CN109324399A - 一种折反式红外变焦距光学系统 - Google Patents

一种折反式红外变焦距光学系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种折反式红外变焦距光学系统，基于反射变焦距原理及近轴光学系统理论计算分析，确定了光学系统的构型，通过光学结构参数优化、像差平衡以及采用非球面、衍射面等特殊面型来校正光学系统的像差，使像质达到最优。该光学系统构型基于光学反射原理和折射原理相结合，通过不同变倍透镜组的切换，实现了光学系统超小视场、小视场、中视场和大视场的切换，并能保持高质量成像。解决了超长焦距多视场的变焦问题，缩短了光学长度、节省了系统空间体积、并降到了光学系统制造成本。

Description

一种折反式红外变焦距光学系统
技术领域
本发明属于光学技术，涉及一种折反式红外变焦距光学系统。
背景技术
定焦红外热像仪在像面上欲得到不同大小的像，必须改变目标物体与镜头之间的距离或更换不同焦距的镜头。而变焦距热像仪可以改变光学系统的焦距，因此，可以在像面上得到不同大小的目标像，对于光电观察与监控都非常有利。
根据需要观察的目标的远近距离不同，光电观察与监控系统通常需要光学系统具备多个焦距，分别用于不同距离目标的探测、识别以及大范围的监控。
目前的红外变焦距热像仪的光学系统一般都采用透射式光学系统进行设计，能够满足一般的应用需求，但对于超远距离目标探测时，需要光学系统的焦距很长，这就造成光学系统的口径及体积过大，而且制造成本显著提高。如果光学系统采用反射式光学系统进行设计，虽然能够实现长焦距，但是反射式光学构型的固有缺点是视场较小，不能实现大视场。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种折反式红外变焦距光学系统，通过将反射式光学系统和折射式光学系统相结合，通过不同变倍透镜组的切换，实现了超长焦距、长焦距、中焦距、短焦距的相互切换，解决了超长焦距多视场的变焦问题，缩短了光学长度、节省了系统空间体积、并降到了光学系统制造成本。
技术方案
一种折反式红外变焦距光学系统，其特征在于包括伽利略望远中空反射物镜1、伽利略望远反射目镜2、小视场变倍透镜组3、大视场变倍透镜组4、第一透镜5、第二透镜6、第三透镜7、第四透镜8与探测器9；沿光路依次为第一透镜5、伽利略望远中空反射物镜1、第二透镜6、第三透镜7、第四透镜8与探测器9，构成中视场光路；当伽利略望远反射目镜2独立位于第一透镜5前端光路时，伽利略望远反射目镜2与中视场光路构成超小视场光路；当小视场变倍透镜组3独立位于第一透镜5前端光路时，构成小视场光路；当大视场变倍透镜组4独立位于第一透镜5前端光路时，构成大视场光路。
将伽利略望远反射目镜2、小视场变倍透镜组3和大视场变倍透镜组4设置在伽利略望远中空反射物镜1的外沿，在中视场光路状态均不参与光路构成，采用电机驱动伽利略望远反射目镜2、小视场变倍透镜组3或大视场变倍透镜组4进入第一透镜5前端光路。
将伽利略望远反射目镜2、小视场变倍透镜组3和大视场变倍透镜组4沿圆周相隔120度设置，采用电机带动中心轴旋转至光路构成所需位置。
所述探测器为像素数320×256、640×512、1280×1024，像素大小适用于8μm、15μm、30μm的制冷型红外焦平面探测器，适用波长：3μm～5μm、8μm～12μm。
有益效果
本发明提出的一种折反式红外变焦距光学系统，基于反射变焦距原理及近轴光学系统理论计算分析，确定了光学系统的构型，通过光学结构参数优化、像差平衡以及采用非球面、衍射面等特殊面型来校正光学系统的像差，使像质达到最优。该光学系统构型基于光学反射原理和折射原理相结合，通过不同变倍透镜组的切换，实现了光学系统超小视场、小视场、中视场和大视场的切换，并能保持高质量成像。解决了超长焦距多视场的变焦问题，缩短了光学长度、节省了系统空间体积、并降到了光学系统制造成本。
本发明的优点在于通过伽利略反射式望远系统与折射式会聚系统相结合的折反式构型设计实现了超小视场，通过旋转不同变倍镜组的方法实现了超小视场、小视场、中视场、大视场的多视场的转换，使光学系统在获得超小视场的同时实现了多视场，并且各个视场获得高的成像质量以及整个系统空间紧凑。
本发明的技术效果是：
1独特的超小视场构型
通过伽利略反射式望远系统与折射式会聚系统相结合的折反式构型设计实现了超小视场。
2多视场
通过旋转不同变倍镜组的方法实现了超小视场、小视场、中视场、大视场的多视场的转换。超小视场用于远距离目标的认清；小视场用于远距离目标的识别；中视场用于目标的探测；大视场用于大范围监控。
3成像质量优
利用非球面、衍射面等特殊光学面型校正光学系统的像差，平衡了各种像差，得到了优良像质。
附图说明
图1是本发明超小视场光路图；
图2是本发明小视场光路图；
图3是本发明中视场光路图；
图4是本发明大视场光路图。
其中，1-伽利略望远中空反射物镜、2-伽利略望远反射目镜、3-小视场变倍透镜组、4-大视场变倍透镜组、5-透镜5、6-透镜6、7-透镜7、8-透镜8、9-探测器焦平面。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本发明提供折反式红外变焦距光学系统构型，该光学系统构型基于光学反射原理和折射原理相结合，通过不同变倍透镜组的切换，实现了光学系统超小视场、小视场、中视场和大视场的切换，并能保持高质量成像。
其特征在于：超小视场采用伽利略反射式望远系统与折射式会聚系统相结合的折反式构型设计，小视场、中视场、大视场采用折射式构型设计。系统采用折反式光学构型折叠光路，以压缩光学系统空间尺寸；光学系统F数：f/2、f/4、f/5.5均可。其适用的探测器可为320×256、640×512、1280×1024的制冷型红外焦平面探测器，适用波长：中波3μm～5μm、长波8μm～12μm。
参阅图1～4，本发明一种折反式红外变焦距光学系统构型光路图。该光路示意图是采用旋转不同变倍镜组的折反式光路构型，实现超小视场、小视场、中视场、大视场多个光学视场转换的原理图。
按光路走向由伽利略望远中空反射物镜1、伽利略望远反射目镜2、透镜5、透镜6、透镜7、透镜8与探测器9组成系统超小视场光路，此时大视场变倍透镜组4处于图示B位置、小视场变倍透镜组3处于图示C位置；
以超小视场光路为基础，当电机驱动小视场变倍透镜组3绕旋转轴o逆时针旋转120°，小视场变倍透镜组3由C位置变为A位置，小视场变倍透镜组3、透镜5、透镜6、透镜7、透镜8与探测器9组成系统小视场光路，此时伽利略望远反射目镜2处于图示B位置、大视场变倍透镜组4处于图示C位置；
以小视场光路为基础，当电机驱动小视场变倍透镜组3绕旋转轴o逆时针旋转60°，透镜5、透镜6、透镜7、透镜8与探测器9组成系统中视场光路,此时小视场变倍透镜组3处于图示D位置、伽利略望远反射目镜2处于图示E位置、大视场变倍透镜组4处于图示F位置；
以中视场光路为基础，当电机驱动大视场变倍透镜组4绕旋转轴o逆时针旋转60°，大视场变倍透镜组4由F位置变为A位置，大视场变倍透镜组4、透镜5、透镜6、透镜7、透镜8与探测器9组成系统大视场光路,此时小视场变倍透镜组3处于图示B位置、伽利略望远反射目镜2处于图示C位置；
以大视场光路为基础，当电机驱动伽利略望远反射目镜2绕旋转轴o逆时针旋转120°，伽利略望远反射目镜2由C位置变为A位置，伽利略望远中空反射物镜1、伽利略望远反射目镜2、透镜5、透镜6、透镜7、透镜8与探测器9组成系统超小视场光路,此时大视场变倍透镜组4处于图示B位置、小视场变倍透镜组3处于图示C位置；实现超小视场、小视场、中视场、大视场的多视场变换。
实施例
该光路示意图是一种折反式红外变焦距光学系统构型实现原理图。
该光学系统系统包括伽利略望远中空反射物镜1、伽利略望远反射目镜2、小视场变倍透镜组3、大视场变倍透镜组4、透镜5、透镜6、透镜7、透镜8与探测器9。
具体光学参数见下表所示。
超小视场光路光学参数表(单位：mm)
小视场光路光学参数表(单位：mm)
中视场光路光学参数表(单位：mm)
大视场光路光学参数表(单位：mm)
非球面方程为：
其中：r——与光轴的距离；
R——非球面顶点出的曲率半径；
K——二次曲线常数；
A、B、C、D——非球面系数。
衍射非球面方程为：
其中：r——与光轴的距离；
R——非球面顶点出的曲率半径；
K——二次曲线常数；
A、B、C、D——非球面系数；
HOR——衍射级次；
c1、c2——衍射面系数；
n——基地材料折射率；
n0——空气折射率；
λ0——中心波长。

Claims (8)

1.一种折反式红外变焦距光学系统，其特征在于包括伽利略望远中空反射物镜(1)、伽利略望远反射目镜(2)、小视场变倍透镜组(3)、大视场变倍透镜组(4)、第一透镜(5)、第二透镜(6)、第三透镜(7)、第四透镜(8)与探测器(9)；沿光路依次为第一透镜(5)、伽利略望远中空反射物镜(1)、第二透镜(6)、第三透镜(7)、第四透镜(8)与探测器(9)构成中视场光路；当伽利略望远反射目镜(2)独立位于第一透镜(5)前端光路时，伽利略望远反射目镜(2)与中视场光路构成超小视场光路；当小视场变倍透镜组(3)独立位于第一透镜(5)前端光路时，构成小视场光路；当大视场变倍透镜组(4)独立位于第一透镜(5)前端光路时，构成大视场光路。
2.根据权利要求1所述折反式红外变焦距光学系统，其特征在于：将伽利略望远反射目镜(2)、小视场变倍透镜组(3)和大视场变倍透镜组(4)设置在伽利略望远中空反射物镜(1)的外沿，在中视场光路状态均不参与光路构成，采用电机驱动伽利略望远反射目镜(2)、小视场变倍透镜组(3)或大视场变倍透镜组(4)进入第一透镜(5)前端光路。
3.根据权利要求1或2所述折反式红外变焦距光学系统，其特征在于：将伽利略望远反射目镜(2)、小视场变倍透镜组(3)和大视场变倍透镜组(4)沿圆周相隔120度设置，采用电机带动中心轴旋转至光路构成所需位置。
4.根据权利要求1或2所述折反式红外变焦距光学系统，其特征在于：所述探测器为像素数320×256、640×512、1280×1024，像素大小适用于8μm、15μm、30μm的制冷型红外焦平面探测器，适用波长：3μm～5μm、8μm～12μm。
5.根据权利要求1所述折反式红外变焦距光学系统，其特征在于：所述第一透镜(5)、伽利略望远中空反射物镜(1)、第二透镜(6)、第三透镜(7)、第四透镜(8)与探测器(9)构成中视场光路的光学参数如下，单位：mm
6.根据权利要求1所述折反式红外变焦距光学系统，其特征在于：所述伽利略望远反射目镜(2)、第一透镜(5)、第二透镜(6)、第三透镜(7)、第四透镜(8)与探测器(9)构成超小视场光路的光学参数如下，单位：mm
7.根据权利要求1所述折反式红外变焦距光学系统，其特征在于：所述小视场变倍透镜组(3)、第一透镜(5)、第二透镜(6)、第三透镜(7)、第四透镜(8)与探测器(9)构成小视场光路的光学参数如下，单位：mm
8.根据权利要求1所述折反式红外变焦距光学系统，其特征在于：所述大视场变倍透镜组(4)、第一透镜(5)、第二透镜(6)、第三透镜(7)、第四透镜(8)与探测器(9)构成大视场光路的光学参数如下，单位：mm
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