CN109254390B - 一种紧凑型中波红外连续变焦系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种变焦系统，针对现有制冷型中波红外连续变焦系统结构尺寸长，难以满足轻量化要求等不足，而提供一种紧凑型中波红外连续变焦系统。变焦系统包括沿光轴方向从左向右依次同轴设置的前固定组、变倍组、补偿组、中固定组、调焦组及后固定组，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，变倍组由第二透镜构成，补偿组由两个透镜组成，从左至右依次为第三透镜和第四透镜，中固定组由第五透镜构成，调焦组由第六透镜构成，后固定组由两个透镜组成，从左至右依次为第七透镜和第八透镜，变倍组和补偿组可沿光轴相向或相背移动；变倍组用于实现焦距连续变化，补偿组用于补偿焦距变化引起的像面移动。

Description

一种紧凑型中波红外连续变焦系统
技术领域
本发明涉及一种变焦系统，具体涉及一种紧凑型中波红外连续变焦系统。
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，制冷型中波红外连续变焦系统多为结构尺寸较长，重量较大，不能够良好应用于机载吊舱、便携车载等具有轻量化要求的系统中。另外，由于此种连续变焦系统运动行程较长，导致需要的凸轮结构尺寸较大，使得凸轮结构需要精密加工，不仅造价高；而且凸轮结构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
本发明的目的是克服现有制冷型中波红外连续变焦系统结构尺寸长，难以满足轻量化要求等不足，而提供一种紧凑型中波红外连续变焦系统。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：一种紧凑型中波红外连续变焦系统，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、变倍组、补偿组、中固定组、调焦组及后固定组，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方的弯月透镜；变倍组由第二透镜构成，第二透镜是一个负光焦度弯向像方的弯月透镜；补偿组由两个透镜组成，从左至右依次为第三透镜和第四透镜，第三透镜是一个负光焦度弯向像方的弯月透镜，第四透镜是一个正光焦度双凸透镜；中固定组由第五透镜构成，第五透镜是一个正光焦度弯向像方的弯月透镜；调焦组由第六透镜构成，第六透镜是一个正光焦度弯向物方的弯月透镜；后固定组由两个透镜组成，从左至右依次为第七透镜和第八透镜，第七透镜是一个正光焦度弯向物方的弯月透镜，第八透镜是一个正光焦度弯向物方的弯月透镜；变倍组和补偿组可沿光轴相向或相背移动；变倍组用于实现焦距连续变化，补偿组用于补偿焦距变化引起的像面移动；光学系统由短焦向长焦变化过程中，变倍组向像方移动，实现焦距连续变化补偿组向物方移动，通过间隔变化实现连续变焦。由长焦向短焦变化过程中，方向与短焦向长焦变化相反，变倍组向物方，补偿组向像方。
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倍组第二透镜的前表面之间的距离为19.03mm～35.22mm；变倍组第二透镜的后表面到补偿组第三透镜的前表面之间的距离为2.45mm～72.16mm；补偿组第四透镜的后表面到中固定组第五透镜的前表面之间的距离为1mm～54.72mm；中固定组第五透镜的后表面到调焦组第六透镜的前表面之间的距离为12.54mm；调焦组第六透镜的后表面到后固定组第七透镜的前表面之间的距离为3mm。
进一步地，上述第二透镜、第三透镜、第六透镜和第七透镜均为锗透镜，第一透镜、第四透镜。第五透镜和第八透镜均为硅透镜。
进一步地，上述第一透镜的厚度为10.31mm；其前表面为球面，曲率半径为78mm；后表面为非球面，曲率半径为153.47mm，非球面系数为A＝7.85×10-8，B＝-2.95×10-13，C＝-4.41×10-15，D＝4.29×10-18。
进一步地，上述第二透镜的厚度为3mm；其前表面为非球面，曲率半径为-406.235mm，非球面系数为A＝3.73×10-6，B＝-5.27×10-9，C＝5.53×10-12，D＝1.14×10-13，E＝-4.81×10-16；后表面为球面，曲率半径为47.3mm。
进一步地，上述第三透镜的厚度为3mm；其前表面为球面，曲率半径为297.25mm；后表面为非球面，曲率半径为47.49mm，非球面系数为A＝-9.77×10-6，B＝8.27×10-10，C＝1.38×10-12，D＝2.85×10-14，E＝-2.14×10-16。上述第四透镜的厚度为4mm；其前表面为非球面，曲率半径为55.27mm，非球面系数为A＝-9.93×10-6，B＝5.54×10-9，C＝-1.3×10-11，D＝5×10-14，E＝-1.51×10-16；后表面为球面，曲率半径为-87.65mm。
进一步地，上述第五透镜的厚度为3.66mm；其前表面为球面，曲率半径为13.8mm；后表面为非球面，曲率半径为15.97mm，非球面系数为A＝3.23×10-6，B＝2.75×10-8，C＝-1.16×10-10，D＝1.26×10-12。
进一步地，上述第六透镜的厚度为4.4mm；其前表面为非球面，曲率半径为-6.28mm，非球面系数为A＝5.56×10-3，B＝7.17×10-4，C＝-5.39×10-4，D＝8.5×10-5；后表面为非球面，曲率半径为-7.66mm，非球面系数为A＝9.24×10-4，B＝9.54×10-5，C＝-8.7×10-6，D＝9.34×10-7。
进一步地，上述第七透镜的厚度为4.48mm；其前表面为非球面，曲率半径为-17.42mm，非球面系数为A＝-6.05×10-5，B＝-3.3×10-6，C＝1.87×10-6，D＝-6.17×10-8；后表面为非球面，曲率半径为-71.99mm，非球面系数A＝9.32×10-5，B＝8.68×10-7，C＝9.39×10-8，D＝-2.23×10-9。
进一步地，上述第八透镜的厚度为3mm，其前表面为球面，曲率半径为-152.44mm；后表面为球面，曲率半径为-11.47mm。
本发明的优点是：
本发明提供的连续变焦系统具有尺寸小、重量轻、变焦行程短、成像品质高等特点。能够合理分配光焦度，光学系统结构紧凑，总长较短，适用于航空机载等空间受限的工作环境和条件。
附图说明
图1为本发明实施例长焦状态光路图；
图2为本发明实施例中焦状态光路图；
图3为本发明实施例短焦状态光路图；
图4为本发明实施例空间频率为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为本发明实施例长焦状态畸变曲线图；
图8为本发明实施例中焦状态畸变曲线图；
图9为本发明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、8—第八透镜。
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25mm～300mm/F4制冷型中波红外连续变焦光学系统，采用6组8片式结构，焦距变化范围为25mm～300mm，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170mm。
紧凑型中波红外连续变焦系统，包括沿光轴方向从左向右依次同轴设置的前固定组、变倍组、补偿组、中固定组、调焦组及后固定组，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1构成，第一透镜1是一个正光焦度弯向像方的弯月硅透镜；前固定组具有正光焦度且焦距较短，有利于系统结构紧凑；变倍组由第二透镜2构成，第二透镜2是一个负光焦度弯向像方的弯月锗透镜；补偿组由两个透镜组成，从左至右依次为第三透镜3和第四透镜4，第三透镜3是一个负光焦度弯向像方的弯月锗透镜，第四透镜4是一个正光焦度双凸硅透镜；中固定组由第五透镜5构成，第五透镜5是一个正光焦度弯向像方的弯月硅透镜；中固定组将目标像汇聚在一次像面处；调焦组由第六透镜6构成，第六透镜6是一个正光焦度弯向物方的弯月锗透镜；调焦组实现温度和距离调焦功能；后固定组由两个透镜组成，从左至右依次为第七透镜7和第八透镜8，第七透镜7是一个正光焦度弯向物方的弯月锗透镜，第八透镜8是一个正光焦度弯向物方的弯月硅透镜；后固定组对光线进行会聚，成像在热像仪靶面，并联合调焦组共同将将入瞳投影到冷屏位置，实现光阑与冷屏匹配，可有效减小光学系统口径。
变倍组和补偿组可沿光轴相向或相背移动；变倍组用于实现焦距连续变化，补偿组用于补偿焦距变化引起的像面移动。光学系统由短焦向长焦变化过程中，变倍组向像方移动，实现焦距连续变化补偿组向物方移动，通过间隔变化实现连续变焦。由长焦向短焦变化过程中，方向与短焦向长焦变化相反，变倍组向物方，补偿组向像方。
沿光轴自左至右，前固定组第一透镜1的后表面到变倍组第二透镜2的前表面之间的距离为19.03mm～35.22mm；变倍组第二透镜2的后表面到补偿组第三透镜3的前表面之间的距离为2.45mm～72.16mm；补偿组第三透镜3的后表面到第四透镜4的前表面之间的距离为1.06mm；补偿组第四透镜4的后表面到中固定组第五透镜5的前表面之间的距离为1mm～54.72mm；中固定组第五透镜5的后表面到调焦组第六透镜6的前表面之间的距离为12.54mm；调焦组第六透镜6的后表面到后固定组第七透镜7的前表面之间的距离为3mm。固定组第七透镜7的后表面到第八透镜8的前表面之间的距离为0.5mm。
表1本实施例光学系统各透镜的具体参数(单位：mm)
本实施例连续变焦系统由前固定组、变倍组、补偿组及中固定组共同作用，将不同焦距时的目标成像在一次像面处，由第五透镜、第六透镜、第七透镜(投影镜组)将物成一定比例放大或缩小后投影到固定位置的镜组。第一透镜至第七透镜采用高次非球面校正像差，实现结构尺寸紧凑情况下具有较高成像质量。
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)

1.一种紧凑型中波红外连续变焦系统，其特征在于：包括沿光轴方向从左向右依次同轴设置的前固定组、变倍组、补偿组、中固定组、调焦组及后固定组，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(1)构成，第一透镜(1)是一个正光焦度弯向像方的弯月透镜；
变倍组由第二透镜(2)构成，第二透镜(2)是一个负光焦度弯向像方的弯月透镜；
补偿组由两个透镜组成，从左至右依次为第三透镜(3)和第四透镜(4)，第三透镜(3)是一个负光焦度弯向像方的弯月透镜，第四透镜(4)是一个正光焦度双凸透镜；
中固定组由第五透镜(5)构成，第五透镜(5)是一个正光焦度弯向像方的弯月透镜；
调焦组由第六透镜(6)构成，第六透镜(6)是一个正光焦度弯向物方的弯月透镜；
后固定组由两个透镜组成，从左至右依次为第七透镜(7)和第八透镜(8)，第七透镜(7)是一个正光焦度弯向物方的弯月透镜，第八透镜(8)是一个正光焦度弯向物方的弯月透镜；
变倍组和补偿组可沿光轴相向或相背移动；变倍组用于实现焦距连续变化，补偿组用于补偿焦距变化引起的像面移动；
具有光焦度的光学元件仅为上述八片透镜。
2.根据权利要求1所述的一种紧凑型中波红外连续变焦系统，其特征在于：沿光轴自左至右，
前固定组第一透镜(1)的后表面到变倍组第二透镜(2)的前表面之间的距离为19.03mm～35.22mm；
变倍组第二透镜(2)的后表面到补偿组第三透镜(3)的前表面之间的距离为2.45mm～72.16mm；
补偿组第三透镜(3)的后表面到第四透镜(4)的前表面之间的距离为1.06mm；
补偿组第四透镜(4)的后表面到中固定组第五透镜(5)的前表面之间的距离为1mm～54.72mm；
中固定组第五透镜(5)的后表面到调焦组第六透镜(6)的前表面之间的距离为12.54mm；
调焦组第六透镜(6)的后表面到后固定组第七透镜(7)的前表面之间的距离为3mm；
固定组第七透镜(7)的后表面到第八透镜(8)的前表面之间的距离为0.5mm。
3.根据权利要求1或2所述的一种紧凑型中波红外连续变焦系统，其特征在于：所述第二透镜(2)、第三透镜(3)、第六透镜(6)和第七透镜(7)均为锗透镜，第一透镜(1)、第四透镜(4)、第五透镜(5)和第八透镜(8)均为硅透镜。
4.根据权利要求3所述的一种紧凑型中波红外连续变焦系统，其特征在于：所述第一透镜的厚度为10.31mm；其前表面为球面，曲率半径为78mm；
后表面为非球面，曲率半径为153.47mm，非球面系数为A＝7.85×10-8，B＝-2.95×10-13，C＝-4.41×10-15，D＝4.29×10-18。
5.根据权利要求4所述的一种紧凑型中波红外连续变焦系统，其特征在于：所述第二透镜的厚度为3mm；其前表面为非球面，曲率半径为-406.235mm，非球面系数为A＝3.73×10-6，B＝-5.27×10-9，C＝5.53×10-12，D＝1.14×10-13，E＝-4.81×10-16；
后表面为球面，曲率半径为47.3mm。
6.根据权利要求5所述的一种紧凑型中波红外连续变焦系统，其特征在于：所述第三透镜的厚度为3mm；其前表面为球面，曲率半径为297.25mm；
后表面为非球面，曲率半径为47.49mm，非球面系数为A＝-9.77×10-6，B＝8.27×10-10，C＝1.38×10-12，D＝2.85×10-14，E＝-2.14×10-16。
所述第四透镜的厚度为4mm；其前表面为非球面，曲率半径为55.27mm，非球面系数为A＝-9.93×10-6，B＝5.54×10-9，C＝-1.3×10-11，D＝5×10-14，E＝-1.51×10-16；后表面为球面，曲率半径为-87.65mm。
7.根据权利要求6所述的一种紧凑型中波红外连续变焦系统，其特征在于：所述第五透镜的厚度为3.66mm；其前表面为球面，曲率半径为13.8mm；
后表面为非球面，曲率半径为15.97mm，非球面系数为A＝3.23×10-6，B＝2.75×10-8，C＝-1.16×10-10，D＝1.26×10-12。
8.根据权利要求7所述的一种紧凑型中波红外连续变焦系统，其特征在于：所述第六透镜的厚度为4.4mm；其前表面为非球面，曲率半径为-6.28mm，非球面系数为A＝5.56×10-3，B＝7.17×10-4，C＝-5.39×10-4，D＝8.5×10-5；
后表面为非球面，曲率半径为-7.66mm，非球面系数为A＝9.24×10-4，B＝9.54×10-5，C＝-8.7×10-6，D＝9.34×10-7。
9.根据权利要求8所述的一种紧凑型中波红外连续变焦系统，其特征在于：所述第七透镜的厚度为4.48mm；其前表面为非球面，曲率半径为-17.42mm，非球面系数为A＝-6.05×10-5，B＝-3.3×10-6，C＝1.87×10-6，D＝-6.17×10-8；
后表面为非球面，曲率半径为-71.99mm，非球面系数A＝9.32×10-5，B＝8.68×10-7，C＝9.39×10-8，D＝-2.23×10-9。
10.根据权利要求9所述的一种紧凑型中波红外连续变焦系统，其特征在于：所述第八透镜的厚度为3mm，其前表面为球面，曲率半径为-152.44mm；后表面为球面，曲率半径为-11.47mm。
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