CN110596872B

CN110596872B - 补偿组往复运动的中波红外连续变焦系统

Info

Publication number: CN110596872B
Application number: CN201910891373.5A
Authority: CN
Inventors: 卜和阳; 田浩南; 洪永丰; 虞林瑶; 张宇鹏
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 2019-09-20
Filing date: 2019-09-20
Publication date: 2021-01-05
Anticipated expiration: 2039-09-20
Also published as: CN110596872A

Abstract

补偿组往复运动的中波红外连续变焦系统涉及红外成像技术领域，解决了系统尺寸较大、长短焦切换时间长的问题，包括从物面到二次像面依次设置的前固定组、变倍组、补偿组和后固定组，所述前固定组光焦度为正，变倍组光焦度为负，补偿组光焦度为正，后固定组光焦度为正，所述中波红外连续变焦系统通过变倍组在前固定组和补偿组之间轴向单向运动、以及补偿组在变倍组和后固定组之间轴向往复运动实现焦距变化。本发明基于四组元基础变焦模式，变倍组单向移动、补偿组往复运动的移动模式，实现了系统小型化设计并缩短了系统长短焦切换时间，具有镜片少、光学总长短、结构紧凑的优点。在机械设计上也可以减轻重量，这在航空载荷中有很重要的意义。

Description

补偿组往复运动的中波红外连续变焦系统

技术领域

本发明涉及红外成像技术领域，具体涉及补偿组往复运动的中波红外连续变焦系统。

背景技术

目前，红外成像技术在航空载荷应用及民用领域中有了长足的发展。中波制冷型探测器由于其灵敏度高，在目标搜索，导弹预警，探测，跟踪等军事领域及民用领域有着广阔的应用前景，同时中波制冷型光学系统可实现全天域的连续观测，成为了航空载荷中必不可少的载荷之一。尤其是可连续变焦的中波红外系统，更是这个领域中主要的发展方向。作为中波红外连续变焦系统，除了探测器，最主要的核心组件便是红外连续变焦镜头。镜头通过移动不同的透镜组，实现焦距和视场角的变化，并保持不变的靶面的尺寸和像面的清晰，同时实现大视场角下的目标探测及小视场条件小的目标识别及跟踪。

目前国内对于中波红外连续变焦系统的研究及设计，大多采用四组元模式，分别为前固定组，变倍组，补偿组及后固定组。系统通过变倍组和补偿组沿轴向的运动，可实现系统焦距的变化，进而实现系统视场角的变化。基于四组元模式的红外变焦系统，通过对国内大量中波红外连续变焦系统专利的分析，变倍组和补偿组的移动模式主要分为以下两种：

第一种，红外变焦系统由短焦到长焦的变化过程中，变倍组逐渐远离前固定组，补偿组逐渐远离后固定组，变倍组和补偿组的移动方向相反，长焦时，变倍组和补偿组距离最近，短焦时，变倍组和补偿组距离最远。发明专利CN201410686250.5所发表的一种连续变焦光学系统就是这种变焦模式；发明专利CN201210089967.2所发表的一种中波红外30倍连续变焦系统也属于第一种变焦方式。发明专利CN201410478270.3所发表的一种制冷式双波段共光路连续变焦系统同样属于第一种变焦方式

第二种，红外变焦系统由短焦到长焦的变化过程中，变倍组逐渐远离前固定组，补偿组逐渐靠近后固定组，变倍组和补偿组的移动方向一致，但移动速度不同。变倍组离前固定组最远时为长焦，变倍组离前固定组最近时为短焦。发明专利CN201110193499.9所发表的一种中波红外连续变焦系统就是这种变焦方式。

目前大多数四组元变焦系统，无论红外还是可见的连续变焦系统都基于以上两种变焦方式。

目前主要的两种变焦方式为基于四组元的变焦模式，分别为前固定组，变倍组，补偿组及后固定组。上述主要的两类变焦方式机械设计简单，变焦模式清晰，但这样的变焦方式都存在变倍行程和补偿行程相对较长，导致系统尺寸较大，系统小型化设计难度大，长短焦切换时间长等缺点。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供补偿组往复运动的中波红外连续变焦系统。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

补偿组往复运动的中波红外连续变焦系统，包括从物面到二次像面依次设置的前固定组、变倍组、补偿组和后固定组，所述前固定组光焦度为正，变倍组光焦度为负，补偿组光焦度为正，后固定组光焦度为正，所述中波红外连续变焦系统通过变倍组在前固定组和补偿组之间轴向单向运动、以及补偿组在变倍组和后固定组之间轴向往复运动实现焦距变化。

补偿组往复运动的中波红外连续变焦系统的变焦方法，所述中波红外连续变焦系统从短焦向长焦变化的变焦过程中，变倍组逐渐向远离前固定组方向运动，同时补偿组先向远离后固定组方向运动，当补偿组达到距离变倍组最近时，补偿组向靠近后固定组方向运动；

所述中波红外连续变焦系统从长焦向短焦变化的变焦过程中，变倍组逐渐向靠近前固定组方向运动，同时补偿组先向远离后固定组方向运动，当补偿组达到距离变倍组最近时，补偿组向靠近后固定组方向运动。

补偿组往复运动的中波红外连续变焦系统，用于凝视型中波制冷型红外探测器。

本发明的有益效果是：

本发明的补偿组往复运动的中波红外连续变焦系统，基于四组元基础变焦模式，红外变焦系统由焦距的变化过程中，变倍组单向移动、补偿组往复运动的移动模式，可实现了系统小型化设计，并缩短了系统长短焦切换时间，具有镜片少、光学总长短、结构紧凑的优点。在机械设计上也可以减轻重量，这在航空载荷中有很重要的意义。

附图说明

图1是中波红外连续变焦系统长焦状态下的位置关系示意图。

图2是中波红外连续变焦系统中焦状态下的位置关系示意图。

图3是中波红外连续变焦系统短焦状态下的位置关系示意图。

图4是中波红外连续变焦系统长焦状态下中心视场的传递函数。

图5是中波红外连续变焦系统长焦状态下0.7倍视场的传递函数。

图6是中波红外连续变焦系统长焦状态下边缘视场的传递函数。

图7是中波红外连续变焦系统中焦状态下中心视场的传递函数。

图8是中波红外连续变焦系统中焦状态下0.7倍视场的传递函数。

图9是中波红外连续变焦系统中焦状态下边缘视场的传递函数。

图10中波红外连续变焦系统短焦状态下中心视场的传递函数。

图11中波红外连续变焦系统短焦状态下0.7倍视场的传递函数。

图12中波红外连续变焦系统短焦状态下边缘视场的传递函数。

图13中波红外连续变焦系统长焦状态下全视场场曲图。

图14中波红外连续变焦系统长焦状态下全视场畸变图。

图15中波红外连续变焦系统中焦状态下全视场场曲图。

图16中波红外连续变焦系统中焦状态下全视场畸变图。

图17中波红外连续变焦系统短焦状态下全视场场曲图。

图18中波红外连续变焦系统短焦状态下全视场畸变图。

图19是中波红外连续变焦系统长焦状态下中心视场的点列图。

图20是中波红外连续变焦系统长焦状态下0.7倍视场的点列图。

图21是中波红外连续变焦系统长焦状态下边缘视场的点列图。

图22是中波红外连续变焦系统中焦状态下中心视场的点列图。

图23是中波红外连续变焦系统中焦状态下0.7倍视场的点列图。

图24是中波红外连续变焦系统中焦状态下边缘视场的点列图。

图25是中波红外连续变焦系统短焦状态下中心视场的点列图。

图26是中波红外连续变焦系统短焦状态下0.7倍视场的点列图。

图27是中波红外连续变焦系统短焦状态下边缘视场的点列图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

补偿组往复运动的中波红外连续变焦系统，如图1～3，包括前固定组、变倍组、补偿组和后固定组。从物面到二次像面依次为前固定组，变倍组，补偿组和后固定组。前固定组光焦度为正，变倍组光焦度为负，补偿组光焦度为正，后固定组光焦度为正。中波红外连续变焦系统通过变倍组在前固定组和补偿组之间轴向单向运动、以及补偿组在变倍组和后固定组之间轴向往复运动实现焦距变化。

前固定组用于汇聚光束。变倍组改变中波红外连续变焦系统的焦距。补偿组用于补偿中波红外连续变焦系统在变焦过程中的像面移动。后固定组用于将一次像面再次成像的得到二次像面。波红外连续变焦系统通过变倍组和补偿组的轴向移动，实现中波红外连续变焦系统的变焦功能。入射到前固定组的光束依次经过前固定组汇聚、变倍组折射和补偿组折射后形成一次像面，一次像面处的图像经后固定组再次成像得到二次像面，即后固定组作为中继镜组。前固定组、变倍组及补偿组实现了补偿组往复运动的中波红外连续变焦系统的一次成像，形成的一次像面位置在补偿组和后固定组之间，且在变焦过程中，一次像面的位置保持不变。

前固定组包括一片凸面朝向物面的平凸型正透镜，材料为硅。变倍组包括一片双凹透镜，材料为锗。补偿组包括两片透镜，两片透镜相对静止，共同在光轴上做同方向、同速度的轴向运动，在变倍组和后固定组之间移动；补偿组两片透镜中靠近物面的为第一弯月形透镜、靠近二次像面的为第二弯月形透镜，第一弯月形透镜位于双凹透镜和第二弯月形透镜之间，第一弯月形透镜凸向朝向物面，材料为锗，第二弯月形透镜的凸向朝向物面，材料硅。后固定组包括三片透镜组成，从物面到二次像面依次为第三弯月形透镜、第四弯月形透镜和第五弯月形透镜，第三弯月形透镜的凸面朝向二次像面，材料为硅，第四弯月形透镜的凸面朝向二次像面，材料为硅，第五弯月形硅透镜的凸面朝向物面，材料为硅。后固定组也作为中继镜组，将一次像面再次成像到探测器焦面上，实现100％的冷光阑效率。变倍组和前固定组之间的间隔变化范围为14.6～65.9mm。补偿组与变倍组之间的间隔变化范围为6～64.7mm，补偿组和后固定组之间的间隔变化区间为从45.7～66.2mm。

补偿组往复运动的中波红外连续变焦系统还包括保护玻璃和光阑，光阑临近第二像面，保护玻璃位于后固定组和光阑之间。

以下是补偿组往复运动的中波红外连续变焦系统的参数表：

表1 补偿组往复运动的中波红外连续变焦系统参数

表面序号	曲率半径	间隔	材料
				S1	239<R1<243	10	单晶硅
S2	Infinity(无穷)	14.6～65.9	空气
				S3	-124<R3<-122	4	单晶锗
S4	118<R4<120	6～64.7	空气
				S5	65<R5<67	5	单晶锗
S6	92<R6<95	4.57	空气
				S7	63.9<R7<64.6	4	单晶硅
S8	152<R8<155	45.7～66.2	空气
				S9	-26<R9<-24	3	单晶硅
S10	-20<R10<-18	7.4	空气
				S11	-45<R11<-42	3	单晶硅
S12	-25<R12<-23	3.9	空气
				S13	10.2<R13<11	3.6	单晶硅
S14	7.9<R14<9	6.0	空气
				S15	Infinity	20	空气

S1和S2分别为平凸型正透镜朝向物面的表面和朝向二次像面侧的表面，S3和S4分别为双凹透镜朝向物面的表面和朝向二次像面侧的表面，S5和S6分别为第一弯月形透镜朝向物面的表面和朝向二次像面侧的表面，S7和S8分别为第二弯月形透镜朝向物面的表面和朝向二次像面侧的表面，S9和S10分别为第三弯月形透镜朝向物面的表面和朝向二次像面侧的表面，S11和S12分别为第四弯月形透镜朝向物面的表面和朝向二次像面侧的表面，S13和S14分别为第五弯月形透镜朝向物面的表面和朝向二次像面侧的表面，S15为二次像面。

非球面系数公式

其中z为非球面沿光轴方向在高度r的位置时，距离非球面顶点的距离矢高；c表示表面的顶点曲率；k为圆锥系数；a₂,a₃,a₄,a₅,a₆均为高次非球面系数。

表2为表面S1，S3，S5，S8和S10的非球面系数。

表2 非球面系数

表面	k	a<sub>2</sub>	a<sub>3</sub>	a<sub>4</sub>	a<sub>5</sub>
						S1	-4.09	-6.37e-9	-4.8e-13	9.8e-17	0
S3	0	2.97e-6	-5.05e-9	1.9e-11	-3.8e-14
						S5	5.12	-1.34e-6	-1.63e-9	1.8e-12	-9.0e-15
S8	0	4.16e-6	7.1e-10	8.7e-12	-9.8e-15
						S10	-2.1	-1.60e-6	1.30e-7	4.59e-10	1.5e-12

衍射面的表达式如下：

Φ＝A₁ρ²+A₂ρ⁴+A₃ρ⁶

其中Φ为衍射面的位相，ρ＝r/r_n，r_n是衍射面的归一化半径，A₁,A₂,A₃均为衍射面的位相系数。表3为S1，S3，S5，S10的衍射系数。

表1衍射面衍射系数

表面	归一化半径	A<sub>1</sub>	A<sub>2</sub>
				S1	25.8	-33.4	-0.48
S3	16.0	141.6	-12.1
				S5	17.4	-87.1	-1.6
S10	9.2	-40.7	-14.0

本发明的补偿组往复运动的中波红外连续变焦系统采用二次成像理论，采用变倍组沿轴单向移动，补偿组沿轴向往复运动，实现补偿组往复运动的中波红外连续变焦系统的焦距变化。中波红外连续变焦系统F数为4恒定不变，实现了焦距为30～320mm的连续变焦，系统总长小于200mm，可实现100％冷光阑效率，具有镜片少，光学总长短，结构紧凑的优点。

本发明的补偿组往复运动的中波红外连续变焦系统可应用于凝视型中波制冷型红外探测器。该光学系统实现的技术指标为：波段3.7～4.8μm，焦距f＝30～320mm，F数为4，适配像元数为320×256、像元30μm探测器及像元数为640×512，像元15μm的探测器。

补偿组往复运动的中波红外连续变焦系统在焦距的变化过程中，变倍组做单一方向的线性运动，补偿组做非线性的往复运动。补偿组的非线性往复运动取决于变倍组的线性运动。

补偿组在中波红外连续变焦系统长短焦变化过程中，先远离后固定组，当达到距离变倍组最近后，又向靠近后固定组方向移动。无论是长焦距变短焦距还是短焦距变长焦距，补偿组都这样运动。但变焦过程为从短焦向长焦变化即增长系统焦距时，则变倍组逐渐向远离前固定组方向运动，变焦过程为从长焦距向短焦距变化即缩短系统焦距时，则变倍组逐渐向靠近前固定组方向运动。据此可知变焦系统的变焦方法，下面进行详细说明：

中波红外连续变焦系统处于短焦30mm时，变倍组距离前固定组最近。中波红外连续变焦系统从短焦向长焦的运动过程中，变倍组逐渐向二次像面侧线性移动，变倍组运动的同时补偿组逐渐向物面移动，当变倍组和补偿组距离最近后，达到中焦位置，如图2，之后补偿组返回，补偿组逐渐向二次像面侧移动，变倍组依旧向二次像面侧单方向移动，最终中波红外连续变焦系统达到最大焦距320mm。在中波红外连续变焦系统由短焦向长焦的变化过程中，补偿组的运动是先向物面移动，再向二次像面移动的往复的运动，但本申请中补偿组的起始位置和返回后的终点位置是不一致的。同样道理，当中波红外连续变焦系统由长焦向短焦变化时，变倍组做向前固定组移动的单一方向的线性运动，变倍组运动的同时补偿组会先向物面移动，运动至补偿组与变倍组距离最近时，补偿组改变运动方向开始向二次像面方向移动。中波红外连续变焦系统内的位置关系可参见图1～3。

图4～图6分别是中波红外连续变焦系统长焦状态下中心视场(像高0.00mm)、0.7倍视场(像高4.300mm)和边缘视场(像高6.1500mm)的传递函数；图7～图9是中波红外连续变焦系统中焦状态下中心视场、0.7倍视场和边缘视场的传递函数，图10～图12是中波红外连续变焦系统短焦状态下中心视场、0.7倍视场和边缘视场的传递函数。其中T表示子午方向S表示弧矢方向，由图4～12可知本发明的补偿组往复运动的中波红外连续变焦系统成像质量高。

中波红外连续变焦系统长焦状态下全视场场曲畸变图如图13和图14，中波红外连续变焦系统中焦状态下全视场场曲畸变图如图15和图16，中波红外连续变焦系统短焦状态下全视场场曲畸变图如图17和图18。由图13～18可知本发明的补偿组往复运动的中波红外连续变焦系统的边缘图像清晰、失真度低。

中波红外连续变焦系统长焦状态下中心视场、0.7倍视场和边缘视场的点列图参见图19～21，中波红外连续变焦系统中焦状态下中心视场、0.7倍视场和边缘视场的点列图参见图22～24，中波红外连续变焦系统短焦状态下中心视场、0.7倍视场和边缘视场的点列图参见图25～27，由图19～27可知本发明的补偿组往复运动的中波红外连续变焦系统的像差小。各个视场光线对应的弥散斑半径小而均匀，不同波长光线在同个视场聚焦形成的弥散斑错位程度低，光学系统像差得到良好校正，通过探测器可观察到整体均匀、高光学性能的图像。

本发明的补偿组往复运动的中波红外连续变焦系统，基于四组元基础变焦模式，红外变焦系统长短焦变化过程中，变倍组单向移动，补偿组先远离后固定组，当距离变倍组最近后，又向靠近后固定组方向移动，基于本发明中波红外连续变焦系统提出了变倍组单向移动补偿组往复运动的移动调焦模式，可实现了系统小型化设计，并缩短了系统长短焦切换时间。在机械设计上也可以减轻重量，这在航空载荷中有很重要的意义。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.补偿组往复运动的中波红外连续变焦系统，其特征在于，包括从物面到二次像面依次设置的前固定组、变倍组、补偿组和后固定组，所述前固定组光焦度为正，变倍组光焦度为负，补偿组光焦度为正，后固定组光焦度为正，所述中波红外连续变焦系统通过变倍组在前固定组和补偿组之间轴向单向运动、以及补偿组在变倍组和后固定组之间轴向往复运动实现焦距变化。

2.如权利要求1所述的补偿组往复运动的中波红外连续变焦系统，其特征在于，入射到所述前固定组的光束依次经过前固定组汇聚、变倍组折射和补偿组折射后形成一次像面，一次像面处的图像经后固定组再次成像的得到二次像面，所述中波红外连续变焦系统在变焦过程中，一次像面的位置保持不变。

3.如权利要求1所述的补偿组往复运动的中波红外连续变焦系统，其特征在于，所述中波红外连续变焦系统变焦过程中变倍组做单一方向的线性运动，补偿组做非线性的往复运动。

4.如权利要求1所述的补偿组往复运动的中波红外连续变焦系统，其特征在于，所述中波红外连续变焦系统变焦过程中补偿组先向远离后固定组方向运动，当补偿组达到距离变倍组最近时，补偿组向靠近后固定组方向运动。

5.如权利要求4所述的补偿组往复运动的中波红外连续变焦系统，其特征在于，若所述变焦过程为从短焦向长焦变化，则变倍组逐渐向远离前固定组方向运动，若所述变焦过程为从长焦向短焦变化，则变倍组逐渐向靠近前固定组方向运动。

6.如权利要求1所述的补偿组往复运动的中波红外连续变焦系统，其特征在于，所述前固定组包括凸面朝向物面的平凸型正透镜；所述变倍组包括双凹透镜；所述补偿组包括第一弯月形透镜和第二弯月形透镜，所述第一弯月形透镜位于双凹透镜和第二弯月形透镜之间，第一弯月形透镜的凸向朝向物面，所述第二弯月形透镜的凸向朝向物面；所述后固定组包括从物面到二次像面依次设置的第三弯月形透镜、第四弯月形透镜和第五弯月形透镜，所述第三弯月形透镜的凸面朝向二次像面，所述第四弯月形透镜的凸面朝向二次像面，所述第五弯月形硅透镜的凸面朝向物面。

7.如权利要求6所述的补偿组往复运动的中波红外连续变焦系统，其特征在于，所述平凸型正透镜、第二弯月形透镜、第三弯月形透镜、第四弯月形透镜和第五弯月形硅透镜的材料均为硅，所述双凹透镜和第一弯月形透镜的材料均为锗。

8.如权利要求1至7中任意一项所述的补偿组往复运动的中波红外连续变焦系统的变焦方法，其特征在于，

所述中波红外连续变焦系统从短焦向长焦变化的变焦过程中，变倍组逐渐向远离前固定组方向运动，同时补偿组先向远离后固定组方向运动，当补偿组达到距离变倍组最近时，补偿组向靠近后固定组方向运动；

9.如权利要求1至7中任意一项所述的补偿组往复运动的中波红外连续变焦系统，其特征在于，用于凝视型中波制冷型红外探测器。

10.如权利要求9所述的补偿组往复运动的中波红外连续变焦系统，其特征在于，所述凝视型中波制冷型红外探测器为320×256像素、像元30μm的红外探测器，或为640×512像素、像元15μm的红外探测器。