CN110716296A - 一种大靶面小型化非制冷红外连续变焦光学系统 - Google Patents

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Abstract

一种大靶面小型化非制冷红外连续变焦光学系统，包括第一弯月形正透镜、双凹负透镜、双凸正透镜、第二弯月形正透镜、第三弯月形正透镜、探测器；所述透镜采用折衍混合系统，通过各透镜光焦度的合理分配，减少了系统镜片数量、减小了系统的体积、降低了系统重量；该系统的变焦曲线平滑连续，有效避免在变焦过程中出现卡滞现象；采用轴向移动第三弯月形正透镜的方式，实现系统在‑40℃～+60℃温度范围内的像面离焦补偿及被观察物体距离变化的离焦补偿，保证对不同距离物体的清晰成像，避免了由于非制冷设计所造成的系统复杂化；本发明的大靶面小型化非制冷红外连续变焦光学系统，填补了国内适配于1024×768长波非制冷型探测器的连续变焦光学系统的空白。

Description

一种大靶面小型化非制冷红外连续变焦光学系统
技术领域
本发明涉及机载光电设备的大靶面非制冷红外光学系统领域，具体涉及一种大靶面小型化非制冷红外连续变焦光学系统。
背景技术
非制冷红外探测器具有价格低廉、体积小、重量轻、功耗低、可靠性高等优点，因此，越来越广泛应用于安防监控、车载等军事及民用领域。
当前，随着非制冷红外技术的不断进步，非制冷红外探测器也在朝着高性能、低成本两个方向突飞猛进的发展，主要用于满足军事装备中高灵敏度、高分辨率、高帧频以及替代部分制冷探测器的需要；国内非制冷红外探测器已经量产的为1024×768、像元尺寸14μm的长波非制冷红外探测器，但目前国内尚没有能够适配1024×768长波非制冷型探测器的连续变焦光学系统。
发明内容
为了克服背景技术中的不足，本发明公开了一种大靶面小型化非制冷红外连续变焦光学系统，包括第一弯月形正透镜、双凹负透镜、双凸正透镜、第二弯月形正透镜、第三弯月形正透镜、探测器；所述以上透镜采用折衍混合系统，通过不同透镜光焦度的合理分配，有效减少了系统镜片数量、减小了系统的体积、降低了系统重量；该系统的变焦曲线平滑连续，不存在突变点，可有效避免系统在变焦过程中出现卡滞现象；采用轴向微调移动第三弯月形正透镜的方式实现系统在-40℃～+60℃温度范围内的像面离焦补偿及由于被观察物体的距离变化所引起的系统离焦补偿，从而保证对不同距离物体的清晰成像，避免了由于无制冷设计所造成的系统复杂化；本发明的大靶面小型化非制冷红外连续变焦光学系统，填补了国内适配于1024×768长波非制冷型探测器的连续变焦光学系统的空白。
为了实现所述发明目的，本发明采用如下技术方案：包括第一弯月形正透镜、双凹负透镜、双凸正透镜、第二弯月形正透镜、第三弯月形正透镜、探测器；所述第一弯月形正透镜为前固定镜；所述双凹负透镜为变焦镜；所述双凸正透镜为变焦补偿镜；所述第二弯月形正透镜为后固定镜；所述第三弯月形正透镜为温度补偿镜；所述探测器为非制冷红外探测器；以上透镜及探测器依序由左至右共光轴设置；在由长焦向短焦变焦过程中，双凹负透镜向第一弯月形正透镜方向移动，双凸正透镜向第二弯月形正透镜方向移动，第一弯月形正透镜、第二弯月形正透镜位置保持原位；第三弯月形正透镜在光轴上微调移动，用于系统在-40℃～+60℃温度范围内的像面离焦补偿、及由于被观察物体的距离变化所引起的系统离焦补偿，从而保证对不同距离物体的清晰成像。
进一步的，在变焦过程中，双凹负透镜、双凸正透镜按照各自的运动规律沿光轴移动；双凹负透镜、双凸正透镜运动规律由凸轮控制实现，凸轮上设置的包络线为双凹负透镜、双凸正透镜运动规律曲线。
进一步的，所述第一弯月形正透镜、双凹负透镜、双凸正透镜、第二弯月形正透镜、第三弯月形正透镜的材质均为单晶锗。
进一步的，所述以上各透镜焦距需满足以下条件：
1.9≤f1/f≤2.1，-0.9≤f2/f≤-0.8，2.25≤f3/f≤2.45，5.0≤f4/f≤5.2，1.25≤f5/f≤1.35；
其中：f为光学系统短焦状态的焦距，
f1为第一弯月形正透镜的有效焦距，
f2为双凹负透镜的有效焦距，
f3为双凸正透镜的有效焦距，
f4为第二弯月形正透镜的有效焦距，
f5为第三弯月形正透镜的有效焦距。
进一步的，所述第一弯月形正透镜入光侧、双凹负透镜出光侧、第三弯月形正透镜入光侧表面均采用偶次非球面面型。
进一步的，所述第一弯月形正透镜入光侧、双凹负透镜出光侧、第三弯月形正透镜入光侧的面型方程为：
Figure BDA0002253768820000031
其中，z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距非球面顶点的距离矢高，c为曲率，c＝1/R，R表示透镜表面的曲率半径，r为垂直光轴方向的径向坐标，k为二次曲线常数，A为四阶非球面系数、B六阶非球面系数、C为八阶非球面系数、D为十阶非球面系数。
进一步的，所述第二弯月形正透镜入光侧采用衍射非球面面型，非球面上设置有衍射光栅，其面型方程为：
其中，z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距非球面顶点的距离矢高，c为曲率，c＝1/R，R表示透镜表面的曲率半径，r为垂直光轴方向的径向坐标，k为二次曲线常数，A为四阶非球面系数、B六阶非球面系数、C为八阶非球面系数；HOR为衍射级次，C1、C2、C3为衍射面系数，λ0为设计中心波长；n为第三弯月形正透镜的折射率，n0为空气折射率。
进一步的，在第三弯月形正透镜与探测器之间设置有红外探测器窗口保护玻璃。
由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下有益效果：本发明公开的一种大靶面小型化非制冷红外连续变焦光学系统，包括第一弯月形正透镜、双凹负透镜、双凸正透镜、第二弯月形正透镜、第三弯月形正透镜、探测器；所述透镜采用折衍混合系统，通过不同透镜光焦度的合理分配，有效减少了系统镜片数量、减小了系统的体积、降低了系统重量；该系统的变焦曲线平滑连续，不存在突变点，可有效避免系统在变焦过程中出现卡滞现象；采用轴向移动第三弯月形正透镜的方式实现系统在-40℃～+60℃温度范围内的像面离焦补偿、及由于被观察物体的距离变化所引起的系统离焦补偿，从而保证对不同距离物体的清晰成像，避免了由于无热化设计所造成的系统复杂化；本发明的大靶面小型化非制冷红外连续变焦光学系统，填补了国内适配于1024×768长波非制冷型探测器的连续变焦光学系统的空白。
附图说明
图1、为光学系统在长焦状态时的光路图；
图2、为光学系统在中焦状态时的光路图；
图3、为光学系统在短焦状态时的光路图；
图4、光学系统在长焦状态时的传递函数图；
图5、光学系统在中焦状态时的传递函数图；
图6、光学系统在短焦状态时的传递函数图；
图7、光学系统在长焦状态时的点列图；
图8、光学系统在中焦状态时的点列图；
图9、光学系统在短焦状态时的点列图；
图10、光学系统在长焦状态时的场曲、畸变图；
图11、光学系统在中焦状态时的场曲、畸变图；
图12、光学系统在短焦状态时的场曲、畸变图；
图13、光学系统变焦曲线图；
图14、光学系统的轴外相对照度图。
图中：1、第一弯月形正透镜；2、双凹负透镜；3、双凸正透镜；4、第二弯月形正透镜；5、第三弯月形正透镜；6、红外探测器窗口保护玻璃；7、探测器。
具体实施方式
通过下面的实施例可以详细的解释本发明，公开本发明的目的旨在保护本发明范围内的一切技术改进。
一种大靶面小型化非制冷红外连续变焦光学系统，包括第一弯月形正透镜1、双凹负透镜2、双凸正透镜3、第二弯月形正透镜4、第三弯月形正透镜5、探测器7；所述第一弯月形正透镜1为前固定镜；所述双凹负透镜2为变焦镜；所述双凸正透镜3为变焦补偿镜；所述第二弯月形正透镜4为后固定镜；所述第三弯月形正透镜5为温度补偿镜；所述探测器7为非制冷红外探测器；所述以上透镜及探测器7依序由左至右共光轴设置；在由长焦向短焦变焦过程中，双凹负透镜2向第一弯月形正透镜1方向移动，双凸正透镜3向第二弯月形正透镜4方向移动，第一弯月形正透镜1、第二弯月形正透镜4位置保持原位；第三弯月形正透镜5在光轴上左右微调移动，用于系统在-40℃～+60℃温度范围内的像面离焦补偿、及由于被观察物体的距离变化所引起的系统离焦补偿，从而保证对不同距离物体的清晰成像。
在变焦过程中，双凹负透镜2、双凸正透镜3按照各自的运动规律沿光轴移动；双凹负透镜2、双凸正透镜3运动规律由凸轮控制实现，凸轮上设置的包络线为双凹负透镜2、双凸正透镜3运动规律曲线。
所述第一弯月形正透镜1、双凹负透镜2、双凸正透镜3、第二弯月形正透镜4、第三弯月形正透镜5的材质均为单晶锗；
所述以上各透镜焦距需满足以下条件：
1.9≤f1/f≤2.1，-0.9≤f2/f≤-0.8，2.25≤f3/f≤2.45，5.0≤f4/f≤5.2，1.25≤f5/f≤1.35；
其中：f为光学系统短焦状态的焦距，
f1为第一弯月形正透镜1的有效焦距，
f2为双凹负透镜2的有效焦距，
f3为双凸正透镜3的有效焦距，
f4为第二弯月形正透镜4的有效焦距，
f5为第三弯月形正透镜5的有效焦距；
所述第一弯月形正透镜1入光侧、双凹负透镜2出光侧、第三弯月形正透镜5入光侧表面均采用偶次非球面面型；
所述第一弯月形正透镜1入光侧、双凹负透镜2出光侧、第三弯月形正透镜5入光侧的面型方程为：
Figure BDA0002253768820000061
其中，z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距非球面顶点的距离矢高，c为曲率，c＝1/R，R表示透镜表面的曲率半径，r为垂直光轴方向的径向坐标，k为二次曲线常数，A为四阶非球面系数、B六阶非球面系数、C为八阶非球面系数、D为十阶非球面系数；
所述第二弯月形正透镜4入光侧采用衍射非球面面型，非球面上设置有衍射光栅，衍射光栅通过在非球面基底上利用金刚石车削加工出连续浮雕结构形成；其面型方程为：
Figure BDA0002253768820000062
其中，z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距非球面顶点的距离矢高，c为曲率，c＝1/R，R表示透镜表面的曲率半径，r为垂直光轴方向的径向坐标，k为二次曲线常数，A为四阶非球面系数、B六阶非球面系数、C为八阶非球面系数；HOR为衍射级次，C1、C2、C3为衍射面系数，λ0为设计中心波长；n为第三弯月形正透镜的折射率，n0为空气折射率；
在第三弯月形正透镜5与探测器7之间设置有红外探测器窗口保护玻璃6。
基于以上大靶面小型化非制冷红外连续变焦光学系统的各光学镜片和器件配置、光路设计、光学镜片焦距及各镜片面型的设计准则的技术特征，给出了以下较佳的具体实施例：
该系统实现的具体技术指标见表1：
Figure BDA0002253768820000071
表1
其中，F#(光学系统F数)计算公式为f/D，f为光学系统的焦距，D为入射光瞳直径。
本发明的光学系统在焦距为30mm～90mm时的详细数据见表2：
Figure BDA0002253768820000072
表2列出了各透镜的面型、曲率半径、厚度、口径、材料；其中，透镜的曲率半径、厚度、口径的单位为mm，重量的单位为g，球面及非球面的曲率半径指的是透镜表面与光轴交点处的曲率半径。其中，表2中的“表面序号”是沿光线传播方向计数，如第一弯月形正透镜1的光束入射面为序号S1，光束出射面为序号S2，其它镜面序号以此类推；表2中的“半径”表示该面的曲率半径，其正负断定原则是：以该面与主光轴的交点作为起点，该面的曲面中心作为终点；若连线方向与光线传播方向相同则为正，反之为负；若该面为平面，该面曲率半径为无穷大；表2中的“厚度”给出了相邻两个面在光轴上的距离；其正负判定原则是：以当前面顶点作为起点，下一面顶点作为终点；若连线方向与光线传播方向相同则为正，反之为负；若两个面之间的材料为红外材料，则该厚度表示透镜厚度，若两个面之间的没有材料，则表示两个透镜之间的空间间隔；表2中的“口径”是各个光学元件的直径值；
本发明第一弯月形正透镜1入光侧表面S2、双凹负透镜2出光侧表面S3、第三弯月形正透镜5入光侧表面S9的非球面系数见表3：
Figure BDA0002253768820000081
本发明第二弯月形正透镜4入光侧表面S7的衍射非球面系数见表4：
Figure BDA0002253768820000082
经过光学设计软件仿真，选用像元尺寸为14μm，像素数为1024×768的非制冷探测器对应空间频率为36lp/mm时，长焦、中焦及短焦状态下的传递函数均大于0.3，具体见图4、图5、图6；光学系统弥散斑直径与探测器像元尺寸相当，在长焦、中焦及短焦状态下的点列图具体见图7、图8、图9；光学系统在长焦、中焦状态时畸变均小于1.5％，在短焦状态时畸变小于4.5％，具体见图10、图11、图12；光学系统的变焦曲线图见图13，横坐标为连续变焦光学系统的焦距，纵坐标为变倍组和补偿组相对于前固定组的轴向距离，由图可见，该系统的变焦曲线平滑连续，不存在突变点，可保证光学系统在变焦过程中始终清晰成像，同时有效避免系统在变焦过程中出现卡滞现象；光学系统的轴外相对照度图见图14，由图可见，该系统在长焦及短焦状态下，边缘视场的相对照度均大于90％。
大靶面小型化非制冷红外连续变焦光学系统在工作时，具体光线传输过程如下：由物面反射自然光所发出的光线经第一弯月形正透镜1会聚后到达双凹负透镜2，经双凹负透镜2发散后到达双凸正透镜3，经双凸正透镜3会聚后到达第二弯月形正透镜4，经第二弯月形正透镜4会聚后到达第三弯月形正透镜5，经第三弯月形正透镜5会聚后穿过探测器窗口保护玻璃6，最终成像在探测器7。
大靶面小型化非制冷红外连续变焦光学系统在工作时，通过轴向移动双凹负透镜2及双凸正透镜3实现光学系统焦距的改变，当双凹负透镜2靠近第一弯月形正透镜1、双凸正透镜3靠近第二弯月形正透镜4时，光学系统处于短焦、大视场状态；在由大视场到小视场变化过程中，所述双凹负透镜2向像方方向移动、双凸正透镜3向物方方向移动；当双凹负透镜2与双凸正透镜3距离达到最近时光学系统处于长焦、小视场状态；通过轴向移动第三弯月形正透镜5的方式实现系统在-40℃～+60℃温度范围内的像面离焦补偿、及由于被观察景物的距离变化所引起的系统离焦补偿，从而保证对不同距离物体的清晰成像
本发明未详述部分为现有技术。

Claims (8)

1.一种大靶面小型化非制冷红外连续变焦光学系统，其特征是：包括第一弯月形正透镜(1)、双凹负透镜(2)、双凸正透镜(3)、第二弯月形正透镜(4)、第三弯月形正透镜(5)、探测器(7)；所述第一弯月形正透镜(1)为前固定镜；所述双凹负透镜(2)为变焦镜；所述双凸正透镜(3)为变焦补偿镜；所述第二弯月形正透镜(4)为后固定镜；所述第三弯月形正透镜(5)为温度补偿镜；所述探测器(7)为非制冷红外探测器；所述以上透镜及探测器(7)依序由左至右共光轴设置；在由长焦向短焦变焦过程中，双凹负透镜(2)向第一弯月形正透镜(1)方向移动，双凸正透镜(3)向第二弯月形正透镜(4)方向移动，第一弯月形正透镜(1)、第二弯月形正透镜(4)位置保持原位。
2.根据权利要求1所述大靶面小型化非制冷红外连续变焦光学系统，其特征是：在变焦过程中，双凹负透镜(2)、双凸正透镜(3)按照各自的运动规律沿光轴移动；双凹负透镜(2)、双凸正透镜(3)运动规律由凸轮控制实现，凸轮上设置的包络线为双凹负透镜(2)、双凸正透镜(3)运动规律曲线。
3.根据权利要求1所述大靶面小型化非制冷红外连续变焦光学系统，其特征是：所述第一弯月形正透镜(1)、双凹负透镜(2)、双凸正透镜(3)、第二弯月形正透镜(4)、第三弯月形正透镜(5)的材质均为单晶锗。
4.根据权利要求1所述大靶面小型化非制冷红外连续变焦光学系统，其特征是：所述以上各透镜焦距需满足以下条件：
1.9≤f1/f≤2.1，-0.9≤f2/f≤-0.8，2.25≤f3/f≤2.45，5.0≤f4/f≤5.2，1.25≤f5/f≤1.35；
其中：f为光学系统短焦状态的焦距，
f1为第一弯月形正透镜(1)的有效焦距，
f2为双凹负透镜(2)的有效焦距，
f3为双凸正透镜(3)的有效焦距，
f4为第二弯月形正透镜(4)的有效焦距，
f5为第三弯月形正透镜(5)的有效焦距。
5.根据权利要求1所述大靶面小型化非制冷红外连续变焦光学系统，其特征是：所述第一弯月形正透镜(1)入光侧、双凹负透镜(2)出光侧、第三弯月形正透镜(5)入光侧表面均采用偶次非球面面型。
6.根据权利要求5所述大靶面小型化非制冷红外连续变焦光学系统，其特征是：所述第一弯月形正透镜(1)、双凹负透镜(2)、第三弯月形正透镜(5)入光侧的面型方程为：
Figure FDA0002253768810000021
其中，z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距非球面顶点的距离矢高，c为曲率，c＝1/R，R表示透镜表面的曲率半径，r为垂直光轴方向的径向坐标，k为二次曲线常数，A为四阶非球面系数、B六阶非球面系数、C为八阶非球面系数、D为十阶非球面系数。
7.根据权利要求1所述大靶面小型化非制冷红外连续变焦光学系统，其特征是：所述第二弯月形正透镜(4)入光侧采用衍射非球面面型，非球面上设置有衍射光栅，其面型方程为：
其中，z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距非球面顶点的距离矢高，c为曲率，c＝1/R，R表示透镜表面的曲率半径，r为垂直光轴方向的径向坐标，k为二次曲线常数，A为四阶非球面系数、B六阶非球面系数、C为八阶非球面系数；HOR为衍射级次，C1、C2、C3为衍射面系数，λ0为设计中心波长；n为第三弯月形正透镜的折射率，n0为空气折射率。
8.根据权利要求1所述大靶面小型化非制冷红外连续变焦光学系统，其特征是：在第三弯月形正透镜(5)与探测器(7)之间设置有红外探测器窗口保护玻璃(6)。
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