CN114355594A - 一种小型化中波红外变焦光学系统 - Google Patents

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本发明涉及一种小型化中波红外变焦光学系统，所述光学系统沿着物面到像面依次有：前固定组A、变倍组B、补偿组C、后固定组D；其中，前固定组A包含弯月正透镜A1，平凹负透镜A2；变倍组B包含双凹负透镜B；补偿组C包含双凸正透镜C；后固定组D包含弯月负透镜D1、双凸正透镜D2、弯月负透镜D3、双凸正透镜D4、弯月负透镜D5、弯月正透镜D6、弯月负透镜D7、弯月正透镜D8，该光学系统能匹配640x512@15um制冷型中波红外探测器，通过反射镜实现两次转折，实现小型化轻型化的结构形式。

Description

一种小型化中波红外变焦光学系统
技术领域：
本发明涉及一种小型化中波红外变焦光学系统，属于光电领域。
背景技术：
近年来，在导航、搜索、跟踪、警戒、侦查等领域广泛使用的红外成像系统越来越多地采用连续变焦系统，其大视场用于大范围内搜索目标，提高捕获概率，并在发现目标时，调整到小视场，对目标进行识别、跟踪；该系统在视场转换过程中能够保持图像的连续性，克服了两档或多档镜头切换过程中出现短时目标模糊的缺陷，对搜索和跟踪高速运动目标非常有利。
但由于制冷型探测器的冷阑位于系统末端，为了与制冷型焦平面探测器结构相匹配，提高整个系统的灵敏度及成像质量，减少杂散光对系统的干扰，系统的孔径光阑与制冷型焦平面探测器的冷阑重合以保证系统具有100%的冷光阑效率，目前制冷型变焦系统多采用二次成像结构形式来压缩系统第一片物镜的口径，但是对于一些特殊应用场合，当要求系统体积口径足够小的情形下，采用二次成像结构形式的口径还是会偏大，导致体积偏大无法满足使用要求。
发明内容：
为了满足制冷型变焦系统在某些特殊应用场合的使用，现提出一款三次成像结构形式的中波红外变焦光学系统，该光学系统能匹配640x512@15um制冷型中波红外探测器，通过反射镜实现两次转折，实现小型化轻型化的结构形式。
本发明小型化中波红外变焦光学系统，其特征在于：所述光学系统沿着物面到像面依次设置有前固定组A、变倍组B、补偿组C及后固定组D，其中，前固定组A由材料为硅单晶的弯月正透镜A1和材料为锗单晶的平凹负透镜A2构成；变倍组B由材料为锗单晶的双凹负透镜B1构成；补偿组C由材料为硅单晶的双凸正透镜C1构成；后固定组D由材料为锗单晶的弯月负透镜D1、材料为硅单晶的双凸正透镜D2、材料为锗单晶的弯月负透镜D3、材料为硅单晶的双凸正透镜D4、材料为锗单晶的弯月负透镜D5、材料为硅单晶为弯月正透镜D6、材料为硫化锌的弯月负透镜D7和材料为硅单晶的弯月正透镜D8构成；弯月负透镜D1与双凸正透镜D2之间设有第一反射镜，弯月负透镜D5与弯月正透镜D6之间设有第二反射镜，弯月正透镜A1、平凹负透镜A2、双凹负透镜B1、双凸正透镜C1和弯月负透镜D1形成的第一光轴与双凸正透镜D2、弯月负透镜D3、双凸正透镜D4和弯月负透镜D5形成的第二光轴相互垂直，双凸正透镜D2、弯月负透镜D3、双凸正透镜D4和弯月负透镜D5形成的第二光轴与弯月正透镜D6、弯月负透镜D7、弯月正透镜D8和成像面IMA形成的第三光轴相互垂直，第一光轴与第二光轴通过第一反射镜折射形成垂直，第二光轴与第三光轴通过第三反射镜折射形成垂直，第一光轴与第三光轴位于第二光轴的同一侧，以形成U型光路；
所述光学系统的具体性能参数为：
（1）F数: 5.5；
（2）水平视场角：大视场大于30°；小视场大于2.2°；
（3）成像圆直径：不小于Ф12.3；
（4）工作光谱范围：3.7um～4.8um；
（5）该镜头适用于640*512，15um制冷型中波红外探测器。
进一步的，上述前固定组A与变倍组B间的空气间隔为6.6mm~39.7mm；弯月正透镜A1与平凹负透镜A2的空气间隔为3.1mm；平凹负透镜A2与变倍组B间的空气间隔为6.6mm~39.7mm；变倍组B与补偿组C间的空气间隔为72.6mm~24.6mm；补偿组C与后固定组D间的空气间隔为4.7mm~19.5mm，弯月负透镜D1与双凸正透镜D2间的空气间隔为73.3mm，双凸正透镜D2与弯月负透镜D3间的空气间隔为3.7mm，弯月负透镜D3与双凸正透镜D4间的空气间隔为38.4mm，双凸正透镜D4与弯月负透镜D5间的空气间隔为0.8mm，弯月负透镜D5与弯月正透镜D6间的空气间隔为54.5mm，弯月正透镜D6与弯月负透镜D7间的空气间隔为3.4mm，弯月负透镜D7与弯月正透镜D8间的空气间隔为0.8mm。
光学元件参数如下：
Figure 694256DEST_PATH_IMAGE001
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
非球面相关数据：
Figure 752342DEST_PATH_IMAGE003
非球面表达式为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE004
Z代表光轴方向的位置，r代表相对光轴的垂直方向上的高度，c代表曲率半径，k代表圆锥系数，
Figure 171560DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 442135DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE008
...代表非球面系数。在非球面数据中，E-n代表“
Figure 633338DEST_PATH_IMAGE009
”，例如3.2270E-007代表
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE010
。
进一步的，上述弯月正透镜A1的凸面朝向物面、凹面朝向像面，平凹负透镜A2的平面朝向物面、凹面朝向像面，弯月负透镜D1的凹面朝向物面、凸面朝向像面，弯月负透镜D3凸面朝向物面、凹面朝向像面，弯月负透镜D5凹面朝向物面、凸面朝向像面；弯月正透镜D6的凸面朝向物面、凹面朝向像面，弯月负透镜D7的凸面朝向物面、凹面朝向像面，弯月正透镜D8的凸面朝向物面、凹面朝向像面。
本发明由十二片镜片组成，采用三次成像结构形式，可减小系统各个镜片的口径，轻量化镜头重量，经二次折转后系统光路可实现小型化；在优化时，对于冷反射较严重的面，加入曲率半径的约束条件，改变该面近轴主光线和边缘光线的角度，减小冷反射的值；合理分配光焦度并结合使用偶次非球面来平衡系统像差；通过曲率及厚度的调整降低各个光学件的敏感度，使得该镜头更易于加工与装调。
相比其它镜头，该镜头具备的优势有：
a)本发明的系统采用三次成像光路设计，光阑位置放在探测器冷光阑上，保证100%冷光阑效率，相比常规的二次成像系统，三次成像更有利于压缩系统各镜片的口径，轻量化系统；
b)本发明采用U型结构，将光路进行二次90°折转，可实现系统小型化。
c)本发明系统采用硅锗硫化锌三种材料相配合，更有利于矫正系统色差，保证变焦过程中像质保持良好。
附图说明：
图1是本发明短焦光学结构图；
图2是本发明长焦光学结构图；
图3是本发明短焦MTF值；
图4是本发明长焦MTF值；
图5是本发明短焦点列图；
图6是本发明长焦点列图；
图7-9是图1的局部视图。
具体实施方式：
本发明小型化中波红外变焦光学系统，光学系统沿着物面到像面依次设置有前固定组A、变倍组B、补偿组C及后固定组D，其中，前固定组A由材料为硅单晶的弯月正透镜A1和材料为锗单晶的平凹负透镜A2构成；变倍组B由材料为锗单晶的双凹负透镜B1构成；补偿组C由材料为硅单晶的双凸正透镜C1构成；后固定组D由材料为锗单晶的弯月负透镜D1、材料为硅单晶的双凸正透镜D2、材料为锗单晶的弯月负透镜D3、材料为硅单晶的双凸正透镜D4、材料为锗单晶的弯月负透镜D5、材料为硅单晶为弯月正透镜D6、材料为硫化锌的弯月负透镜D7和材料为硅单晶的弯月正透镜D8构成；弯月负透镜D1与双凸正透镜D2之间设有第一反射镜，弯月负透镜D5与弯月正透镜D6之间设有第二反射镜，弯月正透镜A1、平凹负透镜A2、双凹负透镜B1、双凸正透镜C1和弯月负透镜D1形成的第一光轴与双凸正透镜D2、弯月负透镜D3、双凸正透镜D4和弯月负透镜D5形成的第二光轴相互垂直，双凸正透镜D2、弯月负透镜D3、双凸正透镜D4和弯月负透镜D5形成的第二光轴与弯月正透镜D6、弯月负透镜D7、弯月正透镜D8和成像面IMA形成的第三光轴相互垂直，第一光轴与第二光轴通过第一反射镜折射形成垂直，第二光轴与第三光轴通过第三反射镜折射形成垂直，第一光轴与第三光轴位于第二光轴的同一侧，以形成U型光路；
所述光学系统的具体性能参数为：
（1）F数: 5.5；
（2）水平视场角：大视场大于30°；小视场大于2.2°；
（3）成像圆直径：不小于Ф12.3；
（4）工作光谱范围：3.7um～4.8um；
（5）该镜头适用于640*512，15um制冷型中波红外探测器。
此镜头为制冷型变焦光学系统，通过移动变倍组实现光学变焦，大视场用于大范围内的目标搜索，提高捕获概率，小视场用于目标识别跟踪，本系统采用三次成像结构形式，减小系统各个镜片的口径，轻量化镜头重量，再经二次折转后系统光路可实现小型化，满足实际应用的要求，该镜头可搭配640*512@15um制冷型中波红外探测器使用。
进一步的，上述前固定组A与变倍组B间的空气间隔为6.6mm~39.7mm；弯月正透镜A1与平凹负透镜A2的空气间隔为3.1mm；平凹负透镜A2与变倍组B间的空气间隔为6.6mm~39.7mm；变倍组B与补偿组C间的空气间隔为72.6mm~24.6mm；补偿组C与后固定组D间的空气间隔为4.7mm~19.5mm，弯月负透镜D1与双凸正透镜D2间的空气间隔为73.3mm，双凸正透镜D2与弯月负透镜D3间的空气间隔为3.7mm，弯月负透镜D3与双凸正透镜D4间的空气间隔为38.4mm，双凸正透镜D4与弯月负透镜D5间的空气间隔为0.8mm，弯月负透镜D5与弯月正透镜D6间的空气间隔为54.5mm，弯月正透镜D6与弯月负透镜D7间的空气间隔为3.4mm，弯月负透镜D7与弯月正透镜D8间的空气间隔为0.8mm。
光学元件参数如下：
Figure 331167DEST_PATH_IMAGE001
Figure 270304DEST_PATH_IMAGE002
非球面相关数据：
Figure 905423DEST_PATH_IMAGE003
非球面表达式为：
Figure 246405DEST_PATH_IMAGE004
Z代表光轴方向的位置，r代表相对光轴的垂直方向上的高度，c代表曲率半径，k代表圆锥系数，
Figure 177452DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 869465DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 45624DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 506693DEST_PATH_IMAGE008
...代表非球面系数。在非球面数据中，E-n代表“
Figure 874220DEST_PATH_IMAGE009
”，例如3.2270E-007代表
Figure 319108DEST_PATH_IMAGE010
。
进一步的，上述弯月正透镜A1的凸面朝向物面、凹面朝向像面，平凹负透镜A2的平面朝向物面、凹面朝向像面，弯月负透镜D1的凹面朝向物面、凸面朝向像面，弯月负透镜D3凸面朝向物面、凹面朝向像面，弯月负透镜D5凹面朝向物面、凸面朝向像面；弯月正透镜D6的凸面朝向物面、凹面朝向像面，弯月负透镜D7的凸面朝向物面、凹面朝向像面，弯月正透镜D8的凸面朝向物面、凹面朝向像面。
由图2、图3可以看出，该变焦镜头的MTF曲线接近衍射极限，具有较高的分辨率，满足640*512,15um制冷型中波红外探测器的传函需求；由图4、图5可知，该镜头各视场下的RMS弥散斑半径均小于艾里斑半径，表明该系统成像质量良好，满足要求。
本发明由十二片镜片组成，采用三次成像结构形式，可减小系统各个镜片的口径，轻量化镜头重量，经二次折转后系统光路可实现小型化；在优化时，对于冷反射较严重的面，加入曲率半径的约束条件，改变该面近轴主光线和边缘光线的角度，减小冷反射的值；合理分配光焦度并结合使用偶次非球面来平衡系统像差；通过曲率及厚度的调整降低各个光学件的敏感度，使得该镜头更易于加工与装调。
相比其它镜头，该镜头具备的优势有：
a)本发明的系统采用三次成像光路设计，光阑位置放在探测器冷光阑上，保证100%冷光阑效率，相比常规的二次成像系统，三次成像更有利于压缩系统各镜片的口径，轻量化系统；
b)本发明采用U型结构，将光路进行二次90°折转，可实现系统小型化。
c)本发明系统采用硅锗硫化锌三种材料相配合，更有利于矫正系统色差，保证变焦过程中像质保持良好。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可以得出其他各种形式的红外光学系统。凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (4)

1.一种小型化中波红外变焦光学系统，其特征在于：所述光学系统沿着物面到像面依次设置有前固定组A、变倍组B、补偿组C及后固定组D，其中，前固定组A由材料为硅单晶的弯月正透镜A1和材料为锗单晶的平凹负透镜A2构成；变倍组B由材料为锗单晶的双凹负透镜B1构成；补偿组C由材料为硅单晶的双凸正透镜C1构成；后固定组D由材料为锗单晶的弯月负透镜D1、材料为硅单晶的双凸正透镜D2、材料为锗单晶的弯月负透镜D3、材料为硅单晶的双凸正透镜D4、材料为锗单晶的弯月负透镜D5、材料为硅单晶为弯月正透镜D6、材料为硫化锌的弯月负透镜D7和材料为硅单晶的弯月正透镜D8构成；弯月负透镜D1与双凸正透镜D2之间设有第一反射镜，弯月负透镜D5与弯月正透镜D6之间设有第二反射镜，弯月正透镜A1、平凹负透镜A2、双凹负透镜B1、双凸正透镜C1和弯月负透镜D1形成的第一光轴与双凸正透镜D2、弯月负透镜D3、双凸正透镜D4和弯月负透镜D5形成的第二光轴相互垂直，双凸正透镜D2、弯月负透镜D3、双凸正透镜D4和弯月负透镜D5形成的第二光轴与弯月正透镜D6、弯月负透镜D7、弯月正透镜D8和成像面IMA形成的第三光轴相互垂直，第一光轴与第二光轴通过第一反射镜折射形成垂直，第二光轴与第三光轴通过第三反射镜折射形成垂直，第一光轴与第三光轴位于第二光轴的同一侧，以形成U型光路；
所述光学系统的具体性能参数为：
（1）F数: 5.5；
（2）水平视场角：大视场大于30°；小视场大于2.2°；
（3）成像圆直径：不小于Ф12.3；
（4）工作光谱范围：3.7um～4.8um；
（5）该镜头适用于640*512，15um制冷型中波红外探测器。
2.根据权利要求1所述的小型化中波红外变焦光学系统，其特征在于：所述前固定组A与变倍组B间的空气间隔为6.6mm~39.7mm；弯月正透镜A1与平凹负透镜A2的空气间隔为3.1mm；平凹负透镜A2与变倍组B间的空气间隔为6.6mm~39.7mm；变倍组B与补偿组C间的空气间隔为72.6mm~24.6mm；补偿组C与后固定组D间的空气间隔为4.7mm~19.5mm，弯月负透镜D1与双凸正透镜D2间的空气间隔为73.3mm，双凸正透镜D2与弯月负透镜D3间的空气间隔为3.7mm，弯月负透镜D3与双凸正透镜D4间的空气间隔为38.4mm，双凸正透镜D4与弯月负透镜D5间的空气间隔为0.8mm，弯月负透镜D5与弯月正透镜D6间的空气间隔为54.5mm，弯月正透镜D6与弯月负透镜D7间的空气间隔为3.4mm，弯月负透镜D7与弯月正透镜D8间的空气间隔为0.8mm。
3.根据权利要求1或2所述的小型化中波红外变焦光学系统，其特征在于：
光学元件参数如下：
Figure 343289DEST_PATH_IMAGE001
Figure DEST_PATH_IMAGE002
非球面相关数据：
Figure 135795DEST_PATH_IMAGE003
非球面表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
Z代表光轴方向的位置，r代表相对光轴的垂直方向上的高度，c代表曲率半径，k代表圆锥系数，
Figure 105413DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 343365DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure DEST_PATH_IMAGE008
...代表非球面系数；
在非球面数据中，E-n代表“
Figure 361000DEST_PATH_IMAGE009
”，例如3.2270E-007代表
Figure DEST_PATH_IMAGE010
。
4.根据权利要求1或2所述的小型化中波红外变焦光学系统，其特征在于：所述弯月正透镜A1的凸面朝向物面、凹面朝向像面，平凹负透镜A2的平面朝向物面、凹面朝向像面，弯月负透镜D1的凹面朝向物面、凸面朝向像面，弯月负透镜D3凸面朝向物面、凹面朝向像面，弯月负透镜D5凹面朝向物面、凸面朝向像面；弯月正透镜D6的凸面朝向物面、凹面朝向像面，弯月负透镜D7的凸面朝向物面、凹面朝向像面，弯月正透镜D8的凸面朝向物面、凹面朝向像面。
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