CN110794559B - 一种大远摄比红外连续变焦光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种大远摄比红外连续变焦光学系统，按光路走向从物方到像方依次设置光焦度为正的前固定透镜组G1、光焦度为负的单透镜变倍组G2、光焦度为正的单透镜补偿组G3、光焦度为正的后固定透镜组G4；本发明基于机械补偿法光学变焦原理，前固定透镜组采用多片高折射率光学透镜，承担整个光学系统的主要光焦度，压缩了光路的轴向尺寸，同时采用三个折转反射镜对光路进行空间Z型折叠进一步优化了光学系统的空间布局，实现了大远摄比，远摄比达到0.26。并通过采用非球面、衍射面的设计，降低了整个光学系统在全变焦范围内的高级像差、轴上点与轴外点像差、细光束与宽光束像差，在全视场和全孔径内获得满意的像质。
Description
技术领域
本发明属于光学技术领域，涉及一种大远摄比红外连续变焦光学系统。
背景技术
红外连续变焦热像仪是一种焦距可连续变化、而像面位置保持稳定并且在变焦过程中像质保持良好的成像系统。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。而红外连续变焦热像仪可以连续改变系统焦距，因此，可以在像面上得到连续改变大小的目标像，对于光电探测及侦察、跟踪等都非常有利。
远摄比是指镜头的轴向长度与其焦距的比值，一般镜头的远摄比≥1。通常的红外连续变焦镜头由于覆盖较宽的变焦段，造成整个光学镜头轴向尺寸过长，远摄比在0.8～1.2之间，需要通过平面反射镜折转光路以缩短轴向尺寸，这就造成宽度方向尺寸过大，难以满足高变倍比、大远摄比的实际使用需求。而随着大远摄比红外连续变焦光学系统在导航、搜索、侦察等军用、警用领域的应用需求越来越广泛，有必要提出一种构型紧凑、成像质量优的大远摄比红外连续变焦光学系统。
发明内容
本发明提出一种大远摄比红外连续变焦光学系统，基于机械补偿法光学变焦原理，前固定透镜组采用多片高折射率光学透镜，承担整个光学系统的主要光焦度，压缩了光路的轴向尺寸，同时采用三个折转反射镜对光路进行空间Z型折叠进一步优化了光学系统的空间布局，实现了大远摄比，远摄比达到0.26。并通过采用非球面、衍射面的设计，降低了整个光学系统在全变焦范围内的高级像差、轴上点与轴外点像差、细光束与宽光束像差，在全视场和全孔径内获得满意的像质。
本发明的技术方案为：
所述一种大远摄比红外连续变焦光学系统，其特征在于：按光路走向从物方到像方依次设置光焦度为正的前固定透镜组G1、光焦度为负的单透镜变倍组G2、光焦度为正的单透镜补偿组G3、光焦度为正的后固定透镜组G4；所述后固定透镜组G4中包括空间折叠反射镜L42、空间折叠反射镜L44和空间折叠反射镜L45，实现对光路的空间Z型折叠；通过单透镜变倍组G2和单透镜补偿组G3作相对轴上移动，完成连续变焦成像。
进一步的优选方案，系统第一光学面到最后一光学面的轴向空间长度为143mm，远摄比为0.26。
进一步的优选方案，其中所述前固定透镜组G1包含从物方到像方方向顺序设置的正光焦度弯月透镜L11、负光焦度弯月透镜L12、负光焦度弯月透镜L13；所述单透镜变倍组G2采用负光焦度双凹透镜L21；所述单透镜补偿组G3采用正光焦度双凸透镜L31；所述后固定透镜组G4包含从物方到像方方向顺序设置的负光焦度弯月透镜L41、空间折叠反射镜L42、负光焦度弯月透镜L43、空间折叠反射镜L44、空间折叠反射镜L45、正光焦度弯月透镜L46、负光焦度弯月透镜L47。
进一步的优选方案，光学系统参数为：
透镜L11的入射面和出射面均为球面，入射面半径100.9mm，出射面半径226.9mm，厚度11.35mm；透镜L11材料采用硅；透镜L11出射面与透镜L12入射面距离11.8mm；
透镜L12的入射面为非球面，半径181.8mm，出射面为球面，半径155.4mm，厚度为4mm；透镜L12材料采用锗；透镜L12出射面与透镜L13入射面距离1mm；
透镜L13的入射面为球面，半径89.8mm，出射面为非球面+衍射面，半径76.7mm，衍射级为+1，厚度5.16mm；透镜L13材料采用锗；透镜L13出射面与透镜L21入射面距离随焦距变化而从10.08mm～41.36mm变化；
透镜L21的入射面为球面，半径-113.6mm，出射面为非球面+衍射面，半径61.3614mm，衍射级为+1，厚度2.5mm；透镜L21材料采用锗；透镜L21出射面与透镜L31入射面距离随焦距变化而从54.41mm～5.19mm变化；
透镜L31的入射面为非球面，半径100.3mm，出射面为球面，半径-94.52mm，厚度为4.43mm；透镜L31材料为硅；透镜L31出射面与透镜L41入射面距离随焦距变化而从6mm～23.94mm变化；
透镜L41的入射面为非球面，半径-17.15mm，出射面为球面，半径-23mm，厚度2.5mm；透镜L41材料采用硅；透镜L41出射面与反射镜L42反射面距离13.23mm；
反射镜L42反射面与透镜L43入射面距离为11.37mm；
透镜L43的入射面为非球面+衍射面，半径265.6mm，衍射级+1，出射面为球面，半径139.6mm，厚度10mm；透镜L43材料为锗；透镜L43出射面与反射镜L44反射面距离9mm；
反射镜L44反射面与反射镜L45反射面距离为26.5mm；
反射镜L45反射面与透镜L46入射面距离为6.5mm；
透镜L46的入射面和出射面为球面，入射面半径为-10.6mm，出射面半径为-7.71mm，厚度6mm；透镜L46材料为氟化钙；透镜L46出射面与透镜L47入射面距离1.22mm；
透镜L47的入射面为非球面，半径-9.1mm，出射面为球面，半径-12.26mm，厚度2.84mm；透镜L47材料为硅。
有益效果
本发明的优点是：
1大远摄比
前固定透镜组采用多片高折射率光学透镜，承担整个光学系统的主要光焦度，压缩了光路的轴向尺寸，同时采用三个折转反射镜对光路进行空间Z型折叠进一步优化了光学系统的空间布局，远摄比达到0.26。
2构型紧凑
整个光学系统轴向长度短，仅为143mm，比同类光学系统长度缩短了近60％。
3成像质量优
采用非球面、衍射面设计，使得连续变焦光学系统设计的自由度变大，光学系统优化设计可选择的变量增多，使得光学系统像差设计易于达到优良结果，获得优良像质。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明现有技术光路示意图；
图2为本发明560mm焦距光路三维示意图；
图3为本发明560mm焦距光路右视图；
其中，G1—前固定透镜组，由透镜L11、透镜L12、透镜L13组成；G2—变倍透镜组，由透镜L21组成；G3—补偿透镜组，由透镜L31组成；G5—后固定透镜组，由透镜L41、空间折叠反射镜L42、透镜L43、空间折叠反射镜L44、空间折叠反射镜L45、透镜L46、透镜L47组成。
图4为本发明560mm焦距光路顶视图；
图5为本发明40mm焦距光路三维示意图；
图6为本发明560mm焦距光路MTF图；
图7为本发明40mm焦距光路MTF图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
请参阅图2～7，本发明提出的一种大远摄比红外连续变焦光学系统按光路走向包括从物方到像方依次共轴设置的光焦度为正的前固定透镜组G1、光焦度为负的变倍透镜组G2、光焦度为正的补偿透镜组G3、光焦度为正的后固定透镜组G4以及探测器的像面。
变倍透镜组G2、补偿透镜组G3在变焦距过程中以一定规律相对运动，实现镜头变焦过程中高清晰成像。
如上所述的大远摄比红外连续变焦光学系统构型，前固定透镜组G1包含从物方到像方方向顺序共轴设置的正光焦度弯月透镜L11、负光焦度弯月透镜L12、负光焦度弯月透镜L13；变倍透镜组G2采用负光焦度双凹透镜L21；补偿透镜组G3采用正光焦度双凸透镜L31；后固定透镜组G4包含从物方到像方方向顺序共轴设置的负光焦度弯月透镜L41、空间折叠反射镜L42、负光焦度弯月透镜L43、空间折叠反射镜L44、空间折叠反射镜L45、正光焦度弯月透镜L46、负光焦度弯月透镜L47。后固定透镜组G4的空间折叠反射镜L42、空间折叠反射镜L44、空间折叠反射镜L45实现了对光路的空间Z型折叠。
本发明中的工作波长：3μm～5μm，变焦范围为40mm～560㎜，远摄比0.26；系统采用二次成像的方式；系统第一光学面到最后一光学面的轴向空间长度为143mm。F数：5.5；全视场内畸变≤5％。其适用的探测器为像素数640×480、像素大小15μm或像素数320×240、像素大小30μm的中波红外焦平面探测器。
具体数据如下表所示：
其中非球面方程为：
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：
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。
此外，上表中，曲率半径是指每个表面的曲率半径，间隔是指两相邻表面间的距离，举例来说，表面S1的间隔，即表面S1至表面S2间的距离。而D12表示前固定透镜组G1、变倍透镜组G2之间距离；D23表示变倍透镜组G2、补偿透镜组G3之间距离；D34表示补偿透镜组G3、后固定透镜组G4之间距离。
| 焦距(mm) | D12(mm) | D23(mm) | D34(mm) |
| 40 | 10.08 | 54.41 | 6 |
| 560 | 41.36 | 5.19 | 23.94 |
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (3)
1.一种大远摄比红外连续变焦光学系统，其特征在于：按光路走向从物方到像方依次设置光焦度为正的前固定透镜组G1、光焦度为负的单透镜变倍组G2、光焦度为正的单透镜补偿组G3、光焦度为正的后固定透镜组G4；所述后固定透镜组G4中包括空间折叠反射镜L42、空间折叠反射镜L44和空间折叠反射镜L45，实现对光路的空间Z型折叠；通过单透镜变倍组G2和单透镜补偿组G3作相对轴上移动，完成连续变焦成像；
所述前固定透镜组G1包含从物方到像方方向顺序设置的正光焦度弯月透镜L11、负光焦度弯月透镜L12、负光焦度弯月透镜L13；所述单透镜变倍组G2采用负光焦度双凹透镜L21；所述单透镜补偿组G3采用正光焦度双凸透镜L31；所述后固定透镜组G4包含从物方到像方方向顺序设置的负光焦度弯月透镜L41、空间折叠反射镜L42、负光焦度弯月透镜L43、空间折叠反射镜L44、空间折叠反射镜L45、正光焦度弯月透镜L46、负光焦度弯月透镜L47。
2.根据权利要求1所述一种大远摄比红外连续变焦光学系统，其特征在于：系统第一光学面到最后一光学面的轴向空间长度为143mm，远摄比为0.26。
3.根据权利要求1所述一种大远摄比红外连续变焦光学系统，其特征在于：光学系统参数为：
透镜L11的入射面和出射面均为球面，入射面半径100.9mm，出射面半径226.9mm，厚度11.35mm；透镜L11材料采用硅；透镜L11出射面与透镜L12入射面距离11.8mm；
透镜L12的入射面为非球面，半径181.8mm，出射面为球面，半径155.4mm，厚度为4mm；透镜L12材料采用锗；透镜L12出射面与透镜L13入射面距离1mm；
透镜L13的入射面为球面，半径89.8mm，出射面为非球面+衍射面，半径76.7mm，衍射级为+1 ，厚度5.16mm；透镜L13材料采用锗；透镜L13出射面与透镜L21入射面距离随焦距变化而从10.08mm~41.36mm变化；
透镜L21的入射面为球面，半径-113.6mm，出射面为非球面+衍射面，半径61.3614mm，衍射级为+1，厚度2.5mm；透镜L21材料采用锗；透镜L21出射面与透镜L31入射面距离随焦距变化而从54.41mm~5.19mm变化；
透镜L31的入射面为非球面，半径100.3mm，出射面为球面，半径-94.52mm，厚度为4.43mm；透镜L31材料为硅；透镜L31出射面与透镜L41入射面距离随焦距变化而从6mm~23.94mm变化；
透镜L41的入射面为非球面，半径-17.15mm，出射面为球面，半径-23mm，厚度2.5mm；透镜L41材料采用硅；透镜L41出射面与反射镜L42反射面距离13.23mm；
反射镜L42反射面与透镜L43入射面距离为11.37mm；
透镜L43的入射面为非球面+衍射面，半径265.6mm，衍射级+1，出射面为球面，半径139.6mm，厚度10mm；透镜L43材料为锗；透镜L43出射面与反射镜L44反射面距离9mm；
反射镜L44反射面与反射镜L45反射面距离为26.5mm；
反射镜L45反射面与透镜L46入射面距离为6.5mm；
透镜L46的入射面和出射面为球面，入射面半径为-10.6mm，出射面半径为-7.71mm，厚度6mm；透镜L46材料为氟化钙；透镜L46出射面与透镜L47入射面距离1.22mm；
透镜L47的入射面为非球面，半径-9.1mm，出射面为球面，半径-12.26mm，厚度2.84mm；透镜L47材料为硅。
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