CN113433677B - 一种具有外置入瞳的制冷型双视场红外光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有外置入瞳的制冷型双视场红外光学系统，解决现有具有外置入瞳光学系统，要么不具有外置入瞳；要么无法适配制冷型红外探测器；要么不具备双视场变焦功能；要么结构复杂的问题。系统包括从依次设的前固定镜、变倍镜、后固定镜组、探测器窗口和冷阑；前固定镜光焦度为正；变倍镜光焦度为正，设变倍镜的焦距为f5，光学系统长焦端的焦距为fL，fL和f5满足以下条件式：0.7<|fL/f5|<3.7；后固定镜组光焦度为正，包括沿光线传输方向依次设的第一负透镜、第三正透镜和第二负透镜；变倍镜沿光轴方向前后移动，实现视场切换与离焦补偿，变倍镜移至光学系统一次像面像方侧，系统处于长焦位置；在变倍镜移至光学系统一次像面的物方侧，系统位于短焦位置。

Description

一种具有外置入瞳的制冷型双视场红外光学系统

技术领域

本发明属于光电技术领域，涉及一种红外光学系统。具体涉及一种适配制冷型红外探测器，能实现双视场变焦，并具有外置入瞳的红外光学系统。

背景技术

具有外置入瞳的光学系统一方面可独立完成光学成像功能，另一方面，还可与无焦光学系统匹配组合，构成更长焦距或更大视场的光学系统，实现光学系统的模块化，另外，将具有外置入瞳的光学系统倒置使用，还可满足目标模拟器等对入瞳距有特属要求的应用。因此，研制具有外置入瞳的红外光学系统具有重要现实意义。

现有技术中公开的具有外置入瞳的光学系统，或无法适配制冷型红外探测器；或无法实现双视场切换功能；或系统结构复杂。

公开号为CN 102323671A和CN109739013A的中国专利，公开了不同参数的具有外置入瞳的离轴三反镜光学成像系统，均为定焦光学系统，不具备双视场切换功能，同时，光学系统也无法实现与制冷型探测器的100％冷阑匹配。而，公开号为CN100504502和CN110989142A的中国专利公开的具有外置入瞳的光学系统，其工作波段为可见谱段，无法适配制冷型红外探测器。

2009年，刊载于中国期刊《红外与激光工程》，第38卷第3期，题为《大入瞳距双通道红外投影系统设计》；2015年，刊载于中国期刊《光学学报》第35卷第4期，题为《红外目标模拟器光学系统设计》；以及2016年，刊载于美国期刊AppliedOptics第55卷第28期题为《Diffraction analysis for DMD-based scene_projectors in the long-waveinfrared》的文献，公开了不同类型的光瞳前置型红外光学系统，但目标模拟器用的红外投影光学系统主要用于将焦面热红外图像投影至特定位置，无法实现对制冷型红外探测器的有效适配。

2004年，刊载于中国期刊《光学技术》第30卷第4期，题为《基于变焦系统的红外成像目标模拟器研究》的学术论文，公开了一种具有外置出瞳的红外变焦投影光学系统，其虽然具备外置出瞳与连续变焦功能，但同样无法适配制冷型红外探测器。

2008年，SPIE第6940卷，题为《3rd Generation FLIR Demonstrator》的文献，公开了一种具备外置入瞳且适配制冷型探测器的双视场红外光学系统。该光学系统F数为3，适配640×480阵列，20μm像元间距的制冷型红外探测器，采用变倍补偿两个镜组轴向移动的方式实现了约53.8mm与110.7mm两个焦距位置的切换，该光学系统所用镜片约为8片，视场切换镜组镜片为3片，系统结构复杂。

发明内容

本发明的目的是针对现有具有外置入瞳的光学系统，要么光阑后置或前置，不具有外置入瞳；要么无法适配制冷型红外探测器；要么具有外置入瞳，但不具备双视场变焦功能；要么系统结构复杂的技术问题，本发明提供一种具有外置入瞳的制冷型双视场红外光学系统。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种具有外置入瞳的制冷型双视场红外光学系统，其特殊之处在于：包括从物面至像面依次设置的前固定镜、变倍镜、后固定镜组、探测器窗口和冷阑；

所述前固定镜的光焦度为正；

所述变倍镜的光焦度为正，设所述变倍镜的焦距为f5，光学系统长焦端的焦距为fL，fL和f5满足以下条件式：

0.7<|fL/f5|<3.7；

所述后固定镜组的光焦度为正，包括沿光线传输方向依次设置的第一负透镜、第三正透镜和第二负透镜；

所述变倍镜能够沿光轴方向前后移动，实现视场切换与离焦补偿，在变倍镜移至光学系统一次像面的像方侧，光学系统处于长焦位置；在变倍镜移至光学系统一次像面的物方侧，光学系统位于短焦位置。

进一步地，设所述前固定镜的焦距为f6，f6和fL满足以下条件式：

0.5<|fL/f6|<1.8。

进一步地，设所述后固定镜组的焦距为f4，f4和fL满足以下条件式：

2.9<|fL/f4|<6.8。

进一步地，设所述第一负透镜的规化色差系数为c401，c401满足以下条件式：

c401>0.4％。

进一步地，所述前固定镜、变倍镜、第一负透镜、第三正透镜、第二负透镜、探测器窗口、冷阑的材料分别为硅、硅、硫系、硅、锗、硅、锗。

进一步地，所述前固定镜后表面与变倍镜前表面之间的间隔范围为71.99mm～112.28mm；

所述变倍镜后表面与第一负透镜前表面之间的间隔范围为70.29mm～30mm。

进一步地，还包括滤光片，所述滤光片设置在前固定镜与变倍镜之间或者变倍镜与第一负透镜之间或者第一负透镜与第三正透镜之间或者第三正透镜与第二负透镜之间或者第二负透镜与探测器窗口之间，滤光片用于对工作谱段的更换。

进一步地，所述变倍镜通过齿轮-导轨机构、凸轮-套筒机构或凸轮-导轨机构实现沿光轴方向前后移动。

进一步地，所述前固定镜与变倍镜之间设置第二平面反射镜，和/或变倍镜与第一负透镜之间设置第一平面反射镜。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明制冷型双视场红外光学系统仅需要五个镜片，能够实现体积小巧，结构紧凑；以及采用变倍镜(单镜片)移动方式实现视场切换，能够实现适配制冷型红外探测器，且具有外置入瞳的双视场切换功能；并在视场切换前后，全视场均具有较好的成像质量。

2、本发明光学系统的前固定镜、变倍镜和后固定镜组采用硅、锗或硫系材料，均为普通红外材料具有较好的可获得与可加工特性。

3、本发明光学系统内可设置可更换的滤光片，当光学系统需要工作于特定谱段时，只需切入相应谱段的滤光片，即可获得对应谱段的光学影像。

4、本发明变倍镜通过齿轮-导轨机构、凸轮-套筒机构或凸轮-导轨机构等驱动机构，在光学系统光轴方向按着设定规律前后直线移动实现视场，实现方式简单，切换前后系统总长固定不变，质心变化较小。

5、本发明光学系统在前固定镜与变倍镜之间、变倍镜与第一负透镜之间设反射镜，压缩整个光学系统的体积，实现小型化，满足体积要求严格环境下的应用要求。

附图说明

图1是本发明具有外置入瞳的制冷型双视场红外光学系统的透镜模型示意图一(光学系统位于短焦位置时，其一次像面位于变倍镜的像方侧)；

图2是本发明具有外置入瞳的制冷型双视场红外光学系统的透镜模型示意图二(光学系统位于长焦位置时，其一次像面位于变倍镜的物方侧)；

图3是本发明具有外置入瞳的制冷型双视场红外光学系统实施例一在不同焦距下的镜组分布示意图，其中，图a、b分别为短焦和长焦状态；

图4是本发明实施例一焦距50mm时MTF图；

图5是本发明实施例一焦距100mm时MTF图；

图6是本发明具有外置入瞳的制冷型双视场红外光学系统实施例二在不同焦距下的镜组分布示意图，其中，图a、b分别为短焦和长焦状态；

其中，附图标记如下：

1-像面，2-冷阑，3-探测器窗口，4-后固定镜组，401-第一负透镜，402-第三正透镜，403-第二负透镜，5-变倍镜，6-前固定镜，7-入瞳，8-物面，9-一次像面，10-第一平面反射镜，11-第二平面反射镜。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

如图1至图3所示，本发明一种具有外置入瞳的制冷型双视场红外光学系统，定义光线从左至右入射，该光学系统包括沿光线传播方向从左至右依次同轴设置的前固定镜6、变倍镜5、后固定镜组4、探测器窗口3和冷阑2，前固定镜6的左侧为光学系统的物面8，冷阑2的右侧为光学系统的像面1(焦面)；光学系统的入瞳7固定位于前固定镜6的左侧且位于物面8的右侧；前固定镜6、变倍镜5、后固定镜组4共同构成完整的成像系统。

变倍镜5通过驱动机构可沿光轴方向按设定规律前后直线移动，实现视场切换与离焦补偿，变倍镜5移动过程中，光学系统的总长恒定；驱动机构可为齿轮-导轨机构、凸轮-套筒机构或凸轮-导轨机构等其他类似驱动机构；光学系统位于长焦位置时，其一次像面9位于变倍镜5的物方侧，见图1所示；光学系统位于短焦位置时，其一次像面9位于变倍镜5的像方侧，见图2所示；光学系统在长短焦不同位置具有相同的入瞳7位置，入瞳7位于前固定镜6物方侧；本发明光学系统能实现双视场变焦，并具有外置入瞳的红外光学系统。

本发明光学系统中各镜组如下：

1、前固定镜6

前固定镜6具有正光焦度，为单片式正透镜结构，即前固定镜6是第一正透镜。设所述前固定镜6的焦距为f6，具有外置入瞳的制冷型双视场红外光学系统长焦端的焦距为fL时，fL和f6满足以下条件式：

0.5<|fL/f6|<1.8 (1)

条件式(1)是对前固定镜6焦距范围进行限定的式子。通过满足条件式(1)，能够在变倍范围对整个工作谱段范围，由前固定镜6引入的球差和像散良好地进行校正，并保证光学系统的小型化。另外，条件式(1)中，若超出其上限，对光学系统的大视场化有利，但会导致变倍镜5尺寸变大，而使光学系统复杂化。另一方面，若低于其下限，前固定镜6焦距变长，在长焦端引入大的球差和像散，光学系统的小型化变得困难。

如此，在光学系统最靠近物面8侧，能够配置具有较长焦距且具有正光焦度(正折射力)的前固定镜6，有利于光学系统的小型化。

2、变倍镜5

变倍镜5具有正光焦度，为单片式正透镜结构，即变倍镜5是第二正透镜。

设所述变倍镜5的焦距为f5，fL和f5满足以下条件式：

0.7<|fL/f5|<3.7 (2)

条件式(2)是对变倍镜5焦距范围进行限定的式子。通过满足该条件式(2)，能够压缩后固定镜组4的外径，并且可以有效缩短变倍镜5的变焦行程，保证镜组运动平缓迅速。条件式(2)若低于其下限，则后固定镜组4的外径变大，光学系统的小型化变得困难。另一方面，在条件式(2)中若超过其上限，对光学系统的小型化有利，但将引入过多畸变，使光学系统所成影像出现扭曲变形。

如此，变倍镜5能够维持长短焦不同焦距位置时具有相同的入瞳7位置，保证视场切换前后光学系统入瞳7位置稳定，若超出条件式(2)中的限制，光学系统在长短焦位置时的入瞳7位置将发生较大的相对移动，无法实现外置入瞳7的稳定。

另外，变倍镜5还可压缩后组孔径，有效压缩光线在后组镜片表面的入射角，降低后组镜片像差校正的难度，并对与大口径化相伴而生的像差良好地进行校正，保证光学系统变焦迅速，并且能对跨全变倍区域的在整个工作谱段范围内的光产生的色差更好地进行校正。

3、后固定镜组4

后固定镜组4具有正光焦度，为三分离透镜结构，由第一负透镜401、第三正透镜402和第二负透镜403构成；

设后固定镜组4的的焦距为f4，第一负透镜401的规化色差系数为c401，则f4和c401满足以下条件式：

2.9<|fL/f4|<6.8 (3)

c401>0.4％ (4)

其中，c401为在3.0μm～5.0μm谱段的规化色差系数，其数值等于阿贝数的倒数；

条件式(3)是对后固定镜组4的焦距范围进行限定的式子。通过满足该条件式(3)，能够维持后固定镜组4简单的光学结构，不致使整个后固定镜组4复杂化。条件式(3)中若低于其下限或超过其上限，均会导致后固定镜组4的复杂化，而使整个光学系统性能劣化。

条件式(4)是规定跨全变倍区域地对后固定镜组4相对于整个工作谱段区域的光产生的色像差良好地进行校正的条件式子。通过由满足条件式(4)的高色散材料形成后固定镜组4中的第一负透镜401，能够在全变倍范围对工作谱段范围的光而产生的色差良好地进行校正。另外，条件式(4)中，若低于它的下限，则轴上色差的校正变得困难，不能够对于整个工作谱段范围的光产生的色差充分地进行校正。

前固定镜6、变倍镜5和后固定镜组4采用硅、锗或硫系材料，具有较好的加工特性。当采用其他红外光学材料时，只需对所述各镜组光焦度做相应调整，即可获得更为优良的成像性能。

如上所述，本实施例具有外置入瞳的制冷型双视场红外光学系统，通过满足上述各条件，能够实现体积小巧，结构紧凑，并具有外置入瞳的制冷型双视场。通过同时多个满足上述各条件，能够得到更优良的光学性能。

本发明光学系统共五个镜片，从物面8到焦面依次排列固联具有正折射力的第一正透镜(前固定镜6)、具有正折射力第二正透镜(变倍镜5)、具有负折射力的第一负透镜401、具有正折射力第三正透镜402和具有负折射力的第二负透镜403、探测器窗口3、探测器冷阑2，在成像面1配置焦平面探测器的受光面。

实施例一

表示本实施例光学系统相关的各种数值数据如下：

焦距范围：50mm/100mm

清晰成像范围：3m～INF

F/#＝4，F#即为光圈数是入瞳7口径与焦距之比的倒数，即F＝f/D

光学总长：200mm(至焦面)

入瞳7位置：20mm(光学系统入瞳7与第一正透镜物方侧表面顶点的距离)

工作谱段范围：3.7μm～4.8μm

探测器对脚线尺寸：12.3mm

消热温度范围：-45℃～+70℃

图2是本实施例光学系统在不同焦距位置的镜片结构示意图。

以下表1、表2和表3给出了本实施例所涉及光学系统相关的各种数值

表1本实施例光学系统各透镜的具体参数(单位：mm)

注：*面为非球面。

在进行视场切换与离焦补偿的过程中，由于变倍镜5移动将产生间隔距离的变化，其中可变面间隔数据如表2所示；

表2本实施例光学系统可变面间隔数据

面间隔	f＝50	f＝100
			D3	71.99	112.28
D5	70.29	30

在本实施例中，部分透镜焦距、规化色差系数数据参数如表3所示；

表3本实施例光学系统的参数表

序号	条件	参数值
			1	|fL/f6|	0.75
2	|fL/f5|	1.74
			3	|fL/f4|	4.72
4	c401	0.91％

本实施例光学系统的镜片总数量少，具有较好的公差特性；各镜组所用光学材料均为普通红外材料，具有较好的可获得与可加工特性。

本实施例光学系统中，从前固定镜6靠近物面8一侧的面到像面1的总长220mm，各透镜最大口径小于27mm。

如图4和图5分别给出了本实施例在长、短焦位置时的MTF评价曲线，从中可以看出，本实施例光学系统中，各焦距位置0.5视场内，在34lp/mm处，MTF均不小于0.3，可保证优良成像。

实施例二

如图6所示，与实施例一不同在于：还包括设置在前固定镜6和变倍镜5之间的第二平面反射镜11和设置在变倍镜5与后固定镜组4(第一负透镜401)之间的第一平面反射镜10，相应地，对各透镜、探测器窗口3和冷阑2的位置进行调整，前固定镜6位于第二平面反射镜11的入射光轴上，后固定镜、探测器窗口3和冷阑2依次位于第一平面反射镜10的反射光轴上，第一平面反射镜10和第二平面反射镜11改变光束的传输方向，可进一步压缩整个光学系统的体积，满足体积要求严格环境下的应用要求。在其他实施例中，也可仅设置第一平面反射镜10或者仅设置第二平面反射镜11。

以上利用实施实例对本发明的描述，其意图是示例性的，不对本发明的保护范围起限制作用。因此，对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明所提出的权利要求范围的条件内，可对所描述的本发明进行特征替换或修改。

Claims (9)

1.一种具有外置入瞳的制冷型双视场红外光学系统，其特征在于：由从物面(8)至像面(1)依次设置的前固定镜(6)、变倍镜(5)、后固定镜组(4)、探测器窗口(3)和冷阑(2)组成；

所述前固定镜(6)的光焦度为正，且为单片式结构；

所述变倍镜(5)的光焦度为正，且为单片式结构，设所述变倍镜(5)的焦距为f5，光学系统长焦端的焦距为fL，fL和f5满足以下条件式：

0.7<|fL/f5|<3.7；

所述后固定镜组(4)的光焦度为正，由沿光线传输方向依次设置的第一负透镜(401)、第三正透镜(402)和第二负透镜(403)组成；

所述变倍镜(5)能够沿光轴方向前后移动，实现视场切换与离焦补偿。

2.根据权利要求1所述具有外置入瞳的制冷型双视场红外光学系统，其特征在于：设所述前固定镜(6)的焦距为f6，f6和fL满足以下条件式：

0.5<|fL/f6|<1.8。

3.根据权利要求1所述具有外置入瞳的制冷型双视场红外光学系统，其特征在于：设所述后固定镜组(4)的焦距为f4，f4和fL满足以下条件式：

2.9<|fL/f4|<6.8。

4.根据权利要求1所述具有外置入瞳的制冷型双视场红外光学系统，其特征在于：设所述第一负透镜(401)的规化色差系数为c401，c401满足以下条件式：

c401>0.4％。

5.根据权利要求1至4任一所述具有外置入瞳的制冷型双视场红外光学系统，其特征在于：所述前固定镜(6)、变倍镜(5)、第一负透镜(401)、第三正透镜(402)、第二负透镜(403)、探测器窗口(3)、冷阑(2)的材料分别为硅、硅、硫系、硅、锗、硅、锗。

6.根据权利要求5所述具有外置入瞳的制冷型双视场红外光学系统，其特征在于：所述前固定镜(6)后表面与变倍镜(5)前表面之间的间隔范围为71.99mm～112.28mm；

所述变倍镜(5)后表面与第一负透镜(401)前表面之间的间隔范围为70.29mm～30mm。

7.根据权利要求1所述具有外置入瞳的制冷型双视场红外光学系统，其特征在于：还包括滤光片，所述滤光片设置在前固定镜(6)与变倍镜(5)之间或者变倍镜(5)与第一负透镜(401)之间或者第一负透镜(401)与第三正透镜(402)之间或者第三正透镜(402)与第二负透镜(403)之间或者第二负透镜(403)与探测器窗口(3)之间。

8.根据权利要求1所述具有外置入瞳的制冷型双视场红外光学系统，其特征在于：所述变倍镜(5)通过齿轮-导轨机构、凸轮-套筒机构或凸轮-导轨机构实现沿光轴方向前后移动。

9.根据权利要求1所述具有外置入瞳的制冷型双视场红外光学系统，其特征在于：所述前固定镜(6)与变倍镜(5)之间设置第二平面反射镜(11)，和/或变倍镜(5)与第一负透镜(401)之间设置第一平面反射镜(10)。

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