CN112612128A - 大靶面小f数的中波红外制冷连续变焦镜头及光学系统 - Google Patents

大靶面小f数的中波红外制冷连续变焦镜头及光学系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种光学镜头，具体涉及一种大靶面小F数的中波红外制冷连续变焦镜头及光学系统。本发明的目的是解决现有技术中缺乏能够同时满足大靶面、F数足够小，且采用中波制冷型探测器的连续变焦微扫描镜头的技术问题，提供一种大靶面小F数的中波红外制冷连续变焦镜头及光学系统。采用二次成像连续变焦系统，减小了前固定组的直径，在满足成像质量的前提下，系统整体采用7片透镜，满足4倍变倍比，体积小、重量轻、结构简单，实现系统透过率和探测灵敏度的提高和冷光阑的100％匹配，减小光束能量损失，提高了系统灵敏度。通过两个反射镜折返改变系统光轴方向，有效减小系统长度和体积，通过微扫描镜，改变光路方向同时提高系统空间分辨率。

Description

大靶面小F数的中波红外制冷连续变焦镜头及光学系统
技术领域
本发明涉及一种光学镜头，具体涉及一种大靶面小F数的中波红外制冷连续变焦镜头及光学系统。
背景技术
近年来，红外热成像系统因可全天候工作，受环境影响小的特性，在多个领域得到了广泛的应用，同时相关技术得到了快速的发展。采用连续变焦镜头可实现大视场搜索、小视场跟踪，连续变焦过程成像效果良好，变焦过程不会丢失目标，达到一般定焦镜头和双视场镜头无法满足的需求及效果。
在转台上使用红外热像仪时，普遍要求具有较远的探测距离和较高的探测灵敏度，在应用中通常会提出更高分辨率、更远作用距离要求，对系统的成像分辨力提出了更高要求，一般提高成像系统分辨力可通过提高探测器的分辨力和光学系统衍射极限来达到，但探测器的分辨力受探测器制备工艺限制，较难有大的突破，而光学系统衍射极限的增加则需要更长焦距、更大通光口径，在此情况下提出了微扫描技术，以提高光学系统空间分辨率。
随着红外探测器向多波段、大靶面、高灵敏度的发展，转台配备的红外系统逐渐向大面阵、高分辨率方向发展，但目前还没有能够同时满足大靶面、F数足够小，且采用中波制冷型探测器的连续变焦微扫描镜头。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中缺乏能够同时满足大靶面、F数足够小，且采用中波制冷型探测器的连续变焦微扫描镜头的技术问题，提供一种大靶面小F数的中波红外制冷连续变焦镜头及光学系统。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术解决方案如下：
本发明通过一种大靶面小F数的中波红外制冷连续变焦镜头，其特殊之处在于：包括驱动装置，以及从物方至像方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、具有正光焦度的补偿组、负透镜D、第一反射镜、第二反射镜、正透镜E、微扫描镜组、具有正光焦度的二次成像组；
所述透镜D和透镜E组合作为具有正光焦度的中继组；所述微扫描镜组用于提高系统空间分辨率；所述驱动装置用于驱动微扫描镜组，使微扫描镜组实现在水平和俯仰两个正交方向的微扫描。
进一步地，所述前固定组为一片凸面朝向物方的弯月形正透镜A，用于光线的汇聚；
所述变倍组为一片双凹型的负透镜B，用于改变焦距、增加变倍倍率；
所述补偿组为一片双凸型的正透镜C，用于补偿变倍过程中所引起的像移；
所述负透镜D为一片凹面朝向物方的弯月形负透镜，所述正透镜E为一片凸面朝向像方的正透镜，用于完成第一次成像；
所述二次成像组包括一片凸面朝向物方的正透镜F，以及一片凸面朝向物方的正透镜G，用于完成光学系统的光阑匹配、进行二次成像并校正残余像差。
进一步地，所述负透镜D、正透镜E之间设置有第一反射镜和第二反射镜，第一反射镜和第二反射镜用于将透镜D出射的光路折转180°，缩短光学系统长度；
所述微扫描镜组将透镜E出射的光路折转90°。
进一步地，所述透镜B的出射面S4为衍射面非球面；
所述透镜C的出射面S6、透镜D的入射面S7，以及透镜F的入射面S14，均为非球面；
所述透镜A的入射面S1与出射面S2、透镜B的入射面S3、透镜C的入射面S5、透镜D的出射面S8、透镜E的入射面S11与出射面S12、透镜F的出射面S15均为非球面、以及透镜G的入射面S16与出射面S17，均为球面。
进一步地，所述透镜B为移动镜片，移动曲线为线性曲线，用于完成系统变倍功能，总移动行程为47.5mm。
所述透镜C为移动镜片，移动曲线为8次抛物线，用于补偿变倍引起的像面偏移，总移动行程为53.8mm。
进一步地，所述透镜A的入射面S1表面镀有DLC膜；
所述第一反射镜的入射面S9、第二反射镜入射面S10、微扫描镜组的入射面S13，均镀有反射膜；
所述透镜A的出射面S2、所述透镜B的入射面S3与出射面S4、所述透镜C的入射面S5与出射面S6、所述透镜D的入射面S7与出射面S8、所述透镜E的入射面S11与出射面S12、透镜F的入射面S14与出射面S15，以及透镜G的入射面S16与出射面S17，均镀有增透膜。
进一步地，所述非球面均为偶次非球面，其表达式如下：
Figure BDA0002857979780000031
其中，z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距非球面定焦的距离矢高；c为非球面表面的顶点曲率，即c＝1/r；k为圆锥系数，k＝0；α2、α3、α4、α5、α6为高次非球面系数；
所述衍射面的表达式如下：
Φ＝A1ρ2+A2ρ4
其中，Φ为衍射面的位相；ρ＝r/rn，r为非球面沿光轴方向的高度，rn为衍射面的规划半径；A1、A2为衍射面的相位系数。
进一步地，所述透镜A为硅材质，透镜B为锗材质，透镜C为硅材质，透镜D为锗材质，透镜E为锗材质，透镜F为硅材质，透镜G为硫化锌材质。
本发明还提供一种大靶面小F数的中波红外制冷连续变焦光学系统，其特殊之处在于：包括上述的大靶面小F数的中波红外制冷连续变焦镜头，以及凝视型焦平面中波制冷探测器，凝视型焦平面中波制冷探测器的探测器保护窗口H位于所述二次成像组的出射光路上，其探测面位于所述中波红外制冷连续变焦镜头的像面J处。
进一步地，所述凝视型焦平面中波制冷探测器的分辨率为640*512，像元尺寸为25um，F数为2.0；所述中波红外制冷连续变焦镜头的F数亦为2.0。
本发明相比现有技术具有的有益效果如下：
1、本发明提供的大靶面小F数的中波红外制冷连续变焦镜头及光学系统，采用二次成像连续变焦系统，减小了前固定组(透镜A)的直径，在满足成像质量的前提下，系统整体采用7片透镜，满足4倍变倍比，体积小、重量轻、结构简单，有利于设备小型化要求，实现系统透过率和探测灵敏度的提高和冷光阑的100％匹配，减小光束能量损失，提高了系统灵敏度，降低了杂散光对成像质量的影响。
2、本发明提供的大靶面小F数的中波红外制冷连续变焦镜头及光学系统，通过两个反射镜折返改变系统光轴方向，有效减小系统长度和体积，通过微扫描镜，改变光路方向同时提高系统空间分辨率，填补了现有技术中缺乏同时满足大靶面、采用中波制冷型探测器、小F数的连续变焦微扫描光学系统的空白。
3、本发明提供的大靶面小F数的中波红外制冷连续变焦镜头及光学系统，凝视型焦平面中波制冷探测器的F数与中波红外制冷连续变焦镜头的F数一致，均为2.0，增加了系统通光量，提高了光学系统的灵敏度。
4、本发明提供的大靶面小F数的中波红外制冷连续变焦镜头及光学系统，通过使用微扫描镜组，在不增加探测器分辨率、不增大系统焦距、不增加通光口径的前提下，提高了光学系统的瞬时视场分辨率。
5、本发明提供的大靶面小F数的中波红外制冷连续变焦镜头及光学系统，使用镜片数量少，加工装调公差较松(要求较低)，减小了加工装调难度。
6、本发明提供的大靶面小F数的中波红外制冷连续变焦镜头及光学系统，仅移动镜片透镜B(变倍组)和移动镜片透镜C(补偿组)两片透镜参与变焦，变焦方式简单，运动负荷小，光轴一致性易于保证。
7、本发明提供的大靶面小F数的中波红外制冷连续变焦镜头及光学系统，使用常规红外材料，硅、锗和硫化锌三种材料，加工难度小、风险低。
附图说明
图1为本发明大靶面小F数的中波红外制冷连续变焦光学系统的系统结构图；
附图标记说明：
1-第一反射镜、2-第二反射镜、3-微扫描镜组。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步地说明。
一种大靶面小F数的中波红外制冷连续变焦镜头，如图1所示，包括驱动装置，以及从物方至像方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、具有正光焦度的补偿组、负透镜D、第一反射镜1、第二反射镜2、正透镜E、微扫描镜组3具有正光焦度的二次成像组；所述透镜D和透镜E组合作为具有正光焦度的中继组；第一反射镜1和第二反射镜2用于将透镜D出射的光路折转180°，缩小光学系统长度和体积；所述微扫描镜组3用于将透镜E出射的光路折转90°；所述驱动装置用于驱动微扫描镜组3，使微扫描镜组3实现在水平和俯仰两个正交方向的微扫描，将每个方向的采样频率提高一倍，即实现系统微扫描，提高系统的分辨能力。
所述前固定组为一片凸面朝向物方的弯月形正透镜A，用于光线的汇聚；所述变倍组为一片双凹型的负透镜B，用于改变焦距、增加变倍倍率；所述补偿组为一片双凸型的正透镜C，用于补偿变倍过程中所引起的像移；所述负透镜D为一片凹面朝向物方的弯月形负透镜，所述正透镜E为一片凸面朝向像方的正透镜，用于完成第一次成像；所述二次成像组包括一片凸面朝向物方的正透镜F，以及一片凸面朝向物方的正透镜G，用于完成光学系统的光阑匹配、进行二次成像并校正残余像差。
所述透镜B的出射面S4为衍射面非球面；所述透镜C的出射面S6、透镜D的入射面S7，以及透镜F的入射面S14，均为非球面；所述透镜A的入射面S1与出射面S2、透镜B的入射面S3、透镜C的入射面S5、透镜D的出射面S8、透镜E的入射面S11与出射面S12、透镜F的出射面S15均为非球面、以及透镜G的入射面S16与出射面S17，均为球面。
所述透镜B为移动镜片，移动曲线为线性曲线，主要用于完成系统变倍功能，总移动行程为47.5mm。所述透镜C为移动镜片，移动曲线为8次抛物线，主要用于补偿变倍引起的像面偏移，总移动行程为53.8mm。
为满足外露表面防风沙等要求，所述透镜A的入射面S1表面镀有DLC膜(硬碳膜)；为保证高透过率，减小冷反射，所述第一反射镜1的入射面S9、第二反射镜2入射面S10、微扫描镜组3的入射面S13，均镀有高反射膜；所述透镜A的出射面S2、所述透镜B的入射面S3与出射面S4、所述透镜C的入射面S5与出射面S6、所述透镜D的入射面S7与出射面S8、所述透镜E的入射面S11与出射面S12、透镜F的入射面S14与出射面S15，以及透镜G的入射面S16与出射面S17，均镀有高效增透膜。
所述透镜A为硅材质，透镜B为锗材质，透镜C为硅材质，透镜D为锗材质，透镜E为锗材质，透镜F为硅材质，透镜G为硫化锌材质。
一种大靶面小F数的中波红外制冷连续变焦光学系统，包括上述的大靶面小F数的中波红外制冷连续变焦镜头，以及凝视型焦平面中波制冷探测器，凝视型焦平面中波制冷探测器的探测器保护窗口H位于所述二次成像组的出射光路上，其探测面位于所述中波红外制冷连续变焦镜头的像面J处，从中波红外制冷连续变焦镜头出射的光线最终经过探测器保护窗口H、探测器滤光片I后到达像面J。所述凝视型焦平面中波制冷探测器的分辨率为640*512，像元尺寸为25um(目前微扫描技术中使用较多的探测器为640*512@15μm中波探测器，当然也可以采用其他规格的探测器)，F数为2.0；所述中波红外制冷连续变焦镜头的F数亦为2.0。
本发明为了减小头片口径，保证100％冷光阑效率采用了二次成像的方式，系统整体采用7片透镜，满足4倍变倍比，体积小、重量轻、结构简单，有利于设备小型化要求。
表1为本发明的大靶面小F数的中波红外制冷连续变焦镜头在焦距分别为100mm和400mm时的光学结构参数。
表1、100mm/400mm光学结构参数表
Figure BDA0002857979780000061
Figure BDA0002857979780000071
所述非球面均为偶次非球面，其表达式如下：
Figure BDA0002857979780000072
其中，z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距非球面定焦的距离矢高；c为非球面表面的顶点曲率，即c＝1/r；k为圆锥系数，k＝0；α2、α3、α4、α5、α6为高次非球面系数。表2为表面S4、S6、S7、S14的非球面系数(未用到α6)。
表2、非球面系数表
表面 α<sub>2</sub> α<sub>3</sub> α<sub>4</sub> α<sub>5</sub>
S4 -6.28925e-8 2.7233e-12 -3.7687e-16
S6 3.4919e-8 -2.8699e-12 3.6385e-16
S7 -2.978e-9 -5.9128e-12 1.10637e-15
S14 7.2839e-7 4.25579e-10 -3.39511e-14 2.37848e-16
所述衍射面的表达式如下：
Φ＝A1ρ2+A2ρ4
其中，Φ为衍射面的位相；ρ＝r/rn，r为非球面沿光轴方向的高度，rn为衍射面的规划半径；A1、A2为衍射面的相位系数。表3为出射面S4的衍射系数(未用到A2)。
表3、出射面S4的衍射系数：
表面 相位系数1
S4 51
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述各实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种大靶面小F数的中波红外制冷连续变焦镜头，其特征在于：
包括驱动装置，以及从物方至像方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、具有正光焦度的补偿组、负透镜D、第一反射镜(1)、第二反射镜(2)、正透镜E、微扫描镜组(3)、具有正光焦度的二次成像组；
所述透镜D和透镜E组合作为具有正光焦度的中继组；所述微扫描镜组(3)用于提高系统空间分辨率；所述驱动装置用于驱动微扫描镜组(3)，使微扫描镜组(3)实现在水平和俯仰两个正交方向的微扫描。
2.根据权利要求1所述的大靶面小F数的中波红外制冷连续变焦镜头，其特征在于：
所述前固定组为一片凸面朝向物方的弯月形正透镜A，用于光线的汇聚；
所述变倍组为一片双凹型的负透镜B，用于改变焦距、增加变倍倍率；
所述补偿组为一片双凸型的正透镜C，用于补偿变倍过程中所引起的像移；
所述负透镜D为一片凹面朝向物方的弯月形负透镜，所述正透镜E为一片凸面朝向像方的正透镜，用于完成第一次成像；
所述二次成像组包括一片凸面朝向物方的正透镜F，以及一片凸面朝向物方的正透镜G，用于完成光学系统的光阑匹配、进行二次成像并校正残余像差。
3.根据权利要求2所述的大靶面小F数的中波红外制冷连续变焦镜头，其特征在于：
所述负透镜D、正透镜E之间设置有第一反射镜(1)和第二反射镜(2)，第一反射镜(1)和第二反射镜(2)用于将透镜D出射的光路折转180°，缩短光学系统长度；
所述微扫描镜组(3)将透镜E出射的光路折转90°。
4.根据权利要求3所述的大靶面小F数的中波红外制冷连续变焦镜头，其特征在于：
所述透镜B的出射面S4为衍射面非球面；
所述透镜C的出射面S6、透镜D的入射面S7，以及透镜F的入射面S14，均为非球面；
所述透镜A的入射面S1与出射面S2、透镜B的入射面S3、透镜C的入射面S5、透镜D的出射面S8、透镜E的入射面S11与出射面S12、透镜F的出射面S15均为非球面、以及透镜G的入射面S16与出射面S17，均为球面。
5.根据权利要求4所述的大靶面小F数的中波红外制冷连续变焦镜头，其特征在于：
所述透镜B为移动镜片，移动曲线为线性曲线，用于完成系统变倍功能，总移动行程为47.5mm。
所述透镜C为移动镜片，移动曲线为8次抛物线，用于补偿变倍引起的像面偏移，总移动行程为53.8mm。
6.根据权利要求1至5任一所述的大靶面小F数的中波红外制冷连续变焦镜头，其特征在于：
所述透镜A的入射面S1表面镀有DLC膜；
所述第一反射镜(1)的入射面S9、第二反射镜(2)入射面S10、微扫描镜组(3)的入射面S13，均镀有反射膜；
所述透镜A的出射面S2、所述透镜B的入射面S3与出射面S4、所述透镜C的入射面S5与出射面S6、所述透镜D的入射面S7与出射面S8、所述透镜E的入射面S11与出射面S12、透镜F的入射面S14与出射面S15，以及透镜G的入射面S16与出射面S17，均镀有增透膜。
7.根据权利要求6所述的大靶面小F数的中波红外制冷连续变焦镜头，其特征在于：
所述非球面均为偶次非球面，其表达式如下：
Figure FDA0002857979770000021
其中，z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距非球面定焦的距离矢高；c为非球面表面的顶点曲率，即c＝1/r；k为圆锥系数，k＝0；α2、α3、α4、α5、α6为高次非球面系数；
所述衍射面的表达式如下：
Φ＝A1ρ2+A2ρ4
其中，Φ为衍射面的位相；ρ＝r/rn，r为非球面沿光轴方向的高度，rn为衍射面的规划半径；A1、A2为衍射面的相位系数。
8.根据权利要求2所述的大靶面小F数的中波红外制冷连续变焦镜头，其特征在于：
所述透镜A为硅材质，透镜B为锗材质，透镜C为硅材质，透镜D为锗材质，透镜E为锗材质，透镜F为硅材质，透镜G为硫化锌材质。
9.一种大靶面小F数的中波红外制冷连续变焦光学系统，其特征在于：
包括权利要求1至8任一所述的大靶面小F数的中波红外制冷连续变焦镜头，以及凝视型焦平面中波制冷探测器，凝视型焦平面中波制冷探测器的探测器保护窗口H位于所述二次成像组的出射光路上，其探测面位于所述中波红外制冷连续变焦镜头的像面J处。
10.根据权利要求9所述的大靶面小F数的中波红外制冷连续变焦光学系统，其特征在于：
所述凝视型焦平面中波制冷探测器的分辨率为640*512，像元尺寸为25um，F数为2.0；所述中波红外制冷连续变焦镜头的F数亦为2.0。
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