CN111443472B - 一种长焦距高变倍比中波红外连续变焦光学系统 - Google Patents

一种长焦距高变倍比中波红外连续变焦光学系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种长焦距高变倍比中波红外连续变焦光学系统，该系统包括同光轴依次设置的具有正光焦度的前固定组，具有负光焦度的第一补偿组，具有负光焦度的变倍组，具有正光焦度的第二补偿组，具有正光焦度的后固定组；制冷探测器；第一补偿组、变倍组、第二补偿组可沿光轴分别作前后非线性移动实现焦距的连续变化。本发明采用负组变倍结合负组补偿且补偿在前变倍在后的设计方案实现长焦距高变倍比光学系统的小型化设计，镜片数目少、透过率高，光机结构紧凑。

Description

一种长焦距高变倍比中波红外连续变焦光学系统
技术领域
本发明属于变焦距光学成像系统技术领域，特别涉及一种结构紧凑、大口径、高变倍比的连续变焦制冷型中波红外光学成像系统。
背景技术
变焦距光学系统可以实现对不同距离或者观察视场内的目标物体跟踪成像，能够有效提高对目标的探测识别概率。变焦的结构形式有分档变焦和连续变焦两种形式。公开文献中的红外变焦光学系统大多为分档变焦形式，该结构在变焦过程中存在视场不连续问题，容易造成目标的丢失。长焦距且F数较小的中波红外变焦距光学系统多采用制冷型探测器结合二次成像的结构形式用以减小镜片口径的大小。文献CN108020911中展示了30倍变焦、F数为2、焦距10mm～300mm的中波红外连续变焦光学系统，使用了8片透镜；文献CN102879890中展示了焦距为100mm～300mm的中波红外连续变焦光学系统，使用了10片透镜；文献US7961382B2中展示了一视场1.25°～38°的中波红外连续变焦光学系统，使用了11片透镜。上述这些中波连续变焦红外系统均存在长焦距但变倍比小或者高变倍比但焦距短、镜片数目过多造成系统透过率低、变倍和补偿镜组移动行程长等问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种长焦距高变倍比中波红外连续变焦光学系统该系统镜片数量少、透过率高、结构紧凑。
为了解决上述技术问题，本发明的长焦距高变倍比中波红外连续变焦光学系统包括同光轴依次设置的具有正光焦度的前固定组，具有负光焦度的变倍组，具有正光焦度的第二补偿组，具有正光焦度的后固定组；其特征在于还包括具有负光焦度的第一补偿组和制冷探测器；第一补偿组设置在前固定组与变倍组之间；制冷探测器设置在后固定组的后方；第一补偿组、变倍组、第二补偿组可沿光轴分别作前后非线性移动实现焦距的连续变化。
所述的前固定组包括一个聚光镜。
所述的前固定组还可以包括第一透镜和第二透镜；第一透镜、第二透镜和聚光镜沿光轴依次设置。
所述的前固定组、第一补偿组、变倍组、第二补偿组和后固定组中各透镜均采用物侧面为凸面、像侧面为凹面的弯月镜。
所述的前固定组、第一补偿组、变倍组、第二补偿组和后固定组中各透镜的光学表面均镀有高透过率膜层。
所述的第一透镜采用硅材料，第二透镜采用锗材料，聚光镜采用硅材料，第一补偿组采用锗材料；变倍组采用硅材料，第二补偿组采用硅材料，后固定组采用硅材料。
所述的第一透镜和聚光镜的物侧面为非球面，像侧面为球面。
所述的前固定组中各透镜表面均采用高次非球面。
所述的前固定组中的第二透镜表面采用衍射面。
所述的变倍组的透镜表面采用衍射面。
本发明的中波红外变焦光学系统采用制冷型红外探测器结合二次成像光学结构实现100％冷光阑效率的同时减小聚焦正透镜的通光口径；采用负组变倍结合负组补偿且补偿在前变倍在后的设计方案实现长焦距高变倍比光学系统的小型化设计；采用具有正光焦度的前固定组实现光束口径的压缩，从而减轻光学系统的体积和重量。利用具有负光焦度的变倍组的前后线性移动实现焦距的连续变化，利用具有负光焦度的补偿组和具有正光焦度的补偿组的非线性移动，且变倍组和补偿组分别控制移动的方式，实现光学系统像质补偿和高低温环境中离焦的补偿。本发明的光学系统使用的镜片数目少、透过率高，且容易获得更紧凑的光机结构。
本发明的前固定组采用了扩束成像结构，当前固定组仅采用具有正光焦度且口径较小的聚光镜时，该变焦光学系统的变焦范围变短，可满足分辨率要求较低的系统需求。
发明的效果
本发明的有益效果为：本发明的中波红外连续变焦光学系统采用七片透镜实现了长短焦距光学系统中光路的二次成像，透过率高；变焦过程中F数恒定，冷光阑效率100％，像面稳定，可在32mm～650mm范围内连续变焦，且全范围内具有良好的像质。变倍组和补偿组的最大移动量小于50mm，光学系统总长小于220mm，变焦曲线平滑无拐点，光机系统结构紧凑易于装调实现。与现有技术相比，该长焦距高变倍系统透过率高、变倍行程短、分辨率高。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1是本发明的理想模型示意图。
图2a、2b、2c、2d、2e分别是本发明在焦距为f＝32mm、f＝200mm、f＝320mm、f＝400mm、f＝650mm时的光学系统理想模型示意图。
图3是本发明的长焦距光学系统结构示意图。
图4是本发明的短焦距光学系统结构示意图。
图5是变倍组和补偿组位移示意图。
图6是长焦距光学系统调制传递函数曲线。
图7是短焦距光学系统调制传递函数曲线。
图中：1.前固定组；11.扩束镜组；111.第一扩束透镜；112.第二扩束透镜；2.第一补偿组；3.变倍组；4.第二补偿组；5.后固定组；6.制冷探测器；61.窗口；62.光阑；63.焦平面。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
如图1所示，本发明的长焦距高变倍比中波红外连续变焦光学系统包括同光轴依次设置的具有正光焦度的前固定组1，具有负光焦度的第一补偿组2，具有负光焦度的变倍组3，具有正光焦度的第二补偿组4，具有正光焦度的后固定组5和制冷探测器6。
实施例1
本发明的长焦距高变倍比中波红外连续变焦光学系统焦距32mm～650mm，F数为4，设计波长3μm～5μm，采用硅和锗材料的透镜组合实现光学系统的消色差设计。
如图3和图4所示，本发明的长焦距高变倍比中波红外连续变焦光学系统由沿光轴方向依次布置的前固定组1、第一补偿组2、变倍组3、第二补偿组4、后固定组5和制冷探测器6组成；各光学表面均镀有高透过率膜层。其中前固定组1由扩束镜组11和聚光镜12组成，扩束镜组11由具有正光焦度的第一透镜111和具有负光焦度的第二透镜112组合实现长焦距结构中通光口径的压缩；第一透镜111采用硅材料，第二透镜112采用锗材料；聚光镜12采用硅材料，可实现光束通光口径的再次压缩；第一补偿组2具有负光焦度，采用锗材料；变倍组3具有负光焦度，采用硅材料；第一补偿组2和变倍组3可分别在一维位移机构的带动下沿光轴作非线性移动，实现光学系统从长焦距到短焦距的变化。其中一维位移机构可采用凸轮结构的一维位移机构或者现有技术中其他结构形式的一维位移机构)。第二补偿组4为正光焦度，采用硅材料；光束口径压缩后的入射光经第二补偿组4一次成像后传递至后固定组5，而后进入制冷探测器6；后固定组5具有正光焦度，采用硅材料；第二补偿组4又称调焦补偿组，可在一维位移机构的带动下沿光轴作非线性移动，除了具有配合变倍组3实现变焦过程中像质补偿和减小移动行程的功能外，还可以在焦平面位置不变的前提下用作光学系统高低温工作环境中像面离焦的主动补偿。制冷探测器6由沿光轴依次布置的窗口61、光阑62和焦平面63组成。第一透镜111、第二透镜112、聚光镜12、第一补偿组2、变倍组3、第二补偿组4和后固定组5均采用物侧面为凸面、像侧面为凹面的弯月镜。第二补偿组4和后固定组5应远离一次像面，从而减小中波红外光学系统中移动组的冷反射效应。
本实施例为实现光学系统紧凑和高透过率的目标，采用了七片由硅、锗材料偶次非球面透镜消像差并减小冷反射效应。
偶次非球面面型定义：
Figure BDA0002497238000000051
其中：
Figure BDA0002497238000000052
R为透镜非球面表面曲率半径；
y为孔径高度；
K，A，B，C为非球面系数；
Z为曲面沿光轴方向的矢高。
表1为本实施例各透镜的基本面型参数。其中硅材料的前固定组1的第一透镜111和聚光镜12采用物侧面为非球面、像侧面为球面的设计方案，可以提升系统的可加工性。在大口径硬质基底材料非球面加工能力允许的情况下，前固定组1的各透镜和变倍组3所用透镜也可以采用高次非球面(包括偶次非球面和奇次非球面)的设计方法，从而更好的改善变焦系统的像质。前固定组1中锗材料的透镜可采用衍射面，变倍组的锗材料透镜也可采用衍射面，以提升全变焦范围内的像质。表2为第一补偿组2、变倍组3和第二补偿组4在长短焦距状态下的位移量。
本实施例各透镜基本面型参数(单位mm)见表1。
表1
Figure BDA0002497238000000061
本实施例变倍组和补偿组的位移(单位mm)见表2。
表2
长焦距 短焦距
位移量_1 35.5 10.5
位移量_2 16.72 48.05
位移量_3 41.87639579839 46.16731744462
由图6、图7可看出，本实施例在长焦距和短焦距范围内均具有良好的像质。
实施例2
本实施例与实施例1不同之处在于前固定组1仅采用一片聚光镜12。当去掉扩束镜组11后，余下的光学系统焦距变短，焦距范围16mm至325mm，变倍比不变。可以用作短焦距大视场等要求的场合。
本发明不限于上述实施例，其中具有正光焦度的透镜还可以采用双凸透镜或者平凸透镜；具有负光焦度的透镜还可以采用双凹透镜或者平凹透镜。各透镜还可以采用可工作于中波、红外波段的其他光学材料。各透镜表面还可以均采用球面设计。

Claims (7)

1.一种长焦距高变倍比中波红外连续变焦光学系统，包括同光轴依次设置的具有正光焦度的前固定组(1)，具有负光焦度的变倍组(3)，具有正光焦度的第二补偿组(4)，具有正光焦度的后固定组(5)；其特征在于还包括具有负光焦度的第一补偿组(2)和制冷探测器(6)；第一补偿组(2)设置在前固定组(1)与变倍组(3)之间；制冷探测器(6)设置在后固定组( 5) 的后方；第一补偿组(2)、变倍组(3)、第二补偿组(4)可沿光轴分别作前后非线性移动实现焦距的连续变化；所述的前固定组(1)包括一个聚光镜(12)、第一透镜(111)和第二透镜(112)；第一透镜(111)、第二透镜(112)和聚光镜(12)沿光轴依次设置；所述的第一透镜(111)采用硅材料，第二透镜(112)采用锗材料，聚光镜(12)采用硅材料，第一补偿组(2)采用锗材料；变倍组(3)采用硅材料，第二补偿组(4)采用硅材料，后固定组(5)采用硅材料；各透镜基本面型参数见下表，单位为mm；
Figure FDA0003312053700000011
2.根据权利要求1所述的长焦距高变倍比中波红外连续变焦光学系统，其特征在于所述的前固定组(1)、第一补偿组(2)、变倍组(3)、第二补偿组(4)和后固定组(5)中各透镜均采用物侧面为凸面、像侧面为凹面的弯月镜。
3.根据权利要求1所述的长焦距高变倍比中波红外连续变焦光学系统，其特征在于所述的前固定组(1)、第一补偿组(2)、变倍组(3)、第二补偿组(4)和后固定组(5)中各透镜的光学表面均镀有高透过率膜层。
4.根据权利要求1所述的长焦距高变倍比中波红外连续变焦光学系统，其特征在于所述的第一透镜(111)和聚光镜(12)的物侧面为非球面，像侧面为球面。
5.根据权利要求1所述的长焦距高变倍比中波红外连续变焦光学系统，其特征在于所述的前固定组(1)中各透镜表面均采用高次非球面。
6.根据权利要求1所述的长焦距高变倍比中波红外连续变焦光学系统，其特征在于所述的前固定组(1)中的第二透镜(112)表面采用衍射面。
7.根据权利要求6所述的长焦距高变倍比中波红外连续变焦光学系统，其特征在于所述的变倍组(3)的透镜表面采用衍射面。
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