CN112346228A - 基于复合式变焦超大变倍比红外连续变焦光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于复合式变焦超大变倍比红外连续变焦光学系统,沿光轴方向从物方到像方依次有:连续变焦组和二级变倍组;连续变焦组沿光轴方向从物方到像方依次包括主物镜组、次物镜组、一级变倍组、补偿组、固定组;二级变倍组沿光轴方向从物方到像方依次包括第一后组透镜、第二后组透镜和第三后组透镜;当一级变倍组与补偿组相距最远时,光学系统处于短焦;当一级变倍组与补偿组相距最近时,光学系统处于长焦;来自物方的光束经过连续变焦组会聚在固定组与第一后组透镜之间;第一后组透镜、第二后组透镜和第三后组透镜将连续变焦组所成的像最终成像在探测器靶面上。本发明超大变倍比连续变焦紧凑小型化设计,系统像质良好,成像清晰。

Description

基于复合式变焦超大变倍比红外连续变焦光学系统
技术领域
本发明涉及光学领域,尤其涉及一种基于复合式变焦超大变倍比红外连续变焦光学系统。
背景技术
近年来,红外热成像技术得到了飞速发展,由于其具备众多优良特点,如被动接收红外辐射,隐蔽性高、不会被敌方电子干扰;精度高;图像易于观察等,在军事、车载、测温、电力巡线、边界安防等领域得到广泛应用,尤其在军事领域有着广泛应用。红外光学系统通过收集外界红外辐射能力并将其最终聚焦在探测器靶面上,是红外热像仪的重要组成部分。红外光学系统大致可分为定焦、两档、多档和连续变焦等形式。连续变焦光学系统可以实现大视场搜索以及小视场跟踪或识别,在变焦过程中可以保持观测目标持续变大或变小,使用上有着较大优势,因此,连续变焦光学系统在光电观测设备上有着较大的应用前景。
当变焦距光学系统的变倍比达到80倍以上时,采用传统的正负两组元机械补偿连续变焦设计方法,其设计难度将会骤增。一方面是由于超大变倍比连续变焦光学系统长短焦的像差分布会发生较大变化,一般只能采取放宽系统长度尺寸或增加透镜数量等方法来优化平衡光学像差,这样会导致镜头尺寸庞大、光学透过率低等问题;另一方面是因为当连续变焦光学系统的变倍比很大时,系统长短焦的入瞳位置也会变化较大,这将导致光学系统前几片透镜口径过大,进而将增加光学系统的外形尺寸。
发明内容
针对现有技术中超大变倍比连续变焦光学系统设计,若采用传统连续变焦设计方法,将会面临镜头尺寸庞大、光学透过率低等问题,本发明提供了一种超大变倍比连续变焦紧凑小型化的基于复合式变焦超大变倍比红外连续变焦光学系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
提供一种基于复合式变焦超大变倍比红外连续变焦光学系统,其特征在于,沿光轴方向从物方到像方依次有:连续变焦组和二级变倍组;
所述连续变焦组沿光轴方向从物方到像方依次包括主物镜组、次物镜组、一级变倍组、补偿组、固定组;
二级变倍组沿光轴方向从物方到像方依次包括第一后组透镜、第二后组透镜和第三后组透镜;
其中一级变倍组、补偿组及二级变倍组可沿光轴方向发生轴向移动进行变焦,在变焦过程中,一级变倍组与二级变倍组的运动方向相同,补偿组与一级变倍组、二级变倍组的运动方向相反;当一级变倍组与补偿组相距最远时,光学系统处于短焦;当一级变倍组与补偿组相距最近时,光学系统处于长焦;
来自物方的光束经过连续变焦组会聚在固定组与第一后组透镜之间;第一后组透镜、第二后组透镜和第三后组透镜将连续变焦组所成的像最终成像在探测器靶面上。
接上述技术方案,该光学系统光圈F数为5.5,波段为3.7~4.8μm,焦距为12~1000mm。
接上述技术方案,主物镜组、次物镜组、一级变倍组、补偿组、固定组、第一后组透镜、第二后组透镜和第三后组透镜各包含1片透镜。
接上述技术方案,主物镜组、次物镜组、一级变倍组、补偿组、固定组的光焦度分配为正—负—负—正—正结构。
接上述技术方案,主物镜组、次物镜组、一级变倍组、补偿组、固定组的透镜材料分别为硅、锗、锗、硅、锗。
接上述技术方案,主物镜组为球面透镜,次物镜组、补偿组、固定组为非球透镜,一级变倍组为非球面衍射面透镜。
接上述技术方案,第一后组透镜、第二后组透镜和第三后组透镜的光焦度为负—正—正结构。
接上述技术方案,第一后组透镜、第二后组透镜和第三后组透镜的透镜材料分别为锗、硅、硅。
接上述技术方案,第一后组透镜、第三后组透镜为非球面透镜;第二后组透镜为球面透镜。
本发明产生的有益效果是:本发明的光学系统由一级变倍组和二级变倍组两级变焦结构串联而成,一级变倍组主要承担变倍作用,二级变倍镜组具有变倍放大功能。该光学系统采用复合式变焦设计方法,有效地缩减了镜头长度、宽度方向尺寸,极大的简化结构及缩短整体尺寸,实现了83倍的超大变倍比连续变焦紧凑小型化设计,镜头长度仅不到400mm,镜头远摄比小于0.36,系统像质良好,成像清晰。该连续变焦光学系统包含的镜片数量少,光学透过率高,利于远距离弱辐射目标探测。
进一步地,该光学系统采用非球面、衍射面等特殊面型,光学系统仅包含8片透镜,系统像质良好,成像清晰,光学透过率高,能大大提升镜头目标探测能力。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明,附图中:
图1为本发明光学系统光路结构示意图;
图2为本发明12mm短焦端的光学系统示意图;
图3为本发明1000mm长焦端的光学系统示意图;
图4为本发明12mm短焦端的成像传函图;
图5为本发明1000mm长焦端的成像传函图。
图1中:A—变焦物镜组、B—二次成像后组;1—前固定组、2—变倍组、3—补偿组、4—第一后组透镜、5—第二后组透镜、6—第三后组透镜;7—探测器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
如图1-图3所示,本发明实施例的基于复合式变焦超大变倍比红外连续变焦光学系统,沿光轴方向从物方到像方依次有:连续变焦组A和二级变倍组B;所述连续变焦组A包括主物镜组1、次物镜组2、一级变倍组3、补偿组4、固定组5;二级变倍组B包括第一后组透镜6、第二后组透镜7和第三后组透镜8。一级变倍组3主要承担变倍作用,二级变倍组B具有变倍放大功能。该光学系统通过二级变倍,采用复合式变焦设计方法,有效地缩减了镜头长度、宽度方向尺寸,极大的简化结构及缩短整体尺寸,实现了83倍的超大变倍比连续变焦紧凑小型化设计,镜头长度仅不到400mm,镜头远摄比小于0.36,系统像质良好,成像清晰。复合式变焦结构由前一级变倍组和后组二级变倍组两级变焦结构串联而成,一级变倍组主要承担变倍作用,二级变倍组兼具变倍放大功能。通过二个独立变倍组的二级串联,极大地缩短变焦行程,有效提升系统变倍比,从而实现超大变倍比、超紧凑连续变焦光学系统设计。
一级变倍组3、补偿组4、二级变倍组B可以沿光轴方向发生轴向移动,用于实现变焦。一级变倍组3、补偿组4、二级变倍组B的变焦行程为凸轮曲线。在变焦过程中,一级变倍组3与二级变倍组B的运动方向相同,补偿组4与一级变倍组3、二级变倍组B的运动方向相反。当一级变倍组3与补偿组4相距最远,此时光学系统处于短焦。当一级变倍组3与补偿组4相距最近,此时光学系统处于长焦。补偿组可做为调焦组,具有高低温环境调焦及近距离成像调焦功能。来自物方的光线经过连续变焦组A,会聚在固定组5与第一后组透镜6之间;第一后组透镜6、第二后组透镜7和第三后组透镜8将连续变焦组A所成的像最终成像在探测器靶面上。本发明的光学系统,其光圈F数为5.5,波段为3.7~4.8μm,焦距为12~1000mm,镜头总长可缩小到不到400mm,本发明实施例中为356mm。
主物镜组1、次物镜组2、一级变倍组3、补偿组4、固定组5、第一后组透镜6、第二后组透镜7和第三后组透镜8各为1片,总共有8片透镜。主物镜组1、次物镜组2、一级变倍组3、补偿组4、固定组5的光焦度分配为正—负—负—正—正结构。主物镜组1、次物镜组2、一级变倍组3、补偿组4、固定组5的透镜材料分别为硅、锗、锗、硅、锗。所述的主物镜组1为球面透镜,次物镜组2、补偿组4、固定组5为非球透镜,一级变倍组3为非球面衍射面透镜,用于校正像差,缩减系统尺寸。第一后组透镜6、第二后组透镜7和第三后组透镜8的光焦度为负—正—正结构。第一后组透镜6、第二后组透镜7和第三后组透镜8的透镜材料分别为锗、硅、硅。第一后组透镜6和第三后组透镜8该两个透镜为非球面透镜、第二后组透镜7为球面透镜,用于校正前组剩余像差,提升系统成像质量。
本发明基于复合式变焦超大变倍比红外连续变焦光学系统采用二次成像的结构形式,二次成像组件能够压缩前组透镜口径,该光学系统的孔径光阑刚好位于探测器的冷光阑处,能够满足100%冷光阑效率,从而避免外界杂散光照射在探测器靶面上,提高成像质量,并本发明的光学系统的像面即为探测器靶面。且使用镜片数量少,光学透过率高,利于远距离弱辐射目标探测。
应当理解的是,对本领域普通技术人员来说,可以根据上述说明加以改进或变换,而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于复合式变焦超大变倍比红外连续变焦光学系统,其特征在于,沿光轴方向从物方到像方依次有:连续变焦组(A)和二级变倍组(B);
所述连续变焦组(A)沿光轴方向从物方到像方依次包括主物镜组(1)、次物镜组(2)、一级变倍组(3)、补偿组(4)、固定组(5);
二级变倍组(B)沿光轴方向从物方到像方依次包括第一后组透镜(6)、第二后组透镜(7)和第三后组透镜(8);
其中一级变倍组(3)、补偿组(4)及二级变倍组(B)沿光轴方向发生轴向移动进行变焦,在变焦过程中,一级变倍组(3)与二级变倍组(B)的运动方向相同,补偿组(4)与一级变倍组(3)、二级变倍组(B)的运动方向相反;当一级变倍组(3)与补偿组(4)相距最远时,光学系统处于短焦;当一级变倍组(3)与补偿组(4)相距最近时,光学系统处于长焦;
来自物方的光束经过连续变焦组(A)会聚在固定组(5)与第一后组透镜(6)之间;第一后组透镜(6)、第二后组透镜(7)和第三后组透镜(8)将连续变焦组(A)所成的像最终成像在探测器靶面上。
2.根据权利要求1所述的基于复合式变焦超大变倍比红外连续变焦光学系统,其特征在于:该光学系统光圈F数为5.5,波段为3.7~4.8μm,焦距为12~1000mm。
3.根据权利要求1所述的基于复合式变焦超大变倍比红外连续变焦光学系统,其特征在于:主物镜组(1)、次物镜组(2)、一级变倍组(3)、补偿组(4)、固定组(5)、第一后组透镜(6)、第二后组透镜(7)和第三后组透镜(8)各包含1片透镜。
4.根据权利要求1所述的基于复合式变焦超大变倍比红外连续变焦光学系统,其特征在于:主物镜组(1)、次物镜组(2)、一级变倍组(3)、补偿组(4)、固定组(5)的光焦度分配为正—负—负—正—正结构。
5.根据权利要求1所述的基于复合式变焦超大变倍比红外连续变焦光学系统,其特征在于:主物镜组(1)、次物镜组(2)、一级变倍组(3)、补偿组(4)、固定组(5)的透镜材料分别为硅、锗、锗、硅、锗。
6.根据权利要求1所述的基于复合式变焦超大变倍比红外连续变焦光学系统,其特征在于:主物镜组(1)为球面透镜,次物镜组(2)、补偿组(4)、固定组(5)为非球透镜,一级变倍组(3)为非球面衍射面透镜。
7.根据权利要求1所述的基于复合式变焦超大变倍比红外连续变焦光学系统,其特征在于:第一后组透镜(6)、第二后组透镜(7)和第三后组透镜(8)的光焦度为负—正—正结构。
8.根据权利要求1所述的基于复合式变焦超大变倍比红外连续变焦光学系统,其特征在于:第一后组透镜(4)、第二后组透镜(5)和第三后组透镜(6)的透镜材料分别为锗、硅、硅。
9.根据权利要求1所述的基于复合式变焦超大变倍比红外连续变焦光学系统,其特征在于:第一后组透镜(4)、第三后组透镜(6)为非球面透镜;第二后组透镜(5)为球面透镜。
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