CN112731640A - 一种工作于14～16μm波段的红外连续变焦系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于特殊红外长波波段连续变焦光学技术领域，具体公开一种工作于14～16μm波段的红外连续变焦系统，包括沿光轴从物方到像方依次设置的前固定组、变倍组、补偿组、后固定组、平场镜、气室前封窗、气室后封窗和滤光片，变倍组沿光轴移动实现连续变焦，补偿组沿光轴移动实现变焦补偿，所述前固定组、变倍组、后固定组、气室前封窗和气室后封窗的材料为ZnSe，所述补偿组和滤光片的材料为Ge，从系统材料构成来看，除了补偿组3为了色差校正是材料Ge外，其余镜片全部是ZnSe，保证了在14～16μm工作波段内有尽可能高的能量透过性能，且系统并没有增加镜片数。

Description

一种工作于14～16μm波段的红外连续变焦系统
技术领域
本发明属于特殊红外长波波段连续变焦光学技术领域，具体涉及一种工作于14～16μm波段的红外连续变焦系统。
背景技术
本发明工作于14～16μm长波红外连续变焦系统直接服务一个国家重点研发计划项目——移动污染源排放现场执法监管的技术方法体系研究 。
通过差分成像、分子滤光等方式 测量机动车和船舶尾气中污染物的成分，长波红外镜头用于直接获取船舶尾气中CO2的成分，CO2气体在14-16um附近有较强的辐射谱，而CO2分子在这个波段范围的辐射强度与其浓度直接相关。这个波段范围的CO2气体成像，可通过一定滤波手段，保证获取图像信号与CO2辐射谱基本吻合，这样测量出来信号强度可以认为是基本与CO2浓度相关，该技术实质是CO2探测的可视化技术。
国内外有相关的CO检测技术的报道，CO检测技术工作于中波，而CO2探测未见报道。其难点在于工作波段14～16μm的特殊性，大部分常用的红外材料在14～16μm已有严重的吸收甚至失透，甄选在工作光谱内有良好透过性能的材料成为了系统设计的首要任务。
在常规的8～12μm长波波段，Ge是最主要的材料，大部分情况下系统由Ge一种材料构成，但Ge在12μm以后开始产生显著吸收，已不能作为主要材料，只能非常有限度地使用以平衡矫正色差。ZnSe在14μm以后吸收小，在14～16μm具有良好的光学透射性能，从可得性、价格、加工性等方面综合来看，ZnSe是14～16μm波段材料的最佳选择，替代Ge成为设计最主要的光学材料。但是，ZnSe的折光率（折射率-1）不足Ge的一半，色散大，像差矫正遇到极大困难，在限定材料的约束下，通常需要复杂化增加镜片数才能达到相同参数实现工作波段上的变焦功能。ZnSe代替Ge成为设计的主要材料，且不增加系统的镜片数，成为设计的难点。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种红外连续变焦系统，这种红外变焦系统在14～16μm工作波段内有尽可能高的能量透过性能。
为实现以上目的，本发明提供以下技术方案：
一种工作于14～16μm波段的红外连续变焦系统，包括沿光轴从物方到像方依次设置的前固定组、变倍组、补偿组、后固定组、平场镜、气室前封窗、气室后封窗和滤光片，变倍组沿光轴移动实现连续变焦，补偿组沿光轴移动实现变焦补偿，所述前固定组、变倍组、后固定组、气室前封窗和气室后封窗的材料为ZnSe，所述补偿组和滤光片的材料为Ge。
优选的，材料为Ge的补偿组中心厚度为8.5mm，ZnSe镜片总的中心厚度为42mm。
优选的，所述前固定组是凸面朝向物侧的单片弯月形正透镜，变倍组是单片双凹形负透镜，补偿组是单片双凸形正透镜，后固定组是凸面朝向像侧的单片弯月形负透镜，平场镜是的凸面朝向物侧的单片弯月形正透镜，气室前封窗、气室后封窗和滤光片为平片。
优选的，系统包括五个非球面，无衍射面，变倍组靠近像方的表面为非球面；补偿组其靠近物方的表面为非球面，靠近像方的表面为非球面；后固定组靠近物方的表面为非球面，平场镜靠近物方的表面为非球面。
优选的，所述滤光片为窄带滤光片。
优选的，光学系统在变焦过程中，变倍组和前固定组之间间隔的变化范围为63.26～106.00mm，变倍组和补偿组之间间隔的变化范围为83.62～10.32mm，补偿组和固定组之间间隔的变化范围为34.05～64.61mm。
优选的，系统总光学长为330～340mm，焦距为f′＝80mm～200mm；视场为7.78°×5.84～3.12°×2.34°；工作F数为1.25；头片口径为φ163mm。
优选的，变焦采用负组变焦正组补偿形式，平滑经过换根点，换根点焦距≥160mm 。
优选的，系统适配探测器的规格为640×480-17μm。
本发明的优点：
从系统材料构成来看，透镜除了补偿组3为了色差校正是材料Ge外，其余镜片全部是ZnSe，保证了在14～16μm工作波段内有尽可能高的能量透过性能，且系统并没有增加镜片数，只是镜头稍微变长。
变倍形式采用了典型的负组变倍正组补偿的形式，通过变倍组2和补偿组3两个动组的沿轴移动实现系统连续变焦，经过换根点，约束换根条件，保证了凸轮数表的平滑。
附图说明
图1为实施例光学系统的示意图；
图2为实施例焦距200mm时的MTF图；
图3为实施例焦距187mm时的MTF图；
图4为实施例焦距160mm时的MTF图；
图5为实施例焦距120mm时的MTF图；
图6为实施例焦距80mm时的MTF图；
图7为实施例采用加窄带滤光片后焦距80mm时的MTF图；
图8为实施例焦距200mm时的点列图；
图9为实施例焦距80mm时的点列图；
图10为实施例焦距200mm时的场曲和畸变图；
图11为实施例焦距80mm时的场曲和畸变图；
图中，1-前固定组；2-变倍组；3-补偿组；4-后固定组；5-平场镜；6-前封窗；7-后封窗；8-滤光片。
具体实施方式
为了进一步清楚阐述本技术方案的特点，下面结合实施例和附图，对本发明进行详细说明，但不应当将其理解为对本发明的限定。
本实施例中，探测器的规格为640×480-17μm，该连续变焦光学系统实现的技术指标为：波段为14μm～16μm；焦距为f′＝80mm～200mm；视场为7.78°×5.84～3.12°×2.34°；工作F数为1.25；头片口径为φ163mm；光学总长为335.46mm。
图1 描述了光学系统的示意图，实线是长焦状态，虚线是短焦状态，包括从物侧到像侧依次设置的前固定组1、变倍组2、补偿组3、后固定组4、平场镜5、前封窗6、后封窗7和滤光片8。
表1、表2和给出了本实施例所涉及光学系统相关的各种数值。
Figure 109661DEST_PATH_IMAGE001
Figure DEST_PATH_IMAGE002
在实施例中，约束换根条件，换根点焦距187mm，因为以下两个原因没有刻意控制或压缩光学总长：1.在工作波段14～16μm的透过性能是核心关键，材料的内透过率是关于厚度的指数函数，为了保证正透镜的中心厚度和负透镜边缘厚度尽量薄，不宜过度压缩光学总长；2.在镜头与探测器之间需要安放有一定长度做分析之用的气室，也就是镜头要有足够的后工作距，不宜过度压缩光学总长。
综合图2-11，通过不同焦距点的MTF、点列图、场曲和畸变图，可看出中长焦段像质良好，短焦端像质不佳。通过分析导致短焦轴外像质变差的成因是倍率色差，由于 ZnSe 的色散很大，以ZnSe 作为主打材料，在轴上满足消位置色差的条件下，不满足消倍率色差条件，一旦有色差MTF 就会很难看，但弥散斑的大小并不离谱。短焦用作视场搜索，长焦用做目标的仔细分辨，变焦系统的基本设计原则是优先保证长焦像质，短焦像质可适当从宽；从该镜头的实际使用场景来看，在每个具体应用中要加窄带滤光片，去掉消色差谱线，单色MTF如图7，可见短焦单色像质优越。综合来看，本发明的技术方案在全视场范围内具有较好的能量集中度，相对畸变均较小，几乎不会产生成像扭曲，满足使用要求。

Claims (9)

1.一种工作于14～16μm波段的红外连续变焦系统，包括沿光轴从物方到像方依次设置的前固定组、变倍组、补偿组、后固定组、平场镜、气室前封窗、气室后封窗和滤光片，变倍组沿光轴移动实现连续变焦，补偿组沿光轴移动实现变焦补偿，其特征在于，所述前固定组、变倍组、后固定组、气室前封窗和气室后封窗的材料为ZnSe，所述补偿组和滤光片的材料为Ge。
2.根据权利要求1所述的一种工作于14～16μm波段的红外连续变焦系统，其特征在于，材料为Ge的补偿组中心厚度为8.5mm，ZnSe镜片总的中心厚度为42mm。
3.根据权利要求1所述的一种工作于14～16μm波段的红外连续变焦系统，其特征在于，所述前固定组是凸面朝向物侧的单片弯月形正透镜，变倍组是单片双凹形负透镜，补偿组是单片双凸形正透镜，后固定组是凸面朝向像侧的单片弯月形负透镜，平场镜是的凸面朝向物侧的单片弯月形正透镜，气室前封窗、气室后封窗和滤光片为平片。
4.根据权利要求3所述的一种工作于14～16μm波段的红外连续变焦系统，其特征在于，系统包括五个非球面，无衍射面，变倍组靠近像方的表面为非球面；补偿组其靠近物方的表面为非球面，靠近像方的表面为非球面；后固定组靠近物方的表面为非球面，平场镜靠近物方的表面为非球面。
5.根据权利要求1所述的一种工作于14～16μm波段的红外连续变焦系统，其特征在于，所述滤光片为窄带滤光片。
6.根据权利要求1-5所述的任意一种工作于14～16μm波段的红外连续变焦系统，其特征在于，光学系统在变焦过程中，变倍组和前固定组之间间隔的变化范围为63.26～106.00mm，变倍组和补偿组之间间隔的变化范围为83.62～10.32mm，补偿组和固定组之间间隔的变化范围为34.05～64.61mm。
7.根据权利要求6所述的一种工作于14～16μm波段的红外连续变焦系统，其特征在于，系统总光学长为330～340mm，焦距为f′＝80mm～200mm；视场为7.78°×5.84～3.12°×2.34°；工作F数为1.25；头片口径为φ163mm。
8.根据权利要求7所述的一种工作于14～16μm波段的红外连续变焦系统，其特征在于，变焦采用负组变焦正组补偿形式，平滑经过换根点，换根点焦距≥160mm 。
9.根据权利要求7或8所述的一种工作于14～16μm波段的红外连续变焦系统，其特征在于，系统适配探测器的规格为640×480-17μm。
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