CN114488494A - 一种制冷型中波红外两档变倍光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种制冷型中波红外两档变倍光学系统，解决现有透射式长焦距中波红外光学系统宽温适应性差，调焦后系统焦距变化量大影响测量精度的问题。光学系统包括依次设的前固定组、调焦镜、变倍组和投影镜组；前固定组包括沿光线传输方向依次设的正光焦度朝向物方凸的弯月透镜和负光焦度朝向物方凸的弯月透镜；调焦镜是负光焦度朝向物方凸的弯月透镜；变倍组包括依次设的正光焦度朝向物方凸的弯月透镜和负光焦度朝向物方凸的弯月透镜；投影镜组包括依次设的正光焦度朝向物方凸的平凸透镜、负光焦度的双凹透镜和正光焦度双凸透镜；变倍组和调焦镜能够沿光轴方向前后移动，实现双视场的切换和补偿距离和环境温度变化引起的像面偏移。
Description
技术领域
本发明涉及一种中波红外光学系统，具体涉及一种制冷型中波红外两档变倍光学系统。
背景技术
红外热成像技术本质上是一种波长转换技术，即把红外辐射转化成可见光的技术，利用景象各部分的辐射差异来获取图像的技术。红外光学系统不同于可见光光学系统，其接收的是来自于目标自身的红外辐射能量。红外光学系统可以全天候工作，可在夜间进行观测定位以及目标跟踪，具有很强的探测能力，也可在浓雾下进行观测，被动工作，抗干扰性强。
现有红外光学系统结构有透射式和折反式结构。与折反式结构相比，透射式结构优点是：结构简单，无中心遮拦，装调容易，透过率高，有利于提高作用距离。但，现有透射式长焦距中波红外光学系统的宽温适应性较差，调焦后系统焦距变化量较大影响测量精度。
发明内容
为了解决现有透射式长焦距中波红外光学系统宽温适应性差，调焦后系统焦距变化量大影响测量精度的技术问题，本发明提供了一种制冷型中波红外两档变倍光学系统。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种制冷型中波红外两档变倍光学系统，其特殊之处在于：
包括从物方至像方依次设置的前固定组、调焦镜、变倍组和投影镜组；
所述前固定组包括沿光线传输方向依次设置的第一透镜和第二透镜，第一透镜是一个正光焦度朝向物方凸的弯月透镜，第二透镜是一个负光焦度朝向物方凸的弯月透镜。
所述调焦镜是一个负光焦度朝向物方凸的弯月透镜；
所述变倍组包括沿光线传输方向依次设置的第三透镜和第四透镜，第三透镜是一个正光焦度朝向物方凸的弯月透镜，第四透镜是一个负光焦度朝向物方凸的弯月透镜；
所述投影镜组包括沿光线传输方向依次设置的第五透镜、第六透镜和第七透镜，第五透镜是一个正光焦度朝向物方凸的平凸透镜，第六透镜是一个负光焦度的双凹透镜，第七透镜是一个正光焦度双凸透镜；
所述调焦镜和变倍组可沿光轴方向前后移动，变倍组用于实现双视场的切换，调焦镜用于补偿距离和环境温度变化引起的像面偏移。
进一步地，所述第一透镜、第二透镜、调焦镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜的材质分别为硅、锗、ZnS、硅、锗、硅、锗、硅。
进一步地，定义靠近物方侧的表面为前表面，靠近像方侧的表面为后表面；
所述第一透镜的厚度为25mm，其前表面为球面，曲率半径为317.44mm；后表面为球面，曲率半径为685.5mm；
所述第二透镜的厚度为19mm，其前表面为球面，曲率半径为1207.15mm；后表面为球面，曲率半径为538.01mm；
所述调焦镜的厚度为11mm，其前表面为球面，曲率半径为478.6mm；后表面为球面，曲率半径为361.4mm；
所述第三透镜的厚度为15.18mm，其前表面为球面，曲率半径为108.75mm；后表面为球面，曲率半径为165.2mm；
所述第四透镜的厚度为10.33mm，其前表面为球面，曲率半径为159.66mm；后表面为球面，曲率半径为36.22mm；
所述第五透镜的厚度为7.8mm，其前表面为球面，曲率半径为42.64mm；后表面为平面；
所述第六透镜的厚度为17.5mm，其前表面为球面，曲率半径为-55.59mm；后表面为非球面，曲率半径为88.31mm，非球面系数为A＝9.28×10-6,B＝-1.21×10-8，C＝1.56×10-11；
所述第七透镜的厚度为20mm，其前表面为球面，曲率半径为158.85mm；后表面为球面，曲率半径为-50.12mm。
进一步地，所述调焦镜后表面到第三透镜前表面之间的距离为20～58.87mm；
所述第四透镜后表面到第五透镜前表面之间的距离为91.38～52.51mm；
进一步地，所述第一透镜后表面到第二透镜前表面之间的距离为38.2mm；
所述第二透镜后表面到调焦镜前表面之间的距离为164.31mm；
所述第三透镜后表面到第四透镜前表面之间的距离为46.19mm；
所述第五透镜后表面到第六透镜前表面之间的距离为4.16mm；
所述第六透镜后表面到第七透镜前表面之间的距离为2.69mm。
进一步地，所述双视场包括短焦400mm的视场(1.37°×1.10°)和长焦800mm的视场(0.68°×0.55°)。
进一步地，所述光学系统为短焦时，调焦镜的调焦量-4.25mm～7.45mm，焦距变化量为-3.6mm～2.4mm；
所述光学系统为长焦时，调焦镜的调焦量-3.98mm～7.15mm，焦距变化量为-8.0mm～4.2mm。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1、本发明变倍组由一个正光焦度朝向物方凸的弯月透镜和一个负光焦度朝向物方凸的弯月透镜组成，通过轴向移动变倍组可实现中波红外系统焦距两档变倍，对结构设计及控制的要求低，易保证系统的高成像质量；在变倍组前设计调焦镜，采用轴向移动调焦镜的内调焦方式来保证焦面变化对像质的影响，当环境温度由-35℃～+55℃变化时，通过调焦镜调焦，可有效补偿环境温度对系统造成的性能下降，此外，调焦镜可保证光学系统调焦后的焦距值得到有效补偿。
2、本发明光学系统焦距400mm/800mm两档变倍，具有结构简单，透过率高，宽温适应性好，成像品质好等特点。当环境温度从-35℃～+55℃变化时，系统经过调焦后，焦距的最大变化量仅为系统焦距的1％，满足测量精度的需要。
3、本发明两档变倍光学系统既可以在大视场时捕获目标，又可以在小视场时对目标进行详细观察。
附图说明
图1为本发明实施例中波红外短焦400mm光学系统光路图；
图2为本发明实施例中波红外长焦800mm光学系统光路图；
图3为本发明实施例中波红外短焦400mm光学系统MTF曲线图；
图4为本发明实施例中波红外长焦800mm光学系统MTF曲线图；
图5a和图5b为分别为本发明实施例中波红外短焦400mm系统-35℃和+55℃调焦后的MTF曲线图；
图6a和图6b为分别为本发明实施例中波红外长焦800mm系统-35℃和+55℃调焦后的MTF曲线图；
图7为本发明实施例中波红外短焦400mm光学系统球差、场曲和畸变曲线图；
图8为本发明实施例中波红外长焦800mm光学系统球差、场曲和畸变曲线图；
其中，附图标记如下：
01-前固定组，02-变倍组，03-投影镜组，04-焦平面，A-一次像面；
1-第一透镜，2-第二透镜，3-调焦镜，4-第三透镜，5-第四透镜，6-第五透镜，7-第六透镜，8-第七透镜。
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和图2所示，本发明一种制冷型中波红外两档变倍光学系统，包括从物方至像方依次设置的前固定组01、调焦镜3、变倍组02和投影镜组03；
无穷远目标经前固定组01、调焦镜3、变倍组02成像于光学系统的一次像面A，再由投影镜组03将一次像面A成像到红外热像仪的靶面(焦平面04)上，通过轴向前后移动变倍组02实现系统焦距两档切换，以及通过轴向移动调焦镜3来补偿距离和环境温度变化引起的像面偏移。
前固定组01由2个透镜组成，具体为沿光线传输方向依次设置的第一透镜1和第二透镜2，第一透镜1是一个正光焦度朝向物方凸的弯月硅透镜，第二透镜2是一个负光焦度朝向物方凸的弯月锗透镜。
调焦镜3为一个负光焦度朝向物方凸的弯月ZnS透镜。
变倍组02由2个透镜组成，具体为沿光线传输方向依次设置的第三透镜4和第四透镜5，第三透镜4是一个正光焦度朝向物方凸的弯月硅透镜，第四透镜5是一个负光焦度朝向物方凸的弯月锗透镜；
投影镜组03由3个透镜组成，具体为包括沿光线传输方向依次设置的第五透镜6、第六透镜7和第七透镜8，第五透镜6是一个正光焦度朝向物方凸的平凸硅透镜，第六透镜7是一个负光焦度的双凹锗透镜，第七透镜8是一个正光焦度双凸硅透镜。
本实施例光学系统为二次成像光学系统，其中前固定组01、调焦镜3、变倍组02组成一次成像系统，一次成像系统与投影镜组03组成中波红外两档变倍光学系统。一次成像系统将无穷远目标成像于一次像面A，最终投影镜组03将目标成像于热像仪的靶面上，通过投影镜组03实现光学系统与探测器冷屏匹配，冷屏效率100％。
本实施例制冷型中波红外两档变倍光学系统中各透镜参数见下表1：
表1本实施例光学系统中各透镜具体参数(单位为mm)
本实施例中波红外两档变倍光学系统通过轴向移动变倍组02可实现光学系统焦距400mm/800mm两档变倍，变倍组02由靠近物方一端轴向移动至靠近像方一端，系统焦距由长焦800mm向短焦400mm切换时，此过程中，变倍组02(第三透镜4和第四透镜5)与其前透镜(调焦镜3)间隔由20mm变为58.87mm，变倍组02移动行程为38.87mm。
在变倍组02前设计调焦镜3，采用轴向移动调焦镜3的内调焦方式来保证焦面变化对像质的影响。调焦镜3为一个负光焦度朝向物方凸的弯月ZnS透镜，当环境温度在-35℃～+55℃变化时，通过调焦镜3调焦，可有效补偿环境温度对系统造成的性能下降，此外，此调焦镜3的设计，可保证光学系统调焦后的焦距值也得到有效补偿。短焦时调焦镜3的调焦量-4.25mm～7.45mm，焦距变化量为-3.6mm～2.4mm；长焦时调焦镜3的调焦量-3.98mm～7.15mm，焦距变化量为-8.0mm～4.2mm。焦距的最大变化量仅为系统焦距的1％，保证光学系统调焦后的焦距值得到有效补偿。
变倍组02由一个正光焦度朝向物方凸的弯月硅透镜和一个负光焦度朝向物方凸的弯月锗透镜组成，通过轴向移动变倍组02可实现中波红外系统焦距两档变倍，变倍组02两个透镜整体尺寸较小，质量较小，当光学系统焦距两档切换时,变倍组02的轴向移动距离为38.87mm，移动行程较短，对结构设计及控制的要求低，容易保证系统的高成像质量。
图1、图2分别为本实施例中波红外两档变倍光学系统分别在短焦400mm及长焦800mm时的光学系统光路图，系统口径200mm，光学系统焦距400mm/800mm两档变倍，相对孔径1/4，视场1.37°×1.10°(对角线1.76°)/0.68°×0.55°(对角线0.88°)，适用于分辨率640×512，像元尺寸15μm×15μm的制冷型中波红外热像仪，冷屏效率100％，系统总长537.93mm(光学系统第一面至探测器靶面)，最大口径Φ208mm。
红外光学材料的折射率温度系数比普通的光学玻璃要高两个数量级，因而温度的变化会对红外光学系统产生一定的影响。由于温度的影响，在室温下装配调整的系统会由于环境温度的改变而产生像面偏移。当这种偏移量超过光学系统的焦深后，在不进行像面调整的情况下像面偏移会造成光学系统的MTF下降及弥散斑的扩大，从而影响光学系统的像质。
现有透射式长焦距中波红外光学系统，当环境温度大幅度变化时，光学系统的焦距变化大，且调焦后系统的焦距和成像质量得不到有效补偿等问题。本实施例光学系统由前固定组01、调焦镜3、变倍组02、投影镜组03共8片透镜组成，具有结构简单，透过率高，宽温适应性好，成像品质好等特点。当环境温度从-35℃～+55℃变化时，系统经过调焦后，焦距的最大变化量仅为系统焦距的1％，完全满足测量精度的需要。
图3、图4所示分别为中波红外两档变倍光学系统分别在短焦400mm及长焦800mm时的光学系统MTF曲线图。光学传递函数MTF曲线能全面描述系统的成像质量，是衡量系统成像质量最重要的指标。在空间频率33lp/mm时，光学系统轴上及轴外传递函数MTF均接近衍射极限，具有较高的成像质量，完全满足对目标探测的需要。
图5a和5b、图6a和6b所示，为中波红外两档变倍光学系统分别在短焦400mm及长焦800mm时系统-35℃和+55℃调焦后的MTF曲线图。从调焦后的传函MTF可以看出，环境温度的变化对光学系统基本无影响，通过移动调焦镜3，可以补偿环境温度对系统造成的性能下降。
图7、图8分别为中波红外两档变倍光学系统分别在短焦400mm及长焦800mm时的球差、场曲和畸变曲线图。对一个轴上物点来说，它只有两种像差——球差和轴向色差，通常把这两种像差画在一个像差曲线图上，纵坐标代表光束口径，横坐标代表球差和轴向色差。为了表示轴外物点的成像清晰度，一般用像散曲线来表示。曲线中t、s分别代表子午和弧矢场曲，t、s之间的位置之差即为像散。短焦400mm光学系统最大畸变小于0.2％，长焦800mm光学系统最大畸变小于1％，系统成像质量良好，能够满足红外目标搜索跟踪要求。
以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何变形都属于本发明所要保护的技术范畴。
Claims (7)
1.一种制冷型中波红外两档变倍光学系统，其特征在于：
包括从物方至像方依次设置的前固定组(01)、调焦镜(3)、变倍组(02)和投影镜组(03)；
所述前固定组(01)包括沿光线传输方向依次设置的第一透镜(1)和第二透镜(2)，第一透镜(1)是一个正光焦度朝向物方凸的弯月透镜，第二透镜(2)是一个负光焦度朝向物方凸的弯月透镜；
所述调焦镜(3)是一个负光焦度朝向物方凸的弯月透镜；
所述变倍组(02)包括沿光线传输方向依次设置的第三透镜(4)和第四透镜(5)，第三透镜(4)是一个正光焦度朝向物方凸的弯月透镜，第四透镜(5)是一个负光焦度朝向物方凸的弯月透镜；
所述投影镜组(03)包括沿光线传输方向依次设置的第五透镜(6)、第六透镜(7)和第七透镜(8)，第五透镜(6)是一个正光焦度朝向物方凸的平凸透镜，第六透镜(7)是一个负光焦度的双凹透镜，第七透镜(8)是一个正光焦度双凸透镜；
所述调焦镜(3)和变倍组(02)可沿光轴方向前后移动，变倍组(02)用于实现双视场的切换，调焦镜(3)用于补偿距离和环境温度变化引起的像面偏移。
2.根据权利要求1所述制冷型中波红外两档变倍光学系统，其特征在于：所述第一透镜(1)、第二透镜(2)、调焦镜(3)、第三透镜(4)、第四透镜(5)、第五透镜(6)、第六透镜(7)、第七透镜(8)的材质分别为硅、锗、ZnS、硅、锗、硅、锗、硅。
3.根据权利要求1所述制冷型中波红外两档变倍光学系统，其特征在于：定义靠近物方侧的表面为前表面，靠近像方侧的表面为后表面；
所述第一透镜(1)的厚度为25mm，其前表面为球面，曲率半径为317.44mm；后表面为球面，曲率半径为685.5mm；
所述第二透镜(2)的厚度为19mm，其前表面为球面，曲率半径为1207.15mm；后表面为球面，曲率半径为538.01mm；
所述调焦镜(3)的厚度为11mm，其前表面为球面，曲率半径为478.6mm；后表面为球面，曲率半径为361.4mm；
所述第三透镜(4)的厚度为15.18mm，其前表面为球面，曲率半径为108.75mm；后表面为球面，曲率半径为165.2mm；
所述第四透镜(5)的厚度为10.33mm，其前表面为球面，曲率半径为159.66mm；后表面为球面，曲率半径为36.22mm；
所述第五透镜(6)的厚度为7.8mm，其前表面为球面，曲率半径为42.64mm；后表面为平面；
所述第六透镜(7)的厚度为17.5mm，其前表面为球面，曲率半径为-55.59mm；后表面为非球面，曲率半径为88.31mm，非球面系数为A＝9.28×10-6,B＝-1.21×10-8，C＝1.56×10-11；
所述第七透镜(8)的厚度为20mm，其前表面为球面，曲率半径为158.85mm；后表面为球面，曲率半径为-50.12mm。
4.根据权利要求1至3任一所述制冷型中波红外两档变倍光学系统，其特征在于：
所述调焦镜(3)后表面到第三透镜(4)前表面之间的距离为20～58.87mm；
所述第四透镜(5)后表面到第五透镜(6)前表面之间的距离为91.38～52.51mm。
5.根据权利要求4所述制冷型中波红外两档变倍光学系统，其特征在于：
所述第一透镜(1)后表面到第二透镜(2)前表面之间的距离为38.2mm；
所述第二透镜(2)后表面到调焦镜(3)前表面之间的距离为164.31mm；
所述第三透镜(4)后表面到第四透镜(5)前表面之间的距离为46.19mm；
所述第五透镜(6)后表面到第六透镜(7)前表面之间的距离为4.16mm；
所述第六透镜(7)后表面到第七透镜(8)前表面之间的距离为2.69mm。
6.根据权利要求1所述制冷型中波红外两档变倍光学系统，其特征在于：
所述双视场包括短焦400mm的视场和长焦800mm的视场。
7.根据权利要求1所述制冷型中波红外两档变倍光学系统，其特征在于：
所述光学系统为短焦时，调焦镜(3)的调焦量-4.25mm～7.45mm，焦距变化量为-3.6mm～2.4mm；
所述光学系统为长焦时，调焦镜(3)的调焦量-3.98mm～7.15mm，焦距变化量为-8.0mm～4.2mm。
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