CN112817134B - 一种短波红外宽光谱四组元远摄连续变焦光学系统 - Google Patents

一种短波红外宽光谱四组元远摄连续变焦光学系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种短波红外宽光谱四组元远摄连续变焦光学系统，属于短波红外成像技术领域。所述系统包括自物方至像方依次设置的光焦度为正的前固定组G1、光焦度为负的变倍组G2、光焦度为正的补偿组G3、光阑和光焦度为正的后固定组G4；其中，变倍组G2和补偿组G3沿光轴方向前后移动实现系统连续变焦成像；通过设置合适的透镜组并控制各组的焦距，使系统具有了更大的焦距范围和更长的焦距，扩大了探测范围和最大探测距离，从而提高了短波红外宽光谱的在远摄探测时的探测灵敏度，提升在低照度及低能见度下的远摄探测能力。

Description

一种短波红外宽光谱四组元远摄连续变焦光学系统
技术领域
本发明涉及一种短波红外宽光谱四组元远摄连续变焦光学系统，属于短波红外成像技术领域。
背景技术
一般将焦距能达到300mm的光学系统称为具备远摄能力的光学系统，而短波红外光谱范围较宽，焦距大会带来难以校正的色差、二级光谱等像差，因此现有的短波红外四组元连续变焦系统焦距一般不超过200mm，导致现有短波红外变焦光学系统探测距离小。五组元或多组元联动的变焦系统虽然更容易校正目标像差，但镜片数量较多，变焦结构复杂，装调难度高，成本高且可靠性差。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种短波红外宽光谱四组元远摄变焦光学系统，通过设置合适的透镜组并控制各组的焦距，使系统具有了更大的焦距范围和更长的焦距，扩大了探测范围和最大探测距离，从而提高了短波红外宽光谱的在远摄探测时的探测灵敏度，提升在低照度及低能见度下的远摄探测能力。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种短波红外宽光谱四组元远摄变焦光学系统，所述系统包括自物方至像方依次设置的光焦度为正的前固定组G1、光焦度为负的变倍组G2、光焦度为正的补偿组G3、光阑和光焦度为正的后固定组G4；其中，变倍组G2和补偿组G3沿光轴方向前后移动实现系统连续变焦成像；
所述前固定组G1的焦距f1、变倍组G2的焦距f2、补偿组G3的焦距f3、后固定组G4的焦距f4与系统最长焦的焦距ft满足如下关系式：
0.50≤f1/ft≤0.56；
-0.15≤f2/ft≤-0.10；
0.22≤f3/ft≤0.26；
0.88≤f4/ft≤0.92。
进一步的，所述变倍组G2和补偿组G3的垂轴放大率满足如下关系式：
0.16≤βt2/βw2≤0.36；
βt2≤0.5；
其中，βt2是最长焦情况下变倍组的放大倍率；βw2是最短焦情况下变倍组的放大倍率。
进一步的，所述前固定组G1自物方至像方依次由正光焦度的胶合镜L11、双凸透镜L12和负弯月透镜L13组成。
进一步的，所述变倍组G2自物方至像方依次由双凹透镜L21、双凹透镜L22和负光焦度的胶合镜L23组成。
进一步的，所述补偿组G3自物方至像方依次由双凸透镜L31和正光焦度的胶合镜L32组成。
进一步的，所述后固定组G4自物方至像方依次由负弯月透镜L41、正弯月透镜L42、双凸透镜L43、双凹透镜L44和双凸透镜L45组成。
进一步的，所述前固定组G1自物方至像方依次由正光焦度的胶合镜L11、双凸透镜L12和负弯月透镜L13组成；所述变倍组G2自物方至像方依次由双凹透镜L21、双凹透镜L22和负光焦度的胶合镜L23组成；所述补偿组G3自物方至像方依次由双凸透镜L31和正光焦度的胶合镜L32组成；所述后固定组G4自物方至像方依次由负弯月透镜L41、正弯月透镜L42、双凸透镜L43、双凹透镜L44和双凸透镜L45组成；所述孔径光阑设置在正光焦度的胶合镜L32和负弯月透镜L41之间；所述短波红外宽光谱四组元远摄变焦光学系统中自物方至像方各透镜的设计参数如下表1-2所示：
表1
Figure GDA0003482602720000031
Figure GDA0003482602720000041
表2
Figure GDA0003482602720000042
表中，曲率半径是指每个透镜表面的曲率半径，间隔是指两相邻透镜表面间的距离，如表面S1的间隔，即表面S1至表面S2间的距离。
有益效果
本发明所提到的系统，采用四组元正组补偿变焦形式，变焦形式简单且装调可靠，配合InGaAs型探测器使用，采用较少的镜片很好地校正了目标像差，从而使系统具有了更大的焦距范围和更长的焦距，既能对目标既能作大区域小倍率的概观，又能作小区域大倍率的仔细观察，扩大了探测范围和最大探测距离，从而提高了短波红外宽光谱的在远摄探测时的探测灵敏度，提升在低照度及低能见度下的远摄探测能力。
具体的：1、本发明所述光学系统最长焦距为300mm，最短焦距为30mm，实现更远距离小区域放大观察的同时也能满足较大区域全景搜索的功能。2、采用正组补偿两组元轴向移动变焦的形式，变倍组G2与补偿组G3在变焦过程中沿光轴方向相对运动，变焦形式简单，镜片数量少且结构紧凑；具有长焦距、大变倍比与大视场的特点。3、本发明提供的光学系统的前固定组G1作为调焦组，通过调节前固定组G1的轴向位置进行调焦，从而补偿温度或物距的变化。4、本发明提供的光学系统结构简单，各焦距位置的0.707视场在空间频率33lp/mm处的传递函数大于0.4，成像质量高。
附图说明
图1为本发明所述系统的结构示意图；
图2为本发明所述系统最短焦位置fw＝30mm的结构示意图；
图3为本发明所述系统中焦位置fm＝150mm的结构示意图；
图4为本发明所述系统最长焦位置ft＝300mm的结构示意图；
图5为本发明实施例1所述系统最短焦位置fw＝30mm的调制传递函数(MTF)图；
图6为本发明实施例1所述系统中焦位置fm＝150mm的MTF图；
图7为本发明实施例1所述系统最长焦位置ft＝300mm的MTF图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，一种短波红外宽光谱四组元远摄变焦光学系统，所述系统包括自物方至像方依次设置的光焦度为正的前固定组G1、光焦度为负的变倍组G2、光焦度为正的补偿组G3、光阑和光焦度为正的后固定组G4；其中，变倍组G2和补偿组G3沿光轴方向前后移动实现系统连续变焦成像；
所述前固定组G1自物方至像方依次由正光焦度的胶合镜L11、双凸透镜L12和负弯月透镜L13组成；
所述变倍组G2自物方至像方依次由双凹透镜L21、双凹透镜L22和负光焦度的胶合镜L23组成；
所述补偿组G3自物方至像方依次由双凸透镜L31和正光焦度的胶合镜L32组成；
所述后固定组G4自物方至像方依次由负弯月透镜L41、正弯月透镜L42、双凸透镜L43、双凹透镜L44和双凸透镜L45组成；
所述孔径光阑设置在正光焦度的胶合镜L32和负弯月透镜L41之间；
所述前固定组G1的焦距f1、变倍组G2的焦距f2、补偿组G3的焦距f3、后固定组G4的焦距f4与系统最长焦的焦距ft满足如下关系式：
0.50≤f1/ft≤0.56；
-0.15≤f2/ft≤-0.10；
0.22≤f3/ft≤0.26；
0.88≤f4/ft≤0.92。
所述变倍组G2和补偿组G3的垂轴放大率满足如下关系式：
0.16≤βt2/βw2≤0.36；
βt2≤0.5；
其中，βt2是最长焦情况下变倍组的放大倍率；βw2是最短焦情况下变倍组的放大倍率。
为了实现变倍目的，变倍组沿轴作线性移动，此时垂轴放大倍率改变，像点移动，为了满足像点不动，补偿组需作相应的运动，实现系统在短波红外波段，变焦过程中宽光谱高质量成像，前固定组G1可以通过前后移动实现调焦，从而补偿温度或物距的变化。
如图2-4所示，所述系统中变倍组G2由左向右作线性移动时，焦距由短变长，同时像面也发生位移，用补偿组G3作相应的少量非线性移动，以达到系统既变倍而像面位置又稳定的要求。变倍组与补偿组的位置是一一对应的。当系统的位置状态从短焦状态向长焦状态变化时，前固定组G1和变倍组G2之间的距离一直增大，变倍组G2与补偿组G3的距离一直减小，补偿组G3与后固定组G4的距离一直增大。
所述系统中，由于长焦焦距大、工作光谱范围宽(0.95～1.7μm)，导致色差及二级光谱难以校正，前固定组G1对系统二级光谱的贡献量最大，而使用双胶合透镜可以更好的对色差进行校正，因此前固定组G1采用双单单的结构，第一组双焦合透镜L11使用超低色散玻璃H-FK61和低色散重火石玻璃H-ZF6组合使前固定组G1本身消色差，配合超低色散玻璃H-FK61和重火石玻璃H-ZF52A双分离透镜组合来校正整个系统的二级光谱及色差，从提高系统长焦位置的光学传递函数以提高成像质量。
所述系统中，为使色差容易校正一些，变倍组G2和补偿组G3本身需要消色差，因此使用双焦合透镜L23、L32来实现消色差。后固定组G4用来平衡系统残余像差，其中正光焦度的弯月透镜L42为超低色散玻璃H-FK61。
通过对长焦距下色差及二级光谱的针对性校正，实现了在短波红外波段宽光谱、高质量的远摄成像能力，使系统在实现更远距离小区域放大观察的同时也能满足较大区域全景搜索的功能。系统使用的透镜均为球面镜，镜片数量控制在13片，具有成本低、可靠性高的优势。
实施例1
本实施例中，所述的短波红外宽光谱四组元远摄变焦光学系统自物方至像方各透镜的设计参数如下表3-4所示：
表3
Figure GDA0003482602720000071
Figure GDA0003482602720000081
表4
Figure GDA0003482602720000082
本实施例中所述系统的工作光谱范围为0.95～1.7μm，焦距为30mm～300mm，变倍比为10倍，视场角23.17°～2.35°，相对孔径为1：4～1：5.6，探测器类型InGaAs，分辨率640×512，像元尺寸15μm，工作温度：-40℃～60℃。所述系统采用了最速变焦曲线设计，变倍组G2和补偿组G3移动范围小，变焦结构紧凑。
所述系统在不同焦距下的MTF结果如图5-7所示，结果表明，0.707视场的MTF均大于0.4@33lp/mm，能够满足高成像质量要求。
综上所述，发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明的精神和原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种短波红外宽光谱四组元远摄连续变焦光学系统，其特征在于：所述系统由自物方至像方依次设置的光焦度为正的前固定组G1、光焦度为负的变倍组G2、光焦度为正的补偿组G3、光阑和光焦度为正的后固定组G4组成；其中，变倍组G2和补偿组G3沿光轴方向前后移动实现系统连续变焦成像；
所述前固定组G1的焦距f1、变倍组G2的焦距f2、补偿组G3的焦距f3、后固定组G4的焦距f4与系统最长焦的焦距ft满足如下关系式：
0.50≤f1/ft≤0.56；
-0.15≤f2/ft≤-0.10；
0.22≤f3/ft≤0.26；
0.88≤f4/ft≤0.92；
所述前固定组G1自物方至像方依次由正光焦度的胶合镜L11、双凸透镜L12和负弯月透镜L13组成；
所述变倍组G2自物方至像方依次由双凹透镜L21、双凹透镜L22和负光焦度的胶合镜L23组成；
所述补偿组G3自物方至像方依次由双凸透镜L31和正光焦度的胶合镜L32组成；
所述后固定组G4自物方至像方依次由负弯月透镜L41、正弯月透镜L42、双凸透镜L43、双凹透镜L44和双凸透镜L45组成。
2.如权利要求1所述的一种短波红外宽光谱四组元远摄连续变焦光学系统，其特征在于：所述变倍组G2和补偿组G3的垂轴放大率满足如下关系式：
0.16≤βt2/βw2≤0.36；
βt2≤0.5；
其中，βt2是最长焦情况下变倍组的放大倍率；βw2是最短焦情况下变倍组的放大倍率。
3.如权利要求1或2所述的一种短波红外宽光谱四组元远摄连续变焦光学系统，其特征在于：所述前固定组G1自物方至像方依次由正光焦度的胶合镜L11、双凸透镜L12和负弯月透镜L13组成；所述变倍组G2自物方至像方依次由双凹透镜L21、双凹透镜L22和负光焦度的胶合镜L23组成；所述补偿组G3自物方至像方依次由双凸透镜L31和正光焦度的胶合镜L32组成；所述后固定组G4自物方至像方依次由负弯月透镜L41、正弯月透镜L42、双凸透镜L43、双凹透镜L44和双凸透镜L45组成；所述孔径光阑设置在正光焦度的胶合镜L32和负弯月透镜L41之间；
所述短波红外宽光谱四组元远摄变焦光学系统中自物方至像方各透镜的设计参数如下表1-2所示：
表1
Figure FDA0003482602710000021
Figure FDA0003482602710000031
表2
Figure FDA0003482602710000032
表中，曲率半径是指每个透镜表面的曲率半径，间隔是指两相邻透镜表面间的距离。
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