处的MTF曲线图；
图13为该新型远红外变焦光学系统在长焦900mm处的MTF曲线图。
其中，1—第一片透镜、2—第二片透镜、3—第三片透镜、4—第四片透镜、5—第五片透镜、6—第六片透镜、7—第七片透镜、8—第八片透镜、9—第九片透镜。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步解释。
实施例1
半球空间远红外六倍连续变焦光学系统，如图1所示，包括同轴排布的第一片透镜1、第二片透镜2、第三片透镜3、第四片透镜4、第五片透镜5、第六片透镜6、第七片透镜7、第八片透镜8和第九片透镜9；第一片透镜1、第二片透镜2组成前固定组；第三片透镜3、第四片透镜4组成变倍组；第五片透镜5、第六片透镜6组成补偿组；第七片透镜7、第八片透镜8和第九片透镜9组成后固定组。
第一片透镜1的厚度为28.00mm～29.00mm，前表面曲率半径为446.75mm～448.84mm，后表面曲率半径为586.40mm～588.40mm，材料为GERMANIUM；优选第一片透镜1的厚度为28.50mm，前表面曲率半径为447.65mm,后表面曲率半径为587.61mm,材料为GERMANIUM；
第二片透镜2的厚度为29.00mm～31.00mm，前表面曲率半径为312.85mm～314.52mm，后表面曲率半径为268.70mm～270.50mm，材料为ZNSE；优选第二片透镜2的厚度为30.50mm，前表面曲率半径为313.50mm,后表面曲率半径为269.90mm,材料为ZNSE；
第三片透镜3的厚度为26.50mm～28.00mm，前表面曲率半径为256.5mm～258.2mm，后表面曲率半径为246.80mm～248.50mm，材料为ZNSE；优选第三片透镜3的厚度为27.80mm，前表面曲率半径为258.00mm,后表面曲率半径为247.85mm,材料为ZNSE；
第四片透镜4的厚度为13.87mm～15.00mm，前表面曲率半径为-1284.20mm～-1284.96mm，后表面曲率半径为362.81mm～363.96mm，材料为GERMANIUM；优选第四片透镜4的厚度为14.83mm，前表面曲率半径为-1284.80mm,后表面曲率半径为363.50mm,材料为GERMANIUM；
第五片透镜5的厚度为21.00mm～22.20mm，前表面曲率半径为171.80mm～172.85mm，后表面曲率半径为142.85mm～143.98mm，材料为ZNSE；优选第五片透镜5的厚度为21.85mm，前表面曲率半径为172.55mm,后表面曲率半径为143.90mm,材料为ZNSE；
第六片透镜6的厚度为15.80mm～16.55mm，前表面曲率半径为459.00mm～460.00mm，后表面曲率半径为-3394.60mm～-3395.20mm，材料为GERMANIUM；优选第六片透镜6的厚度为16.35mm，前表面曲率半径为459.50mm,后表面曲率半径为-3394.68mm,材料为GERMANIUM；
第七片透镜7的厚度为15.90mm～16.50mm，前表面曲率半径为112.00mm～113.00mm，后表面曲率半径为101.70mm～102.45mm，材料为GERMANIUM；优选第七片透镜7的厚度为16.20mm，前表面曲率半径为112.61mm,后表面曲率半径为102.43mm,材料为GERMANIUM；
第八片透镜8的厚度为14.85mm～15.15mm，前表面曲率半径为536.12mm～536.95mm，后表面曲率半径为-461.80mm～-462.62mm，材料为ZNSE；优选第八片透镜8的厚度为15.10mm，前表面曲率半径为536.72mm,后表面曲率半径为-462.28mm,材料为ZNSE；
第九片透镜9为红外光学材料构成的平板玻璃，厚度为5mm,用于移像。
技术指标：工作波段为8μm～12μm；连续变焦范围为：150mm～900mm；F数为1.3～3.0；探测器规模为：1k×1k；系统单像元尺寸为：30μm×30μm。
变焦的原理:前固定组把指定的物平面成像到变倍组要求的物平面位置上；后固定组将变倍组所成的像成像到指定的像平面位置；变倍组与补偿组的合成共轭距在变焦的过程中是一个常量，像点没有漂移，使得所有像面的位置保持不变；
双透镜构成变倍组：对于单透镜构成的变倍组，在移动时，除了符合物像交换条件的两个倍率像面位置不变外，对其他倍率，像面将产生移动。因此，该新型系统的变倍组由两个透镜组合而成，在变倍的过程在，两透镜组做相对的移动以改变它们的组合焦距，以达到使所有倍率像面位置不变的目的。
变焦的过程：半球空间远红外六倍连续变焦光学系统的变焦方式采用直线驱动的方式，直线电机可以将电能直接转换为直线运动机械能而不需要中间转换结构的传动装置，结构简单、速度快、精度高。将变倍组和补偿组分别安装到电控平移导轨的滑块上，直线步进电机驱动滑块沿导轨作直线运动，直线位移传感器检测滑块的相对位移量并将此模拟信号传递给数字信号处理器，对其进行处理，转换为数字信号反馈给直线步进电机，确定滑块的相对位置，对其进行实时控制，从而可以实现变焦距作用。
半球空间远红外六倍连续变焦光学系统与重型电动扫描云台(电动扫描云台的高速姿态是由两台执行电动机来实现，电动机接受来自控制器的信号精确地运行定位)配合，可以实现在半球空间360°的变焦探测。
半球空间远红外六倍连续变焦光学系统留有足够的后截距，以保证后期方便装调。
图2～图5分别给出了该新型系统在短焦(f＝150mm)、中短焦(f＝338mm)、中长焦(f＝620mm)和长焦(f＝900mm)时的光路结构图，可以得出：半球空间远红外六倍连续变焦光学系统在变焦的过程中系统总长不变，为830mm。
图6～图9分别给出了半球空间远红外六倍连续变焦光学系统在短焦(f＝150mm)、中短焦(f＝338mm)、中长焦(f＝620mm)和长焦(f＝900mm)时的点列图，从图中可以看出：系统在短焦状态时，最大RMS值为38.180μm；系统在中短焦状态时，最大RMS值为34.856μm；系统在中长焦状态时，最大RMS值为22.912μm；系统在长焦状态时，最大RMS值为40.745μm。可以得出对于半球空间远红外六倍连续变焦光学系统，其成像质量良好。
图10～图13分别给出了半球空间远红外六倍连续变焦光学系统在短焦(f＝150mm)、中短焦(f＝338mm)、中长焦(f＝620mm)和长焦(f＝900mm)时的MTF曲线图，从图中可以看出：系统在短焦状态时，MTF值大于0.70；系统在中短焦状态时，MTF值大于0.60；系统在中长焦状态时，MTF值大于0.50；系统在长焦状态时，MTF值大于0.40。可以得出对于该半球空间远红外六倍连续变焦光学系统，其成像质量良好。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.半球空间远红外六倍连续变焦光学系统，其特征在于：包括同轴排布的第一片透镜、第二片透镜、第三片透镜、第四片透镜、第五片透镜、第六片透镜、第七片透镜、第八片透镜和第九片透镜；第一片透镜、第二片透镜组成前固定组；第三片透镜、第四片透镜组成变倍组；第五片透镜、第六片透镜组成补偿组；第七片透镜、第八片透镜和第九片透镜组成后固定组；
所述的第一片透镜厚度为28.00mm～29.00mm，前表面曲率半径为446.75mm～448.84mm，后表面曲率半径为586.40mm～588.40mm，材料为GERMANIUM；
所述的第二片透镜厚度为29.00mm～31.00mm，前表面曲率半径为312.85mm～314.52mm，后表面曲率半径为268.70mm～270.50mm，材料为ZNSE；
所述的第三片透镜厚度为26.50mm～28.00mm，前表面曲率半径为256.5mm～258.2mm，后表面曲率半径为246.80mm～248.50mm，材料为ZNSE；
所述的第四片透镜厚度为13.87mm～15.00mm，前表面曲率半径为-1284.20mm～-1284.96mm，后表面曲率半径为362.81mm～363.96mm，材料为GERMANIUM；
所述的第五片透镜厚度为21.00mm～22.20mm，前表面曲率半径为171.80mm～172.85mm，后表面曲率半径为142.85mm～143.98mm，材料为ZNSE；
所述的第六片透镜厚度为15.80mm～16.55mm，前表面曲率半径为459.00mm～460.00mm，后表面曲率半径为-3394.60mm～-3395.20mm，材料为GERMANIUM；
所述的第七片透镜厚度为15.90mm～16.50mm，前表面曲率半径为112.00mm～113.00mm，后表面曲率半径为101.70mm～102.45mm，材料为GERMANIUM；
所述的第八片透镜厚度为14.85mm～15.15mm，前表面曲率半径为536.12mm～536.95mm，后表面曲率半径为-461.80mm～-462.62mm，材料为ZNSE；
所述的第九片透镜为红外光学材料构成的平板玻璃，厚度为5mm，用于移像。
2.如权利要求1所述的半球空间远红外六倍连续变焦光学系统，其特征在于：所述半球空间远红外六倍连续变焦光学系统的探测谱段为：8μm～12μm；连续变焦范围为：150mm～900mm；F数为1.3～3.0；探测器规模为：1k×1k；系统单像元尺寸为：30μm×30μm。
3.如权利要求1所述的半球空间远红外六倍连续变焦光学系统，其特征在于：所述第一片透镜厚度为28.50mm，前表面曲率半径为447.65mm，后表面曲率半径为587.61mm，材料为GERMANIUM；
所述第二片透镜厚度为30.50mm，前表面曲率半径为313.50mm，后表面曲率半径为269.90mm，材料为ZNSE；
所述第三片透镜厚度为27.80mm，前表面曲率半径为258.00mm，后表面曲率半径为247.85mm，材料为ZNSE；
所述第四片透镜厚度为14.83mm，前表面曲率半径为-1284.80mm，后表面曲率半径为363.50mm，材料为GERMANIUM；
所述第五片透镜厚度为21.85mm，前表面曲率半径为172.55mm，后表面曲率半径为143.90mm，材料为ZNSE；
所述第六片透镜厚度为16.35mm，前表面曲率半径为459.50mm，后表面曲率半径为-3394.68mm，材料为GERMANIUM；
所述第七片透镜厚度为16.20mm，前表面曲率半径为112.61mm，后表面曲率半径为102.43mm，材料为GERMANIUM；
所述第八片透镜厚度为15.10mm，前表面曲率半径为536.72mm，后表面曲率半径为-462.28mm，材料为ZNSE。
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