CN112230405B - 一种消除冷像的红外大视场无前固定组变焦距光学系统 - Google Patents

一种消除冷像的红外大视场无前固定组变焦距光学系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种消除冷像的红外大视场无前固定组变焦距光学系统，光学系统构型的核心是取消了通常机械补偿法变焦光路中的前固定透镜组，从而消除了由前固定透镜组产生的对各个变焦位置冷像的影响。光学系统由变倍透镜组、补偿透镜组、固定透镜组、二次成像透镜组以及探测器组成。消除冷像的红外大视场无前固定组变焦距光学系统构型设计,基于无前固定组机械补偿变焦距原理及近轴光学系统理论计算分析，确定了光学系统的构型，通过光学结构参数优化、像差平衡以及采用非球面来校正光学系统的像差，使像质达到最优。

Description

一种消除冷像的红外大视场无前固定组变焦距光学系统
技术领域
本发明属于光学技术领域，涉及一种消除冷像的红外大视场无前固定组变焦距光学系统。
背景技术
根据需要观察的目标的远近距离不同，光电观察与监控系统通常需要光学系统具备多个焦距，分别用于不同距离目标的探测、识别以及大范围的监控。变焦距热像仪可以改变光学系统的焦距，因此，可以在像面上得到不同大小的目标像，对于光电观察与监控都非常有利。
由于高性能红外热像仪通常采用制冷型探测器，在系统设计时要考虑冷反射效应，否则会对成像效果产生严重影响。国内外红外变焦距热像仪的实现方式，大多数采用轴向变焦的方式，该方式各个变焦位置共用同一个物镜做为入射光线的接收窗口。这种构型在设计时，共用物镜的冷反射强度对不同视场的贡献是不同的，设计中难以同时兼顾各个视场的冷反射强度达到系统的容限，通常会造成大视场冷反射效应严重、难以消除，严重影响大视场的成像质量及观察效果。对于红外大视场变焦距光学系统而言，这种成像缺陷是难以接受的。
目前，国内外通常采取电校正的方法来改善或减弱冷反射的强度，弥补或减弱其对图像的不良影响，但这种方法只能针对特定变焦位置，不能兼顾整个变焦范围，并且随着温度、场景的变化，校正效果会出现退化，严重影响成像质量。
变焦距光学系统通常基于机械补偿法变焦原理进行光路构型的设计，光路由前固定透镜组、变倍透镜组、补偿透镜组以及后固定透镜组组成。结合红外变焦距光学系统冷像产生的主要原因是由于共用物镜组即前固定透镜组产生的，本发明详细介绍了一种消除冷像的红外大视场无前固定组变焦距光学系统构型，在整个变焦范围内均不产生冷像，解决了红外大视场变焦光学系统的冷像问题。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种消除冷像的红外大视场无前固定组变焦距光学系统，取消了通常机械补偿法变焦光路中的前固定透镜组，从而消除了由前固定透镜组产生的对各个变焦位置冷像的影响。光学系统由变倍透镜组、补偿透镜组、固定透镜组、二次成像透镜组以及探测器组成。设计中通过采用非球面降轴上点与轴外点像差、细光束与宽光束像差，在全变焦位置全视场、全孔径内获得满意的像质。
技术方案
一种消除冷像的红外大视场无前固定组变焦距光学系统，其特征在于包括依次排列的变倍透镜组1、补偿透镜组2、固定透镜组3、二次成像透镜组4和探测器5；当变倍透镜组1与补偿透镜组2的光学间隔为d11、补偿透镜组2与固定透镜组3的光学间隔为d12时，变倍透镜组1、补偿透镜组2、固定透镜组3、二次成像透镜组4、探测器5构成消除冷像的红外大视场无前固定组变焦距光学系统变焦位置Ⅰ光路；当变倍透镜组1与补偿透镜组2的光学间隔为d21、补偿透镜组2与固定透镜组3的光学间隔为d22时，变倍透镜组1、补偿透镜组2、固定透镜组3、二次成像透镜组4、探测器5构成消除冷像的红外大视场无前固定组变焦距光学系统变焦位置Ⅱ光路；当变倍透镜组1与补偿透镜组2的光学间隔为d31、补偿透镜组2与固定透镜组3的光学间隔为d32时，变倍透镜组1、补偿透镜组2、固定透镜组3、二次成像透镜组4、探测器5构成消除冷像的红外大视场无前固定组变焦距光学系统变焦位置Ⅲ光；当变倍透镜组1与补偿透镜组2的光学间隔为d41、补偿透镜组2与固定透镜组3的光学间隔为d42时，变倍透镜组1、补偿透镜组2、固定透镜组3、二次成像透镜组4、探测器5构成消除冷像的红外大视场无前固定组变焦距光学系统变焦位置Ⅳ光路；所述d11为157.25mm；所述d21为85.24mm；所述d31为55.50mm；所述d41为2mm；所述d12为35.91mm；所述d22为45.74mm；所述d32为54.3 9mm；所述d42为102.28mm。
所述探测器为像素数320×256、640×480、1280×1024，像素大小适用于12μm、15μm、30μm的焦平面探测器。
所述探测器适用波长：3μm～5μm、8μm～12μm。
所述各光学参数为：
参数表，单位：mm
Figure GDA0003584245680000031
Figure GDA0003584245680000041
所述变倍透镜组1和固定透镜组3采用单晶锗。
所述补偿透镜组2和二次成像透镜组4采用单晶硅。
光学系统变焦范围焦距为15㎜～80㎜，变倍比5.3倍；光学系统总长度小于285mm；光学系统F数为4或5.5；全视场内畸变≤3％。
有益效果
本发明提出的一种消除冷像的红外大视场无前固定组变焦距光学系统，光学系统构型的核心是取消了通常机械补偿法变焦光路中的前固定透镜组，从而消除了由前固定透镜组产生的对各个变焦位置冷像的影响。光学系统由变倍透镜组、补偿透镜组、固定透镜组、二次成像透镜组以及探测器组成。消除冷像的红外大视场无前固定组变焦距光学系统构型设计,基于无前固定组机械补偿变焦距原理及近轴光学系统理论计算分析，确定了光学系统的构型，通过光学结构参数优化、像差平衡以及采用非球面来校正光学系统的像差，使像质达到最优。
本发明的技术效果是：
1无冷像
采用无前固定透镜组的变焦光路构型，从光路构型原理上消除了冷反射效应对整个变焦范围成像质量的影响。
2大视场变焦距
实现大视场范围内的场景连续变化、并且像面位置保持稳定，在变焦过程中像质保持良好。
3透过率高
由于没有前固定透镜组，光学系统的镜片数量减少，提高了光学系统的透过率。
4成像质量优
采用非球面设计使得大视场变焦距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。
附图说明
图1是本发明红外大视场无前固定组变焦距光学系统变焦位置Ⅰ光路图；
图2是本发明红外大视场无前固定组变焦距光学系统变焦位置Ⅱ光路图；
图3是本发明红外大视场无前固定组变焦距光学系统变焦位置Ⅲ光路图；
图4是本发明红外大视场无前固定组变焦距光学系统变焦位置Ⅳ光路图；
其中，1-变倍透镜组、2-补偿透镜组、3-固定透镜组、4-二次成像透镜组、5-探测器。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本发明的技术方案是：一种消除冷像的红外大视场无前固定组变焦距光学系统构型，按光路走向依次包括变倍透镜组1、补偿透镜组2、固定透镜组3、二次成像透镜组4、探测器5组成。
请参阅图1～4，本发明一种消除冷像的红外大视场无前固定组变焦距光学系统构型按光路走向包括：变倍透镜组1、补偿透镜组2、固定透镜组3、二次成像透镜组4、探测器5。
当变倍透镜组1与补偿透镜组2的光学间隔为d11、补偿透镜组2与固定透镜组3的光学间隔为d12时，变倍透镜组1、补偿透镜组2、固定透镜组3、二次成像透镜组4、探测器5构成消除冷像的红外大视场无前固定组变焦距光学系统变焦位置Ⅰ光路。
当变倍透镜组1与补偿透镜组2的光学间隔为d21、补偿透镜组2与固定透镜组3的光学间隔为d22时，变倍透镜组1、补偿透镜组2、固定透镜组3、二次成像透镜组4、探测器5构成消除冷像的红外大视场无前固定组变焦距光学系统变焦位置Ⅱ光路。
当变倍透镜组1与补偿透镜组2的光学间隔为d31、补偿透镜组2与固定透镜组3的光学间隔为d32时，变倍透镜组1、补偿透镜组2、固定透镜组3、二次成像透镜组4、探测器5构成消除冷像的红外大视场无前固定组变焦距光学系统变焦位置Ⅲ光路。
当变倍透镜组1与补偿透镜组2的光学间隔为d41、补偿透镜组2与固定透镜组3的光学间隔为d42时，变倍透镜组1、补偿透镜组2、固定透镜组3、二次成像透镜组4、探测器5构成消除冷像的红外大视场无前固定组变焦距光学系统变焦位置Ⅳ光路。
具体光学参数见下表所示，为了提高各视场的成像质量，光路中加入了非球面参与像差平衡。
无前固定组变焦距光学系统参数表(单位：mm)
Figure GDA0003584245680000061
Figure GDA0003584245680000071
非球面方程为：
Figure GDA0003584245680000072
其中：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。

Claims (6)

1.一种消除冷像的红外大视场无前固定组变焦距光学系统，其特征在于由依次排列的变倍透镜组(1)、补偿透镜组(2)、固定透镜组(3)、二次成像透镜组(4)和探测器(5)构成，所述变倍透镜组(1)、补偿透镜组(2)、固定透镜组(3)、二次成像透镜组(4)各由一片透镜构成；
当变倍透镜组(1)与补偿透镜组(2)的光学间隔为d11、补偿透镜组(2)与固定透镜组(3)的光学间隔为d12时，变倍透镜组(1)、补偿透镜组(2)、固定透镜组(3)、二次成像透镜组(4)、探测器(5)构成消除冷像的红外大视场无前固定组变焦距光学系统变焦位置Ⅰ光路；
当变倍透镜组(1)与补偿透镜组(2)的光学间隔为d21、补偿透镜组(2)与固定透镜组(3)的光学间隔为d22时，变倍透镜组(1)、补偿透镜组(2)、固定透镜组(3)、二次成像透镜组(4)、探测器(5)构成消除冷像的红外大视场无前固定组变焦距光学系统变焦位置Ⅱ光路；
当变倍透镜组(1)与补偿透镜组(2)的光学间隔为d31、补偿透镜组(2)与固定透镜组(3)的光学间隔为d32时，变倍透镜组(1)、补偿透镜组(2)、固定透镜组(3)、二次成像透镜组(4)、探测器(5)构成消除冷像的红外大视场无前固定组变焦距光学系统变焦位置Ⅲ光路；
当变倍透镜组(1)与补偿透镜组(2)的光学间隔为d41、补偿透镜组(2)与固定透镜组(3)的光学间隔为d42时，变倍透镜组(1)、补偿透镜组(2)、固定透镜组(3)、二次成像透镜组(4)、探测器(5)构成消除冷像的红外大视场无前固定组变焦距光学系统变焦位置Ⅳ光路；
所述d11为157.25mm；所述d21为85.24mm；所述d31为55.50mm；所述d41为2mm；所述d12为35.91mm；所述d22为45.74mm；所述d32为54.3 9mm；所述d42为102.28mm。
2.根据权利要求1所述消除冷像的红外大视场无前固定组变焦距光学系统，其特征在于：所述探测器为像素数320×256、640×480、1280×1024，像素大小适用于12μm、15μm、30μm的焦平面探测器。
3.根据权利要求1或2所述消除冷像的红外大视场无前固定组变焦距光学系统，其特征在于：所述探测器适用波长：3μm～5μm、8μm～12μm。
4.根据权利要求1所述消除冷像的红外大视场无前固定组变焦距光学系统，其特征在于：所述各光学参数为：
参数表，单位：mm
Figure FDA0003584245670000021
Figure FDA0003584245670000031
5.根据权利要求1所述消除冷像的红外大视场无前固定组变焦距光学系统，其特征在于：所述变倍透镜组(1)和固定透镜组(3)采用单晶锗。
6.根据权利要求1所述消除冷像的红外大视场无前固定组变焦距光学系统，其特征在于：所述补偿透镜组(2)和二次成像透镜组(4)采用单晶硅。
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