CN110703422A - 超大变倍比50×连续变焦中波红外光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超大变倍比50×连续变焦中波红外光学系统，从物方到像方依次包括前组、后组以及两片折转反射镜，其中：前组包括共轴的前组透镜一、变倍镜、补偿镜、调焦镜，该前组还包括反射镜一；后组包括后组透镜一、后组透镜二、反射镜二、后组透镜三；物方成像光束入射前组透镜一、变倍镜、补偿镜、调焦镜，在反射镜一上折转反射后一次成像，再经过后组透镜一、后组透镜二，在反射镜二上折转反射，经过后组透镜三二次成像在探测器上。本发明具有长焦距、小体积、轻重量和高分辨率等特点，全焦段具有良好的成像质量。

Description

超大变倍比50×连续变焦中波红外光学系统
技术领域
本发明公开了一种红外光学系统，尤其涉及适用于高分辨率中波制冷探测器的超大变倍比50×连续变焦中波红外光学系统。
背景技术
红外光学系统夜间穿透能力强，隐蔽性好，不容易收到干扰，随着近几年红外制冷探测器的发展，红外成像光学系统频繁的应用在导航、警戒、侦查等领域的光电设备中，连续变焦红外系统，可以对目标进行搜索、跟踪和瞄准，在大小视场切换过程中，可以保持图像的稳定性和连续性，目标图像不会丢失，且能够保持清晰，同时兼顾大视场搜索和小视场分辨。连续变焦光学系统按照对像面补偿方式的不同分为光学补偿和机械补偿，光学补偿是镜头中的一个或者多个透镜线性运动，只能使系统在有限的几个焦距位置像面重合，不能达到连续变焦的要求，机械补偿是变倍镜组做线性运动改变焦距，补偿镜组通过凸轮做非线性运动来补偿变倍镜组移动引起的像面位移，能够满足连续变焦的要求。
相比于常规设备，超大变倍比连续变焦光学系统能够同时具有更大的搜索范围和更高的细节捕获能力，具有很大军事应用价值，是未来红外成像的主要发展方向。
发明内容
本发明的目的是提供一种超大变倍比50×连续变焦中波红外光学系统，具有大变倍比、大视场、长焦距、小体积、轻重量和高分辨率等特点，全焦段具有良好的成像质量。
为达上述目的，本发明所采用的技术方案是：
提供一种超大变倍比50×连续变焦中波红外光学系统，从物方到像方依次包括前组、后组以及两片折转反射镜，其中：
前组包括共轴的前组透镜一、变倍镜、补偿镜、调焦镜，该前组还包括反射镜一，改变光路路径；
后组包括后组透镜一、后组透镜二、反射镜二、后组透镜三；
物方成像光束入射前组前组透镜一、变倍镜、补偿镜、调焦镜，在反射镜一上折转反射后一次成像，再经过后组透镜一、后组透镜二，在反射镜二上折转反射，经过后组透镜三二次成像在探测器上；
连续变焦时，变倍镜沿光轴向远离前组透镜一方向做线性运动，补偿镜向靠近前组透镜一方向做非线性运动补偿焦距变化引起的像面移动。
接上述技术方案，前组透镜一为凸面向物方的弯月形硅正透镜，变倍镜为双凹硅负透镜，补偿镜为双凸锗正透镜，调焦镜为凸面向像方的弯月形硅负透镜，后组透镜一为平凸硅正透镜，后组透镜二为凸面向像方的弯月形锗负透镜，后组透镜三为凸面向物方的弯月形硅正透镜，反射镜一和反射镜二均为折转45°的平面反射镜。
接上述技术方案，该光学系统的镜头焦距范围为13.2mm～665mm，F数5.5。
接上述技术方案，变倍镜的第二面为非球面衍射面，调焦镜的第一面、后组透镜一的第二面分别为非球面。
接上述技术方案，沿光轴方向，变倍镜第一面顶点距离前组透镜一第二面顶点的距离为49mm～98mm，变倍镜第二面顶点距离补偿镜第一面顶点的距离为110mm～7mm，补偿镜第二面顶点距离调焦镜第一面顶点的距离为19.8mm～73.8mm。
接上述技术方案，该光学系统的变焦曲线平滑无拐点。
本发明的超大变倍比50×连续变焦中波红外光学系统可应用在640*512中波制冷探测器中。
本发明产生的有益效果是：本发明的连续变焦中波红外光学系统采用二次成像的结构形式，不仅满足100％冷光阑效率，并且能够压缩前组透镜口径；此外镜头采用两片折转反射镜对光路进行U型折转，压缩系统的横向和纵向尺寸，体积小，结构紧凑；且镜头焦距范围宽，变倍比高达50×，能够同时具有更大的搜索范围和更高的细节捕获能力。
进一步地，本发明的连续变焦中波红外光学系统通过合理的初始结构建立，适当复杂化前固定组、合理进行光焦度和材料搭建等手段，将各变焦点像差进行了良好的校正。本发明采用二次成像和正组补偿变焦的结构形式，二次成像组件能够压缩前组透镜口径，满足100％冷光阑效率，正组补偿的结构形式能够达到较好的成像质量，系统包括前组、后组以及两片折转反射镜，反射镜主要用来压缩尺寸。在变倍过程中，采用变倍透镜和补偿透镜沿光轴前后运动达到连续变焦的目的。本发明具有长焦距、小体积、轻重量和高分辨率等特点，全焦段具有良好的成像质量。
进一步地，本发明的连续变焦中波红外光学系统变焦凸轮曲线平滑无拐点，全焦段的成像质量好。
进一步地，本发明的连续变焦中波红外光学系统严格控制冷反射效应，即控制探测器和冷屏经过透镜各个面反射后最终呈在探测器靶面上的RMS值大小，不会出现鬼像。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为本发明的光学系统示意图；
图中，1-前组透镜一，2-变倍镜，3-补偿镜，4-调焦镜，5-反射镜一，6-后组透镜一，7-后组透镜二，8-反射镜二，9-后组透镜三；
图2为本发明的光学系统短焦二维图；
图3为本发明的光学系统中焦二维图；
图4为本发明的光学系统长焦二维图；
图5为本发明的光学系统短焦端32lp/mm时MTF图；
图6为本发明的光学系统中焦端32lp/mm时MTF图；
图7为本发明的光学系统长焦端32lp/mm时MTF图；
图8为本发明的光学系统短焦端点列图；
图9为本发明的光学系统中焦端点列图；
图10为本发明的光学系统长焦端点列图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例超大变倍比50×连续变焦中波红外光学系统，包括前组、后组以及两片折转反射镜，其中前组包括前组透镜一1、变倍镜2、补偿镜3、调焦镜4等共四片透镜，后组包括后组透镜一6、后组透镜二7、后组透镜三9共三片透镜。物方成像光束依次经过前组透镜一1、变倍镜2、补偿镜3、调焦镜4，在反射镜一5上折转反射后一次成像，再经过后组透镜一6、后组透镜二7，在反射镜二8上折转反射，经过后组透镜三9二次成像在探测器上，采用变倍镜2和补偿镜3沿光轴前后相对运动的方式，得到全焦段清晰的像。图1中光学器件实线为短焦位置，虚线为长焦位置。
进一步地，光学透镜材料均取红外光学系统常用的材料硅和锗，光线入射方向为物方，光线出射方向为像方，前组透镜一1是一片凸面向物方的弯月形硅正透镜，变倍镜2是一片双凹硅负透镜，补偿镜3是一片双凸锗正透镜，调焦镜4是一片凸面向像方的弯月形硅负透镜，后组透镜一6是一片平凸硅正透镜，后组透镜二7是一片凸面向像方的弯月形锗负透镜，后组透镜三9是一片凸面向物方的弯月形硅正透镜，反射镜一5和反射镜二8都是折转45°的平面反射镜，材料都为k9玻璃。
本发明的超大变倍比50×连续变焦中波红外光学系统，焦距13.2mm～665mm，在变焦过程中，F数恒定保持为5.5。
来自物方的成像光束依次经过前组透镜一1、变倍镜2、补偿镜3、调焦镜4，在反射镜一5上折转后一次成像，再经过后组透镜一6、后组透镜二7，在反射镜二8上折转后，经过后组透镜三9和冷光阑二次成像在探测器上。光学系统从短焦13.2mm切换到长焦665mm时，变倍镜2沿光轴向远离前组透镜一1方向做线性运动实现变焦，补偿镜3向靠近前组透镜一1方向做非线性运动来补偿焦距变化引起的像面移动，实现50×的连续变焦。
具体来说，本发明一个实施例中，光学系统包括7片透镜和两片折转反射镜，前组透镜一1是一片凸面向物方的弯月形硅正透镜，变倍镜2是一片双凹硅负透镜，其第二面为非球面衍射面，非球面系数为K＝0，A＝-3.56×10-6，B＝-8.29×10-9，衍射面系数为C1＝1.05×10-4，C2＝4.37×10-8，补偿镜3是一片双凸锗正透镜，调焦镜4是一片凸面向像方的弯月形硅负透镜，其第一面是非球面，非球面系数为A＝3.77×10-7，B＝-2.55×10-10，C＝1.79×10-13，反射镜一5是折转45°的K9平面玻璃，后组透镜一6是一片平凸硅正透镜，其第二面是非球面，非球面系数为A＝-6.82×10-7，B＝9.62×10-9，后组透镜二7是一片凸面向像方的弯月形锗负透镜，后组透镜三9是一片凸面向物方的弯月形硅正透镜，反射镜二9是折转45°的K9平面玻璃。
进一步地，口径最大的前组透镜一两面都采用球面设计，避免使用非球面设计，加工工艺简单，降低成本，精度容易得到保证。
进一步地，镜头采用二次成像的结构形式，不仅满足100％冷光阑效率，并且能够压缩前组透镜口径；采用两片折转反射镜对光路进行U型折转，压缩系统的横向和纵向尺寸，体积小，结构紧凑。
进一步地，沿光轴方向，变倍镜2第一面顶点距离前组透镜一1第二面顶点的距离为49mm～98mm，变倍镜2第二面顶点距离补偿镜3第一面顶点的距离为110mm～7mm，补偿镜3第二面顶点距离调焦镜4第一面顶点的距离为19.8mm～73.8mm，光学系统变焦曲线平滑无拐点，适于加工和装调。
进一步地，本发明实施例中，前组透镜一1第一面顶点沿光路方向和反射镜一6的距离为261mm，反射镜一6和反射镜二9沿光路的距离为76.15mm，反射镜二9与像面相距53.5mm。
本发明较佳实施例中，超大变倍比50×连续变焦中波红外光学系统中各个光学结构的具体参数如下表1所示。
表1光学系统的具体参数
Figure BDA0002274596650000061
图2为本发明的光学系统短焦二维图，变倍镜和补偿镜位于图1实线位置，焦距13.2mm。
图3为本发明的光学系统中焦二维图，变倍镜和补偿镜相对运动，位于实线和虚线位置之间，焦距320mm。
图4为本发明的光学系统长焦二维图，变倍镜和补偿镜位于图1虚线位置，焦距665mm。
图5为本发明的光学系统短焦端32lp/mm时MTF图，变倍镜和补偿镜位于图1实线位置，焦距13.2mm各视场的传递函数曲线。
图6为本发明的光学系统中焦端32lp/mm时MTF图，变倍镜和补偿镜相对运动，位于实线和虚线位置之间，320mm焦距各视场的传递函数曲线。
图7为本发明的光学系统长焦端32lp/mm时MTF图，变倍镜和补偿镜位于图1虚线位置，焦距665mm各视场的传递函数曲线。
图8为本发明的光学系统短焦端点列图，变倍镜和补偿镜位于图1实线位置，焦距13.2mm各视场的弥散斑大小。
图9为本发明的光学系统中焦端点列图，变倍镜和补偿镜相对运动，位于实线和虚线位置之间，320mm焦距各视场的弥散斑大小。
图10为本发明的光学系统长焦端点列图，变倍镜和补偿镜位于图1虚线位置，焦距665mm各视场的弥散斑大小。
本发明的焦距范围宽，变倍比大，具有更大的搜索范围和更高的细节捕获能力。焦距越小，视场越大，本发明的光学系统视场达到40゜以上，能快速的实现对目标的搜索，焦距越大，便于实现对目标的分辨跟踪；本发明的光学系统只使用七片透镜和两片反射镜实现50×连续变焦，镜片数量越少，透过率越高，能量越强；本发明的光学系统只采用三片非球面，且都口径不大，成本低，易于加工；本发明的系统各焦位的传函接近衍射极限，弥散斑小，且在－40℃～+70℃环境下都能够调焦清晰。
焦距越短，越容易出现冷反射，设计光学系统时就要通过控制探测器和冷屏经过透镜各个面反射后的光线成像在探测器靶面上的RMS值。本发明的连续变焦中波红外光学系统短焦只有13.2mm，容易出现鬼像，严格控制冷反射效应，即控制探测器和冷屏经过透镜各个面反射后最终呈在探测器靶面上的RMS值大小，不会出现鬼像。
光学系统的短焦过短，长焦过长，变倍比如果需要达到50倍，长短焦像差就极难校正，难以同时满足全焦段范围良好的成像质量。本发明通过建立合理的初始结构，适当复杂前固定组，为了有效的校正色差，平衡像差，在变倍镜和调焦镜上采用非球面，补偿方式采取正组补偿的形式，并且为了使光学系统达到高低温调焦效果良好的效果，通过调整调焦镜的焦距，分配光焦度，最终得到全焦距范围段都具有良好成像质量的系统。
综上，本发明的超大变倍比50×连续变焦中波红外光学系统，采用二次成像和正组补偿变焦的结构形式，二次成像组件能够压缩前组透镜口径，满足100％冷光阑效率，正组补偿的结构形式能够达到较好的成像质量，系统包括前组、后组以及两片折转反射镜，反射镜主要用来压缩尺寸。在变倍过程中，采用变倍透镜2和补偿透镜3沿光轴前后运动达到连续变焦的目的。本发明具有长焦距、小体积、轻重量和高分辨率等特点，全焦段具有良好的成像质量。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种超大变倍比50×连续变焦中波红外光学系统，其特征在于，从物方到像方依次包括前组、后组以及两片折转反射镜，其中：
前组包括共轴的前组透镜一、变倍镜、补偿镜、调焦镜，该前组还包括反射镜一，改变光路路径；
后组包括后组透镜一、后组透镜二、反射镜二、后组透镜三；
物方成像光束入射前组前组透镜一、变倍镜、补偿镜、调焦镜，在反射镜一上折转反射后一次成像，再经过后组透镜一、后组透镜二，在反射镜二上折转反射，经过后组透镜三二次成像在探测器上；
连续变焦时，变倍镜沿光轴向远离前组透镜一方向做线性运动，补偿镜向靠近前组透镜一方向做非线性运动补偿焦距变化引起的像面移动。
2.根据权利要求1所述的超大变倍比50×连续变焦中波红外光学系统，其特征在于，前组透镜一为凸面向物方的弯月形硅正透镜，变倍镜为双凹硅负透镜，补偿镜为双凸锗正透镜，调焦镜为凸面向像方的弯月形硅负透镜，后组透镜一为平凸硅正透镜，后组透镜二为凸面向像方的弯月形锗负透镜，后组透镜三为凸面向物方的弯月形硅正透镜，反射镜一和反射镜二均为折转45°的平面反射镜。
3.根据权利要求1所述的超大变倍比50×连续变焦中波红外光学系统，其特征在于，该光学系统的镜头焦距范围为13.2mm~665mm，F数为5.5。
4.根据权利要求1所述的超大变倍比50×连续变焦中波红外光学系统，其特征在于，变倍镜的第二面为非球面衍射面，调焦镜的第一面、后组透镜一的第二面分别为非球面。
5.根据权利要求1所述的超大变倍比50×连续变焦中波红外光学系统，其特征在于，沿光轴方向，变倍镜第一面顶点距离前组透镜一第二面顶点的距离为49mm~98mm，变倍镜第二面顶点距离补偿镜第一面顶点的距离为110mm~7mm，补偿镜第二面顶点距离调焦镜第一面顶点的距离为19.8mm~73.8mm。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的超大变倍比50×连续变焦中波红外光学系统，其特征在于，该光学系统的变焦曲线平滑无拐点。
7.如权利要求1-5中任一项所述的超大变倍比50×连续变焦中波红外光学系统在640*512中波制冷探测器中的应用。
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