CN110865452A - 一种机载中波制冷红外连续变焦光学系统 - Google Patents

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Abstract

一种机载中波制冷红外连续变焦光学系统，采用正组机械补偿、三次成像、连续变焦、三平面反射镜设计，减小了光学系统长度，同时具有较大的系统焦距；经光学及镜头设计，在满足系统成像质量的前提下，得到仅采用9片镜头的组合，具有透过率高、系统高灵敏度高的特点，同时有效控制了光学系统总长度；系统设置有视场光阑结构，降低了杂散光对系统成像的影响，提高了系统信噪比；采用冷光阑，且实现效率100％，提高了系统灵敏度及信噪比；通过三个平面反射镜改变系统光轴方向，缩短光学系统总长度；该红外连续变焦光学系统具有最小焦距大，成像质量高，光学总长小，变倍、补偿结构简单，信噪比、灵敏度高的优点，处于国内同类产品的领先水平。

Description

一种机载中波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吊舱红外热像仪技术领域，具体涉及一种机载中波制冷红外连续变焦光学系统。
背景技术
机载光电吊舱系统要求红外热像仪既能够实现大视场的目标搜索，又能够实现远距离目标的小视场跟踪、识别，因此红外热像仪的光学系统需要设计为变焦光学系统来实现这一功能；
连续变焦红外光学系统在变焦过程中目标图像能够始终保持清晰，能够实现变焦范围内任意视场的变换；应用在机载光电吊舱时，系统在连续变焦过程中保证不会丢失跟踪目标，而且能够根据场景和目标特征选择合适的工作视场，从而提高人机功效；
尤其是当前机载光电吊舱系统向着高集成度发展，装载光电传感器有增多趋势；国外现役的MTS-B和MX-25D可同时装载红热像仪和CCD传感器外，还可装载有低照度、日光和短波红外详查传感器(Daylight Spotter SWIR Spotter)、激光测距仪、激光照射器、激光照明器、激光指示器(Laser Pointer)、激光标识器(Laser Marker)、激光光斑跟踪器等，实现宽频谱、多波段目标探测，由于机载光电系统的体积、重量受限，因此红外热像仪及其他光电传感器在保证性能的同时，其小型化设计是必须克服的技术难题。
发明内容
为了克服背景技术中的不足，本发明公开了一种机载中波制冷红外连续变焦光学系统，采用正组机械补偿、三次成像、连续变焦设计，减小了光学系统长度，同时具有较大的系统最小焦距；经光学及镜头设计，在满足系统成像质量的前提下，得到仅采用9片镜头的组合，因此具有较高的透过率，提高了系统灵敏度，同时有效控制了光学系统总长度；采用圆柱凸轮控制变倍组、补偿组运动，具有补偿结构简单的优点；增加视场光阑结构，降低了杂散光对系统成像的影响，提高了系统信噪比；采用冷光阑，且实现效率100％，减少了光束能量损失，抑制了系统噪声，提高了系统灵敏度及信噪比；通过三个平面反射镜三次改变系统光轴方向，有效缩短光学系统总长度，特别适用于采用分体式制冷红外探测器。
为了实现所述发明目的，本发明采用如下技术方案：一种机载中波制冷红外连续变焦光学系统，采用正组机械补偿、三次成像、连续变焦设计，在实现较大最小焦距的同时，还具有较小的光学系统总长；包括前固定组、变倍组、补偿组、后固定组、红外探测器；所述前固定组包括第一弯月形正透镜、第二弯月形正透镜；所述变倍组包括双凹负透镜；所述补偿组包括第三弯月形正透镜；所述后固定组包括第四弯月形正透镜、第五弯月形负透镜、第六弯月形正透镜、第七弯月形正透镜、第八弯月形正透镜；所述前固定组、变倍组、补偿组、后固定组共计有9片光学镜头；所述前固定组、变倍组、补偿组、后固定组、红外探测器从左至右依序排列，共光轴设置；所述红外探测器为中波制冷探测器，探测器与制冷装置分离设置，红外探测器设置在第三像平面；在变焦过程中，变倍组、补偿组沿光轴反向移动，前固定组、后固定组、红外探测器保持原位。
进一步的，在变焦过程中，所述变倍组、补偿组按照不同的运动规律沿光轴移动，两者运动规律通过两个圆柱凸轮控制实现；在系统由短焦向长焦变化时，变倍组和补偿组由两侧分别向中间移动；变倍组、补偿组的运动规律通过两个圆柱凸轮控制实现；所述两个圆柱凸轮的包络线分别为变倍组、补偿组的运动规律曲线。
进一步的，所述后固定组中设置有第一平面反射镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜；所述第一平面反射镜设置在第六弯月形正透镜和第七弯月形正透镜之间；所述第二平面反射镜设置在第七弯月形正透镜之后；所述第三平面反射镜设置在第二平面反射镜之后；所述第一平面反射镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜的法线与光轴设置有45°夹角；三个平面反射镜三次改变系统光轴方向，有效缩短光学系统总长度，特别适用于采用分体式制冷红外探测器。
进一步的，所述以上各透镜焦距需满足以下条件：
230f≤f1≤231f，2.45f≤f2≤2.60f，-0.75f≤f3≤-0.6f，1.6f≤f4≤1.7f，0.95f≤f5≤1.1f，1.2f≤f6≤1.35f，0.2f≤f7≤0.3f，0.95f≤f9≤1.05f， 0.62f≤f12≤0.70f；
其中：f为光学系统短焦时的焦距，
f1为第一弯月形正透镜的有效焦距，
f2为第二弯月形正透镜的有效焦距，
f3为双凹负透镜的有效焦距，
f4为第三弯月形正透镜的有效焦距，
f5为第四弯月形正透镜的有效焦距，
f6为第五弯月形负透镜的有效焦距，
f7为第六弯月形正透镜的有效焦距，
f9为第七弯月形正透镜的有效焦距，
f12为第八弯月形正透镜的有效焦距。
进一步的，所述双凹负透镜、第五弯月形负透镜入光侧表面均采用偶次非球面面型；用于改善系统成像像差、畸变，保证成型质量。
进一步的，所述双凹负透镜入光侧的面型方程为：
Figure BDA0002220346700000031
其中：c3为双凹负透镜入光侧表面的曲率，r3为双凹负透镜入光侧表面垂直光轴方向的径向坐标，k3为双凹负透镜入光侧表面的二次曲线常数，A3为双凹负透镜入光侧表面的四阶非球面系数、B3为双凹负透镜入光侧表面的六阶非球面系数、C3为双凹负透镜入光侧表面的八阶非球面系数。
进一步的，所述第五弯月形负透镜入光侧的面型方程为：
Figure BDA0002220346700000041
其中：c6为第五弯月形负透镜入光侧表面的曲率，r6为第五弯月形负透镜入光侧表面垂直光轴方向的径向坐标，k6为第五弯月形负透镜入光侧表面的二次曲线常数，A6为第五弯月形负透镜入光侧表面的四阶非球面系数、B6为第五弯月形负透镜入光侧表面的六阶非球面系数、C6为第五弯月形负透镜入光侧表面的八阶非球面系数。
进一步的，所述第四弯月形正透镜入光侧的表面采用衍射非球面，用于改善系统成像像差、畸变及分辨率，非球面和衍射面作用于同一透镜表面；第四弯月形正透镜入光侧的面型方程为：
Figure BDA0002220346700000042
其中，c5为第四弯月形正透镜入光侧表面的曲率，r5为第四弯月形正透镜入光侧表面垂直光轴方向的径向坐标，k5为第四弯月形正透镜入光侧表面的二次曲线常数，A5为第四弯月形正透镜入光侧表面的四阶非球面系数、B5为第四弯月形正透镜入光侧表面的六阶非球面系数、C5为第四弯月形正透镜入光侧表面的八阶非球面系数；HOR为第第四弯月形正透镜入光侧表面的衍射级次，C1、C2为第四弯月形正透镜入光侧表面的衍射系数，n为第四弯月形正透镜光学材料的折射率，n0为空气的折射率，λ0为光学系统设计中心波长。
进一步的，系统还设置有视场光阑、孔径光阑；所述视场光阑设置在光学视场光阑像平面处，视场光阑用于滤除视场外杂散光，提供系统信噪比；所述孔径光阑为冷观澜，且冷观澜效率为100％，避免产生光损失；孔径观澜用于滤除系统内噪声，提高系统灵敏度和信噪比；孔径光阑设置在固定组的第八弯月形正透镜与红外探测器之间。
由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下有益效果：本发明公开了一种机载中波制冷红外连续变焦光学系统，采用正组机械补偿、三次成像、连续变焦、三平面反射镜设计，减小了光学系统长度，同时具有较大的系统最小焦距；经光学及镜头结构设计，在满足系统成像质量的前提下，得到仅采用9 片镜头的组合，因此具有较高的透过率，提高了系统灵敏度，同时有效控制了光学系统总长度；采用圆柱凸轮控制变倍组、补偿组运动，具有补偿结构简单的优点；增加视场光阑结构，降低了杂散光对系统成像的影响，提高了系统信噪比；采用冷光阑，且实现效率100％，减少了光束能量损失，提高了系统灵敏度及信噪比；通过三个平面反射镜三次改变系统光轴方向，有效缩短光学系统总长度，适用于采用分体式制冷红外探测器；该发明的连续变焦红外光学系统具有成像质量高，光学总长小，变倍、补偿结构简单，信噪比、灵敏度高的优点，满足了对光学系统体积、重量、成像质量都有严苛要求的机载光电吊舱系统的需求，处于国内同类产品的领先水平。
附图说明
图1为该光学系统焦距为40mm时的光路图；
图2为该光学系统焦距为240mm时的光路图；
图3为该光学系统焦距为400mm时的光路图；
图4为该光学系统焦距为400mm时的传递函数图；
图5为该光学系统焦距为240mm时的传递函数图；
图6为该光学系统焦距为40mm时的传递函数图；
图7为该光学系统焦距为400mm时的点列图；
图8为该光学系统焦距为240mm时的点列图；
图9为该光学系统焦距为40mm时的点列图；
图10为该光学系统衍射元件相位周期与径向距离的关系示意图。
图中：1、第一弯月形正透镜；2、第二弯月形正透镜；3、双凹负透镜；4、第三弯月形正透镜；5、第四弯月形正透镜；6、第五弯月形负透镜；7、第六弯月形正透镜；8、第一平面反射镜；9、第七弯月形正透镜；10、第二平面反射镜； 11、第三平面反射镜；12、第八弯月形正透镜；13、红外探测器。
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。
一种机载中波制冷红外连续变焦光学系统，采用正组机械补偿、三次成像、连续变焦设计；包括前固定组、变倍组、补偿组、后固定组、红外探测器13；所述前固定组包括第一弯月形正透镜1、第二弯月形正透镜2；所述变倍组包括双凹负透镜3；所述补偿组包括第三弯月形正透镜4；所述后固定组包括第四弯月形正透镜5、第五弯月形负透镜6、第六弯月形正透镜7、第七弯月形正透镜9、第八弯月形正透镜12；所述前固定组、变倍组、补偿组、后固定组共计有9片光学镜头；所述前固定组、变倍组、补偿组、后固定组、红外探测器13从左至右依序排列，共光轴设置；所述红外探测器13为中波制冷探测器，红外探测器 13设置在第三像平面；在变焦过程中，变倍组、补偿组沿光轴反向移动，前固定组、后固定组、红外探测器13保持原位；系统还设置有视场光阑、孔径光阑；所述视场光阑设置在光学视场光阑像平面处；所述孔径光阑为冷观澜，孔径光阑设置在固定组的第八弯月形正透镜12与红外探测器13之间；
在变焦过程中，所述变倍组、补偿组按照不同的运动规律沿光轴移动，两者运动规律通过两个凸轮控制实现；所述两个凸轮的包络线分别为变倍组、补偿组的运动规律曲线；
所述后固定组中设置有第一平面反射镜8、第二平面反射镜10、第三平面反射镜11；所述第一平面反射镜8设置在第六弯月形正透镜7和第七弯月形正透镜9之间；所述第二平面反射镜10设置在第七弯月形正透镜9之后；所述第三平面反射镜11设置在第二平面反射镜10之后；所述第一平面反射镜8、第二平面反射镜10、第三平面反射镜11的法线与光轴设置有45°夹角；
所述以上各透镜焦距需满足以下条件：
230f≤f1≤231f，2.45f≤f2≤2.60f，-0.75f≤f3≤-0.6f，1.6f≤f4≤1.7f，0.95f≤f5≤1.1f，1.2f≤f6≤1.35f，0.2f≤f7≤0.3f，0.95f≤f9≤1.05f， 0.62f≤f12≤0.70f；
其中：f为光学系统短焦时的焦距，
f1为第一弯月形正透镜1的有效焦距，
f2为第二弯月形正透镜2的有效焦距，
f3为双凹负透镜3的有效焦距，
f4为第三弯月形正透镜4的有效焦距，
f5为第四弯月形正透镜5的有效焦距，
f6为第五弯月形负透镜6的有效焦距，
f7为第六弯月形正透镜7的有效焦距，
f9为第七弯月形正透镜9的有效焦距，
f12为第八弯月形正透镜12的有效焦距。
所述双凹负透镜3、第五弯月形负透镜6入光侧表面均采用偶次非球面面型；
所述双凹负透镜3入光侧的面型方程为：
Figure BDA0002220346700000071
其中：c3为双凹负透镜3入光侧表面的曲率，r3为双凹负透镜3入光侧表面垂直光轴方向的径向坐标，k3为双凹负透镜3入光侧表面的二次曲线常数，A3为双凹负透镜3入光侧表面的四阶非球面系数、B3为双凹负透镜3入光侧表面的六阶非球面系数、C3为双凹负透镜3入光侧表面的八阶非球面系数。
所述第五弯月形负透镜6入光侧的面型方程为：
Figure BDA0002220346700000072
其中：c6为第五弯月形负透镜6入光侧表面的曲率，r6为第五弯月形负透镜6 入光侧表面垂直光轴方向的径向坐标，k6为第五弯月形负透镜6入光侧表面的二次曲线常数，A6为第五弯月形负透镜6入光侧表面的四阶非球面系数、B6为第五弯月形负透镜6入光侧表面的六阶非球面系数、C6为第五弯月形负透镜 6入光侧表面的八阶非球面系数。
所述第四弯月形正透镜5入光侧的表面采用衍射非球面，非球面和衍射面作用于同一透镜表面；第四弯月形正透镜5入光侧的面型方程为：
Figure BDA0002220346700000081
其中，c5为第四弯月形正透镜5入光侧表面的曲率，r5为第四弯月形正透镜5 入光侧表面垂直光轴方向的径向坐标，k5为第四弯月形正透镜5入光侧表面的二次曲线常数，A5为第四弯月形正透镜5入光侧表面的四阶非球面系数、B5为第四弯月形正透镜5入光侧表面的六阶非球面系数、C5为第四弯月形正透镜 5入光侧表面的八阶非球面系数；HOR为第第四弯月形正透镜5入光侧表面的衍射级次，C1、C2为第四弯月形正透镜5入光侧表面的衍射系数，n为第四弯月形正透镜5光学材料的折射率，n0为空气的折射率，λ0为光学系统设计中心波长。
基于以上机载中波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等技术特征，结合该系统实现的具体技术指标，给出了以下较佳的具体实施例：
具体技术指标：
波段：3.7μm～4.8μm；相对孔径：1:5.5；焦距：40mm～400mm；像面尺寸： 19.2×15.4；
表1列出根据本发明的光学系统在焦距为40mm～400mm时实施例的详细数据，其包含各透镜的面型、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；
Figure BDA0002220346700000091
Figure BDA0002220346700000101
表1
表2列出根据本发明的双凹负透镜3入光侧表面的非球面系数；
Figure BDA0002220346700000102
表2
表3列出根据本发明的第五弯月形正透镜6朝向像方一侧表面的非球面系数；
Figure BDA0002220346700000103
表3
表4列出根据本发明的第四弯月形正透镜5入光侧的衍射非球面系数；
Figure BDA0002220346700000104
表4
机载中波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会聚后到达第二弯月形正透镜2，经第二弯月形正透镜2会聚后到达双凹负透镜3，经双凹负透镜3发散后到达第三弯月形正透镜4，经第三弯月形正透镜4会聚后到达第四弯月形正透镜5，经第四弯月形正透镜5会聚后到达第五弯月形正透镜6，经第五弯月形正透镜6会聚后到达第六弯月形正透镜7，经第六弯月形正透镜7会聚后到达第一平面反射镜8，经第一平面反射镜8反射后到达第七弯月形正透镜9，经第七弯月形正透镜9会聚后到达第二平面反射镜10，经第二平面反射镜10反射后到达第三平面反射镜11，经第三平面反射镜11反射后到达第八弯月形正透镜12，经第八弯月形正透镜12会聚后成像在红外探测器13。
机载中波制冷红外连续变焦光学系统在工作时，变倍组、补偿组运动规律如下：光学系统在短焦时，变倍组靠近物方位置、补偿组靠近像方位置；在从短焦到长焦变化过程中，变倍组和补偿组由两边位置分别向中间移动；变倍组沿光轴的运动实现焦距变化，补偿组沿光轴的运动补偿变倍组移动所引起的像面离焦，从而实现变焦全过程的清晰成像。
本发明未详述部分为现有技术。

Claims (9)

1.一种机载中波制冷红外连续变焦光学系统，其特征是：系统采用正组机械补偿、三次成像、连续变焦设计；包括前固定组、变倍组、补偿组、后固定组、红外探测器(13)；所述前固定组包括第一弯月形正透镜(1)、第二弯月形正透镜(2)；所述变倍组包括双凹负透镜(3)；所述补偿组包括第三弯月形正透镜(4)；所述后固定组包括第四弯月形正透镜(5)、第五弯月形负透镜(6)、第六弯月形正透镜(7)、第七弯月形正透镜(9)、第八弯月形正透镜(12)；所述前固定组、变倍组、补偿组、后固定组共计有9片光学镜头；所述前固定组、变倍组、补偿组、后固定组、红外探测器(13)从左至右依序排列，共光轴设置；所述红外探测器(13)为中波制冷探测器，红外探测器(13)设置在第三像平面；在变焦过程中，变倍组、补偿组沿光轴反向移动，前固定组、后固定组、红外探测器(13)保持原位。
2.根据权利要求1所述机载中波制冷红外连续变焦光学系统，其特征是：在变焦过程中，所述变倍组、补偿组按照不同的运动规律沿光轴移动，两者运动规律通过两个凸轮控制实现；所述两个凸轮的包络线分别为变倍组、补偿组的运动规律曲线。
3.根据权利要求1所述机载中波制冷红外连续变焦光学系统，其特征是：所述后固定组中设置有第一平面反射镜(8)、第二平面反射镜(10)、第三平面反射镜(11)；所述第一平面反射镜(8)设置在第六弯月形正透镜(7)和第七弯月形正透镜(9)之间；所述第二平面反射镜(10)设置在第七弯月形正透镜(9)之后；所述第三平面反射镜(11)设置在第二平面反射镜(10)之后；所述第一平面反射镜(8)、第二平面反射镜(10)、第三平面反射镜(11)的法线与光轴设置45°夹角。
4.根据权利要求1所述机载中波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：
230f≤f1≤231f，2.45f≤f2≤2.60f，-0.75f≤f3≤-0.6f，1.6f≤f4≤1.7f，0.95f≤f5≤1.1f，1.2f≤f6≤1.35f，0.2f≤f7≤0.3f，0.95f≤f9≤1.05f，0.62f≤f12≤0.70f；
其中：f为光学系统短焦时的焦距，
f1为第一弯月形正透镜(1)的有效焦距，
f2为第二弯月形正透镜(2)的有效焦距，
f3为双凹负透镜(3)的有效焦距，
f4为第三弯月形正透镜(4)的有效焦距，
f5为第四弯月形正透镜(5)的有效焦距，
f6为第五弯月形负透镜(6)的有效焦距，
f7为第六弯月形正透镜(7)的有效焦距，
f9为第七弯月形正透镜(9)的有效焦距，
f12为第八弯月形正透镜(12)的有效焦距。
5.根据权利要求1所述机载中波制冷红外连续变焦光学系统，其特征是：所述双凹负透镜(3)、第五弯月形负透镜(6)入光侧表面均采用偶次非球面面型。
6.根据权利要求5所述机载中波制冷红外连续变焦光学系统，其特征是：所述双凹负透镜(3)入光侧的面型方程为：
Figure FDA0002220346690000021
其中：c3为双凹负透镜(3)入光侧表面的曲率，r3为双凹负透镜(3)入光侧表面垂直光轴方向的径向坐标，k3为双凹负透镜(3)入光侧表面的二次曲线常数，A3为双凹负透镜(3)入光侧表面的四阶非球面系数、B3为双凹负透镜(3)入光侧表面的六阶非球面系数、C3为双凹负透镜(3)入光侧表面的八阶非球面系数。
7.根据权利要求5所述机载中波制冷红外连续变焦光学系统，其特征是：所述第五弯月形负透镜(6)入光侧的面型方程为：
Figure FDA0002220346690000031
其中：c6为第五弯月形负透镜(6)入光侧表面的曲率，r6为第五弯月形负透镜(6)入光侧表面垂直光轴方向的径向坐标，k6为第五弯月形负透镜(6)入光侧表面的二次曲线常数，A6为第五弯月形负透镜(6)入光侧表面的四阶非球面系数、B6为第五弯月形负透镜(6)入光侧表面的六阶非球面系数、C6为第五弯月形负透镜(6)入光侧表面的八阶非球面系数。
8.根据权利要求1所述机载中波制冷红外连续变焦光学系统，其特征是：所述第四弯月形正透镜(5)入光侧的表面采用衍射非球面，非球面和衍射面作用于同一透镜表面；第四弯月形正透镜(5)入光侧的面型方程为：
Figure FDA0002220346690000032
其中，c5为第四弯月形正透镜(5)入光侧表面的曲率，r5为第四弯月形正透镜(5)入光侧表面垂直光轴方向的径向坐标，k5为第四弯月形正透镜(5)入光侧表面的二次曲线常数，A5为第四弯月形正透镜(5)入光侧表面的四阶非球面系数、B5为第四弯月形正透镜(5)入光侧表面的六阶非球面系数、C5为第四弯月形正透镜(5)入光侧表面的八阶非球面系数；HOR为第第四弯月形正透镜(5)入光侧表面的衍射级次，C1、C2为第四弯月形正透镜(5)入光侧表面的衍射系数，n为第四弯月形正透镜(5)光学材料的折射率，n0为空气的折射率，λ0为光学系统设计中心波长。
9.根据权利要求4所述机载中波制冷红外连续变焦光学系统，其特征是：系统还设置有视场光阑、孔径光阑；所述视场光阑设置在光学视场光阑像平面处；所述孔径光阑为冷观澜，孔径光阑设置在固定组的第八弯月形正透镜(12)与红外探测器(13)之间。
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