CN109188662B - 一种光学补偿制冷型中波红外连续变焦光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及变焦光学系统，针对现有机械补偿连续变焦光学系统需要使用复杂的精密凸轮机械结构且控制过程复杂，导致变焦过程中成像质量不易保证等问题，提供一种光学补偿制冷型中波红外连续变焦光学系统，其包括前固定组、变焦组、中固定组和后固定组，前固定组由第一透镜构成，中固定组由两个透镜组成，从左至右依次为第三透镜和第四透镜，后固定组由两个透镜组成，从左至右依次为第六透镜和第七透镜，变焦组由第二透镜和第五透镜组成，第二透镜位于第一透镜和第三透镜之间；第五透镜位于第四透镜和第六透镜之间；变焦组的第二透镜和第五透镜之间的距离恒定，第二透镜和第五透镜可沿光轴做同方向、同速度移动。

Description

一种光学补偿制冷型中波红外连续变焦光学系统
技术领域
本发明涉及一种变焦光学系统，具体涉及一种光学补偿制冷型中波红外连续变焦光学系统。
背景技术
红外变焦光学系统是一类功能很明显的被动探测光学系统，此类系统能够探测、定位并连续跟踪在红外背景辐射和其他干扰下发射红外线的物体和目标。因此在目标搜寻、预警探测、森林防火等领域具有广阔的应用前景。
目前连续变焦光学系统多为通过改变间隔实现变焦，按补偿方式的不同分为光学补偿与机械补偿。机械补偿连续变焦光学系统需要通过精密凸轮来实现变倍组与补偿组的运动曲线，易于实现大倍率变焦；但机械补偿连续变焦光学系统采用精密凸轮的机械结构复杂，其控制过程也较为复杂。由于凸轮的加工精度较高，不仅造价高；而且凸轮的实际加工精度难以保证，导致变焦过程中成像质量也不易保证。
发明内容
本发明针对现有机械补偿连续变焦光学系统需要使用复杂的精密凸轮机械结构且控制过程复杂，导致变焦过程中成像质量不易保证等问题，提供一种光学补偿制冷型中波红外连续变焦光学系统。
本发明的技术方案是：一种光学补偿制冷型中波红外连续变焦光学系统，其特殊之处在于：包括沿光轴方向从左向右依次同轴设置的前固定组、变焦组、中固定组和后固定组，前固定组的左侧为物面，后固定组的右侧为像面；前固定组由第一透镜构成，第一透镜是一个正光焦度弯向像面的弯月透镜；中固定组由两个透镜组成，从左至右依次为第三透镜和第四透镜，第三透镜是一个正光焦度弯向像面的弯月透镜，第四透镜是一个负光焦度双凹透镜；后固定组由两个透镜组成，从左至右依次为第六透镜和第七透镜，第六透镜是一个负光焦度弯向像面的弯月透镜，第七透镜是一个正光焦度弯向物面的弯月透镜；变焦组由第二透镜和第五透镜组成，第二透镜位于第一透镜和第三透镜之间；第五透镜位于第四透镜和第六透镜之间；第二透镜是一个负光焦度弯向像面的弯月透镜，第五透镜是一个正光焦度双凸透镜；变焦组的第二透镜和第五透镜之间的距离恒定，第二透镜和第五透镜可沿光轴做同方向、同速度移动。
进一步地，沿光轴自左至右，前固定组第一透镜的后表面到变焦组第二透镜的前表面之间的距离为20mm～47.4mm；变焦组第二透镜的后表面到中固定组第三透镜的前表面之间的距离为3mm～30.4mm；中固定组第四透镜的后表面到变焦组第五透镜的前表面之间的距离为16mm～43.4mm；变焦组第五透镜的后表面到后固定组第六透镜的前表面之间的距离为27.02mm～54.4mm。
进一步地，上述第二透镜、第六透镜均为锗透镜，第一透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第七透镜均为硅透镜。
进一步地，上述第一透镜的厚度为16.53mm；其前表面为球面，曲率半径为119.29mm；后表面为球面，曲率半径为116.84mm。
进一步地，上述第二透镜的厚度为22.45mm；其前表面为球面，曲率半径为322.86mm；后表面为非球面，曲率半径为199.76mm，非球面系数为A＝1.7×10-8，B＝1×10-12，C＝4.43×10-17。
进一步地，上述第三透镜的厚度为14.02mm；其前表面为球面，曲率半径为172.83mm；后表面为球面，曲率半径为378.89mm。
进一步地，上述第四透镜的厚度为4mm；其前表面为球面，曲率半径为-175.23mm；后表面为球面，曲率半径为132.31mm。
进一步地，上述第五透镜的厚度为12.34mm；其前表面为球面，曲率半径为204.27mm；后表面为球面，曲率半径-92.69mm。
进一步地，上述第六透镜的厚度为4mm；其前表面非球面，曲率半径为25.84mm，非球面系数为A＝-1.9×10-4，B＝-2.53×10-6，C＝-1.98×10-8；后表面为非球面，曲率半径为15.85mm，非球面系数为A＝-2.42×10-4，B＝-4.46×10-6，C＝5.78×10-8。
进一步地，上述第七透镜的厚度为4mm；其前表面为球面，曲率半径为-28.83mm；后表面为球面，曲率半径为-16.55mm。
与现有技术相比，本发明的优点是：
本发明提供的连续变焦光学系统，其变焦组第二透镜和第五透镜分别位于中固定组两侧，第二透镜和第五透镜间距恒定，通过变焦组两个透镜沿光轴做同方向、同速度联动实现连续变焦，使得所需要的机械结构简单、造价低，行程短、易于控制，在全焦距范围内成像品质高、像面稳定、质量良好，可靠性高。
附图说明
图1为本发明连续变焦光学系统实施例长焦状态光路图；
图2为本发明连续变焦光学系统实施例中焦状态光路图；
图3为本发明连续变焦光学系统实施例短焦状态光路图；
图4为本发明连续变焦光学系统实施例空间频率为33lp/mm，长焦状态光学系统的MTF曲线图；
图5为本发明连续变焦光学系统实施例空间频率为33lp/mm，中焦状态光学系统的MTF曲线图；
图6为本发明连续变焦光学系统实施例空间频率为33lp/mm，短焦状态光学系统的MTF曲线图；
图7为本发明连续变焦光学系统实施例长焦状态畸变曲线图；
图8为本发明连续变焦光学系统实施例中焦状态畸变曲线图；
图9为本发明连续变焦光学系统实施例短焦状态畸变曲线图。
图中各标号的说明如下：
1-第一透镜、2-第二透镜、3-第三透镜、4-第四透镜、5-第五透镜、6-第六透镜、7-第七透镜。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1、2、3和表1所示，本实施例提供的150mm～450mm/F4光学补偿制冷型中波红外连续变焦光学系统，采用4组7片式结构，光学变焦系统的焦距变化范围为150mm～450mm，F数为4，适用于分辨率640×512，像元尺寸15μm红外热像仪，冷屏效率100％，系统总长420mm。
连续变焦光学系统包括同轴设置的前固定组、变焦组、中固定组和后固定组，前固定组、中固定组和后固定组沿光轴方向从左向右依次设置，前固定组的左侧为物面，后固定组的右侧为像面；前固定组由第一透镜1构成，第一透镜1是一个正光焦度弯向像面的弯月硅透镜；中固定组由两个透镜组成，从左至右依次为第三透镜3和第四透镜4，第三透镜3是一个正光焦度弯向像面的弯月硅透镜，第四透镜4是一个负光焦度双凹硅透镜；后固定组由两个透镜组成，从左至右依次为第六透镜6和第七透镜7，第六透镜6是一个负光焦度弯向像面的弯月锗透镜，第七透镜7是一个正光焦度弯向物面的弯月硅透镜；变焦组由第二透镜2和第五透镜5组成；第二透镜2位于第一透镜1和第三透镜3之间；第五透镜5位于第四透镜4和第六透镜6之间；第二透镜2是一个负光焦度弯向像面的弯月锗透镜，第五透镜5是一个正光焦度双凸硅透镜；变焦组的第二透镜2和第五透镜5之间的距离恒定，第二透镜2和第五透镜5可沿光轴做同方向、同速度移动。
沿光轴自左至右，前固定组第一透镜1的后表面到变焦组第二透镜2的前表面之间的距离为20mm～47.4mm；变焦组第二透镜2的后表面到中固定组第三透镜3的前表面之间的距离为3mm～30.4mm；中固定组第三透镜3的后表面到第四透镜4的前表面之间的距离为178.97mm；中固定组第四透镜4的后表面到变焦组第五透镜5的前表面之间的距离为16mm～43.4mm；变焦组第五透镜5的后表面到后固定组第六透镜6的前表面之间的距离为27.02mm～54.4mm。后固定组第六透镜6的前表面到第七透镜7的前表面之间的距离为6mm。
表1本实施例光学系统各透镜的具体参数(单位：mm)
本实施例光学变焦系统前固定组、变焦组的第二透镜2以及中固定组的第三透镜3、第四透镜4共同将目标成像于一次像面，一次像面随变焦组第一透镜移动。
在由短焦向长焦变化过程中，变倍焦向像面移动，通过变焦组第二透镜2和第五透镜5沿光轴方向同方向、同速度移动实现连续变焦，且变焦过程中变焦组的第五透镜5与变焦组的第二透镜2联动以保持像面稳定。
后固定组对光线进行会聚，使成像在热像仪靶面，并联合变焦组的第五透镜5共同将将入瞳投影到冷屏位置，实现光阑与冷屏匹配。
如图4～图9所示，系统在长焦、中焦、短焦状态下，空间频率为33lp/mm时的MTF曲线值可以看出，具有较好的成像质量，全视场畸变较小，能够满足红外目标搜索跟踪要求。

Claims (10)

1.一种光学补偿制冷型中波红外连续变焦光学系统，其特征在于：包括同轴设置的前固定组、变焦组、中固定组和后固定组，前固定组、中固定组和后固定组沿光轴方向从左向右依次设置，前固定组的左侧为物面，后固定组的右侧为像面；
前固定组由第一透镜(1)构成，第一透镜(1)是一个正光焦度弯向像面的弯月透镜；
中固定组由两个透镜组成，从左至右依次为第三透镜(3)和第四透镜(4)，第三透镜(3)是一个正光焦度弯向像面的弯月透镜，第四透镜(4)是一个负光焦度双凹透镜；
后固定组由两个透镜组成，从左至右依次为第六透镜(6)和第七透镜(7)，第六透镜(6)是一个负光焦度弯向像面的弯月透镜，第七透镜(7)是一个正光焦度弯向物面的弯月透镜；
变焦组由第二透镜(2)和第五透镜(5)组成，第二透镜(2)位于第一透镜(1)和第三透镜(3)之间；第五透镜(5)位于第四透镜(4)和第六透镜(6)之间；第二透镜(2)是一个负光焦度弯向像面的弯月透镜，第五透镜(5)是一个正光焦度双凸透镜；
变焦组的第二透镜(2)和第五透镜(5)之间的距离恒定，第二透镜(2)和第五透镜(5)可沿光轴做同方向、同速度移动；
具有光焦度的光学元件仅为上述7个透镜。
2.根据权利要求1所述的一种光学补偿制冷型中波红外连续变焦光学系统，其特征在于：沿光轴自左至右，
前固定组第一透镜(1)的后表面到变焦组第二透镜(2)的前表面之间的距离为20mm～47.4mm；
变焦组第二透镜(2)的后表面到中固定组第三透镜(3)的前表面之间的距离为3mm～30.4mm；
中固定组第三透镜(3)的后表面到第四透镜(4)的前表面之间的距离为178.97mm；
中固定组第四透镜(4)的后表面到变焦组第五透镜(5)的前表面之间的距离为16mm～43.4mm；
变焦组第五透镜(5)的后表面到后固定组第六透镜(6)的前表面之间的距离为27.02mm～54.4mm；
后固定组第六透镜(6)的前表面到第七透镜(7)的前表面之间的距离为6mm。
3.根据权利要求1或2所述的一种光学补偿制冷型中波红外连续变焦光学系统，其特征在于：所述第二透镜(2)、第六透镜(6)均为锗透镜，第一透镜(1)、第三透镜(3)、第四透镜(4)、第五透镜(5)、第七透镜(7)均为硅透镜。
4.根据权利要求3所述的一种光学补偿制冷型中波红外连续变焦光学系统，其特征在于：所述第一透镜的厚度为16.53mm；
其前表面为球面，曲率半径为119.29mm；
后表面为球面，曲率半径为116.84mm。
5.根据权利要求4所述的一种光学补偿制冷型中波红外连续变焦光学系统，其特征在于：所述第二透镜的厚度为22.45mm；
其前表面为球面，曲率半径为322.86mm；
后表面为非球面，曲率半径为199.76mm，非球面系数为A＝1.7×10-8，B＝1×10-12，C＝4.43×10-17。
6.根据权利要求5所述的一种光学补偿制冷型中波红外连续变焦光学系统，其特征在于：所述第三透镜的厚度为14.02mm；
其前表面为球面，曲率半径为172.83mm；
后表面为球面，曲率半径为378.89mm。
7.根据权利要求6所述的一种光学补偿制冷型中波红外连续变焦光学系统，其特征在于：所述第四透镜的厚度为4mm；
其前表面为球面，曲率半径为-175.23mm；
后表面为球面，曲率半径为132.31mm。
8.根据权利要求7所述的一种光学补偿制冷型中波红外连续变焦光学系统，其特征在于：所述第五透镜的厚度为12.34mm；
其前表面为球面，曲率半径为204.27mm；
后表面为球面，曲率半径-92.69mm。
9.根据权利要求8所述的一种光学补偿制冷型中波红外连续变焦光学系统，其特征在于：所述第六透镜的厚度为4mm；
其前表面非球面，曲率半径为25.84mm，非球面系数为A＝-1.9×10-4，B＝-2.53×10-6，C＝-1.98×10-8；
后表面为非球面，曲率半径为15.85mm，非球面系数为A＝-2.42×10-4，B＝-4.46×10-6，C＝5.78×10-8。
10.根据权利要求9所述的一种光学补偿制冷型中波红外连续变焦光学系统，其特征在于：所述第七透镜的厚度为4mm；
其前表面为球面，曲率半径为-28.83mm；
后表面为球面，曲率半径为-16.55mm。
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