CN109839731A - 一种连续变焦小视场高速周视红外光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种连续变焦小视场高速周视红外光学系统,过理论计算分析设计一种16倍连续变焦光学系统，在小视场光学构型中的平行光路中加入扫描摆镜，扫描摆镜回摆角度以补偿成像系统运动的视场角度，保证积分时间内成像目标在像面成像位置保持不变，保证小视场高速周视成像图像清晰。本发明通过使用多个非球面，增加了光学系统设计过程中的自由度，协调校正系统的慧差、球差、像散，保证连续变焦及小视场高速周视成像质量。

Description

一种连续变焦小视场高速周视红外光学系统
技术领域
本发明属于红外光学系统，涉及一种连续变焦小视场高速周视红外光学系统，可实现22.4～366mm焦距连续变焦红外成像，小视场可应用于高速周视成像。
背景技术
面阵成像系统连续运动成像相比线列成像系统，较容易实现变速扫描时对重点区域实行重点监测、跟踪，其应用的难点在于探测器积分时间内焦平面和景物之间会产生相对运动，从而使图像变得模糊。
通过在连续变焦光学系统内部的平行光路中加入扫描摆镜，扫描摆镜回摆角度以补偿小视场高速周视成像运动的像面移动，保证积分时间内成像目标在像面成像位置保持不变，从而实现图像的清晰成像，解决了面阵成像系统运动过程成像图像变虚问题。
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，本发明提出一种连续变焦小视场高速周视红外光学系统，以实现16倍连续变焦凝视成像，也可应用于小视场高速周视成像，均能保持高质量成像。
技术方案
一种连续变焦小视场高速周视红外光学系统，其特征在于包括第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7、第八透镜8、第九透镜9、第十透镜10、第十一透镜11、反射镜12和扫描摆镜13；从物面到像面方向依次为第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4和第五透镜5，在第五透镜5的光轴上设有反射镜12，沿反射光路依次设有第六透镜6、第七透镜7和第八透镜8，在第八透镜8的光轴上设有扫描摆镜13，沿扫描摆镜13的反射光路依次设有第九透镜9、第十透镜10和第十一透镜11；其中：Z1为透镜1与透镜2的距离间隔，Z2为透镜2与透镜3距离间隔，Z3为透镜3与透镜4距离间隔，变焦位置Z1、Z2和Z3实现22.4～366mm焦距连续变焦。
所述连续变焦选取的四个典型视场位置如下：
变焦位置 焦距366mm 焦距275mm 焦距137.5mm 焦距22.4mm
Z1 115.99. 112.14 96.13 12.57
Z2 10.5 19.71 43.87 138.61
Z3 29.69 24.33 16.18 5
所述第一透镜1、第三透镜3、第四透镜4、第八透镜8和第十一透镜11采用玻璃材料为硅；所述第二透镜2、第五透镜5、第六透镜6和第九透镜9采用玻璃材料为锗；所述第七透镜7和第十透镜10采用玻璃材料为氟化钙；所述反射镜12和扫描摆镜13采用玻璃材料为K9。
有益效果
本发明提出的一种连续变焦小视场高速周视红外光学系统,过理论计算分析设计一种16倍连续变焦光学系统，在小视场光学构型中的平行光路中加入扫描摆镜，扫描摆镜回摆角度以补偿成像系统运动的视场角度，保证积分时间内成像目标在像面成像位置保持不变，保证小视场高速周视成像图像清晰。本发明通过使用多个非球面，增加了光学系统设计过程中的自由度，协调校正系统的慧差、球差、像散，保证连续变焦及小视场高速周视成像质量。
本发明相比已有技术具有如下优点：
采用三种红外光学材料进行匹配，利用非球面透镜组来校正球差、慧差、像散。
光学系统可以实现16倍连续变焦面阵凝视成像，且可应用于小视场远距高速周视成像。
附图说明
图1：种连续变焦小视场高速周视红外光学系统图
图2：中间视场275mm光路构型
图3：中间视场137.5mm光路构型
图4：大视场22.4mm光路构型
图5：小视场366mm焦距传函图
图6：中间视场275mm焦距传函图
图7：中间视场137.5mm焦距传函图
图8：大视场22.4mm焦距传函图
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
如图1、表1所示为本发明所设计一种连续变焦小视场高速周视红外光学系统的最佳实施例结构示意及光学原理图。红外系统设计波段为3.7-4.8μm，制冷探测器参数为：像元数640×512，F/#为4。
所述光学系统参数表为：
其中：变焦位置参数Z如表2所示。
表2连续变焦位置参数表
变焦位置 焦距366mm 焦距275mm 焦距137.5mm 焦距22.4mm
Z1 115.99. 112.14 96.13 12.57
Z2 10.5 19.71 43.87 138.61
Z3 29.69 24.33 16.18 5
光学系统满足以下(1)、(2)公式要求：
光焦度分配满足总光焦度；即
其中为透镜的光焦度，hi为近轴光线在透镜上的入射高度，为系统的总光焦度；
总色差系数要求：
其中：Ci为第i个透镜的色差系数，hi为近轴光线在透镜上的入射高度。
通过求解方程组得到系统的光焦度分配情况，在利用CODEV软件进一步优化设计。按逐步逼近的原则，在控制色差、热像约束的条件下，释放各个透镜的优化变量，同时引入非球面，反复分析与优化中间结构，直接获得令人满意的、满足设计指标和性能要求的光学系统。

Claims (4)

1.一种连续变焦小视场高速周视红外光学系统，其特征在于包括第一透镜(1)、第二透镜(2)、第三透镜(3)、第四透镜(4)、第五透镜(5)、第六透镜(6)、第七透镜(7)、第八透镜(8)、第九透镜(9)、第十透镜(10)、第十一透镜(11)、反射镜(12)和扫描摆镜(13)；从物面到像面方向依次为第一透镜(1)、第二透镜(2)、第三透镜(3)、第四透镜(4)和第五透镜(5)，在第五透镜(5)的光轴上设有反射镜(12)，沿反射光路依次设有第六透镜(6)、第七透镜(7)和第八透镜(8)，在第八透镜(8)的光轴上设有扫描摆镜(13)，沿扫描摆镜(13)的反射光路依次设有第九透镜(9)、第十透镜(10)和第十一透镜(11)；其中：Z1为透镜1与透镜2的距离间隔，Z2为透镜2与透镜3距离间隔，Z3为透镜3与透镜4距离间隔，变焦位置Z1、Z2和Z3实现22.4～366mm焦距连续变焦。
2.根据权利要求1所述连续变焦小视场高速周视红外光学系统，其特征在于：所述连续变焦选取的四个典型视场位置如下：
变焦位置 焦距366mm 焦距275mm 焦距137.5mm 焦距22.4mm Z1 115.99. 112.14 96.13 12.57 Z2 10.5 19.71 43.87 138.61 Z3 29.69 24.33 16.18 5
3.根据权利要求1所述连续变焦小视场高速周视红外光学系统，其特征在于：所述第一透镜(1)、第三透镜(3)、第四透镜(4)、第八透镜(8)和第十一透镜(11)采用玻璃材料为硅；所述第二透镜(2)、第五透镜(5)、第六透镜(6)和第九透镜(9)采用玻璃材料为锗；所述第七透镜(7)和第十透镜(10)采用玻璃材料为氟化钙；所述反射镜(12)和扫描摆镜(13)采用玻璃材料为K9。
4.根据权利要求1所述连续变焦小视场高速周视红外光学系统，其特征在于：所述光学系统参数表为：
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