CN114609767B - 一种基于衍射面的紧凑型大变倍比中波制冷红外连续变焦镜头 - Google Patents
一种基于衍射面的紧凑型大变倍比中波制冷红外连续变焦镜头 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及红外光学成像技术领域，具体为一种基于衍射面的紧凑型大变倍比中波制冷红外连续变焦镜头，包括正组补偿结构，所述正组补偿结构包括沿光线入射方向依次设有前固定组、变倍组、补偿组、调焦组、后固定组，通过变倍组和补偿组的轴向移动实现连续变焦,在前固定组、补偿组上使用叠加在偶次非球面基底上的衍射面，在系统紧凑化、轻量化的前提下，实现了大变倍比以及优良的成像质量，特别适合小型机载光电吊舱系统等对几何尺寸要求苛刻的使用环境。
Description
技术领域
本发明涉及红外光学成像技术领域，具体为一种基于衍射面的紧凑型大变倍比中波制冷红外连续变焦镜头。
背景技术
中波制冷红外成像系统能够被动接收红外辐射，具有隐蔽性好、不易受干扰、穿透能力强、灵敏度高等优点，在目标搜寻、预警探测、情报侦查等军事和相关的民用领域有着广阔的应用前景,在武器装备系统日益要求紧凑化、轻量化的今天,对机载光电系统的体积、重量提出了苛刻的要求，因此也要求光学镜头尽量紧凑化、轻量化。
但现有中波红外制冷系统，特别是连续变焦系统,由于要满足100％冷光阑效率,普遍采用二次成像光路,使得系统光学总长较长,特别是大变倍比的连续变焦系统,镜片数量多,体积重量大,难以在对红外热像仪的体积、重量要求严苛的机载光电设备中应用，因此中波制冷红外连续变焦镜头的小型化设计成为至关重要的技术难题。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于衍射面的紧凑型大变倍比中波制冷红外连续变焦镜头。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于衍射面的紧凑型大变倍比中波制冷红外连续变焦镜头，包括正组补偿结构，所述正组补偿结构包括沿光线入射方向依次设有光焦度为正的前固定组A、光焦度为负的变倍组B、光焦度为正的补偿组C、光焦度为负的调焦组D以及光焦度为正的后固定组E，所述变倍组B和补偿组C通过轴向移动实现连续变焦，所述前固定组A包括正弯月透镜A1，所述变倍组B包括双凹透镜B1，所述补偿组C包括双凸透镜C1，所述调焦组D包括负弯月透镜D1，所述后固定组E包括依次设置的正弯月透镜E1、负弯月透镜E2以及正弯月透镜E3，所述正组补偿结构还包括冷光阑以及制冷探测器。
进一步的,本发明改进有,所述前固定组A和变倍组B之间的空气间隔是短焦16.7845～长焦38.2051mm,变倍组B与补偿组C之间的空气间隔是短焦32.4778～长焦1.5324mm,补偿组C与调焦组D之间的空气间隔是短焦1.9183～长焦11.4431mm。
进一步的,本发明改进有，所述负弯月透镜D1与正弯月透镜E1之间的空气间隔是17.4473mm，所述正弯月透镜E1与负弯月透镜E2之间的空气间隔是5.13mm，所述负弯月透镜E2与正弯月透镜E3之间的空气间隔为0.103mm，所述正弯月透镜E3与冷光阑之间的空气间隔为5mm，所述冷光阑与制冷探测器靶面之间的空气间隔为20.47mm。
进一步的,本发明改进有,各透镜焦距需满足以下条件：
-3.75f≤f1≤-3.52f，0.43f≤f2≤0.47f，-0.69f≤f3≤-0.67f，3.7f≤f4≤3.82f；
其中：f为光学系统短焦时的焦距；
f1为透镜A1的有效焦距；
f2为透镜B1的有效焦距；
f3为透镜C1的有效焦距；
f4为透镜D1的有效焦距。
进一步的,本发明改进有,所述正弯月透镜A1、双凹透镜B1、双凸透镜C1、正弯月透镜E1以及正弯月透镜E3的材料为硅单晶，所述负弯月透镜D1以及负弯月透镜E2的材料为锗单晶。
进一步的,本发明改进有,所述正弯月透镜A1前表面为球面，所述正弯月透镜A1的后表面为加工在偶次非球面基底上的衍射表面，所述双凹透镜B1前、后表面均为高次非球面，所述双凸透镜C1前表面为加工在偶次非球面基底上的衍射表面，所述双凹凸镜B1后表面为高次非球面,所述负弯月透镜D1前表面为球面，所述负弯月透镜D1后表面为高次非球面，所述正弯月透镜E1前表面、负弯月透镜E2后表面和正弯月透镜E3前表面为球面，所述正弯月透镜E1后表面、负弯月透镜E2前表面和正弯月透镜E3后表面为高次非球面。
(三)有益效果
与现有技术相比,本发明提供了一种基于衍射面的紧凑型大变倍比中波制冷红外连续变焦镜头,具备以下有益效果：
本发明充分利用正组补偿结构实现二次成像有利于提高长焦分辨率的特点，在前固定组使用高次非球面，并在非球面基底上叠加衍射面，提高前固定组的球差、二级光谱像差的校正能力，从而提高长焦的图像分辨率，对减小系统光学总长起到至关重要的作用，通过在补偿组使用高次非球面，并在非球面基底上叠加衍射面，提高补偿组的球差、二级光谱像差的校正能力，从而提高短焦的图像分辨率，同时衍射面的使用，对校正长、短焦的倍率色差也有重要作用，提升轴外视场图像分辨率,本发明实现了20倍的变倍比，最长焦距达到300mm，但系统总长仅119.05mm(含冷光阑与像面距离)，系统的光学总长/最长焦距的比值小于0.4并能高清成像，极其适合小型机载光电吊舱系统等对几何尺寸要求苛刻的使用环境。
附图说明
图1为本发明的光学系统示意图；
图2为本发明在长焦距端的MTF示意图；
图3为本发明在短焦距端的MTF示意图；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-3，本发明为一种基于衍射面的紧凑型大变倍比中波制冷红外连续变焦镜头,包括正组补偿结构,所述正组补偿结构包括沿光线入射方向依次设有光焦度为正的前固定组A、光焦度为负的变倍组B、光焦度为正的补偿组C、光焦度为负的调焦组D以及光焦度为正的后固定组E，所述变倍组B和补偿组C通过轴向移动实现连续变焦，所述前固定组A包括正弯月透镜A1，所述变倍组B包括双凹透镜B1，所述补偿组C包括双凸透镜C1，所述调焦组D包括负弯月透镜D1，所述后固定组E包括依次设置的正弯月透镜E1、负弯月透镜E2以及正弯月透镜E3，所述正组补偿结构还包括冷光阑以及制冷探测器。
本实施例中,所述前固定组A和变倍组B之间的空气间隔是短焦16.7845～长焦38.2051mm,变倍组B与补偿组C之间的空气间隔是短焦32.4778～长焦1.5324mm,补偿组C与调焦组D之间的空气间隔是短焦1.9183～长焦11.4431mm。
本实施例中,所述负弯月透镜D1与正弯月透镜E1之间的空气间隔是17.4473mm,所述正弯月透镜E1与负弯月透镜E2之间的空气间隔是5.13mm，所述负弯月透镜E2与正弯月透镜E3之间的空气间隔为0.103mm，所述正弯月透镜E3与冷光阑之间的空气间隔为5mm，所述冷光阑与制冷探测器靶面之间的空气间隔为20.47mm。
本实施例中，各透镜焦距需满足以下条件：
-3.75f≤f1≤-3.52f，0.43f≤f2≤0.47f，-0.69f≤f3≤-0.67f，3.7f≤f4≤3.82f；
其中：f为光学系统短焦时的焦距；
f1为透镜A1的有效焦距；
f2为透镜B1的有效焦距；
f3为透镜C1的有效焦距；
f4为透镜D1的有效焦距。
本实施例中,所述正弯月透镜A1、双凹透镜B1、双凸透镜C1、正弯月透镜E1以及正弯月透镜E3的材料为硅单晶，所述负弯月透镜D1以及负弯月透镜E2的材料为锗单晶。
本实施例中,所述正弯月透镜A1前表面为球面，所述正弯月透镜A1的后表面为加工在偶次非球面基底上的衍射表面，所述双凹透镜B1前、后表面均为高次非球面，所述双凸透镜C1前表面为加工在偶次非球面基底上的衍射表面，所述双凹凸镜B1后表面为高次非球面,所述负弯月透镜D1前表面为球面，所述负弯月透镜D1后表面为高次非球面，所述正弯月透镜E1前表面、负弯月透镜E2后表面和正弯月透镜E3前表面为球面，所述正弯月透镜E1后表面、负弯月透镜E2前表面和正弯月透镜E3后表面为高次非球面。
综上所述，该基于衍射面的紧凑型大变倍比中波制冷红外连续变焦镜头，在使用时，充分利用正组补偿结构实现二次成像有利于提高长焦分辨率的特点，在前固定组使用高次非球面，并在非球面基底上叠加衍射面，提高前固定组的球差、二级光谱像差的校正能力，从而提高长焦的图像分辨率，对减小系统光学总长起到至关重要的作用，通过在补偿组使用高次非球面，并在非球面基底上叠加衍射面，提高补偿组的球差、二级光谱像差的校正能力，从而提高短焦的图像分辨率，同时衍射面的使用，对校正长、短焦的倍率色差也有重要作用，提升轴外视场图像分辨率。本发明实现了20倍的变倍比，最长焦距达到300mm，但系统总长仅119.05mm(含冷光阑与像面距离)，系统的光学总长/最长焦距的比值小于0.4并能高清成像，极其适合小型机载光电吊舱系统等对几何尺寸要求苛刻的使用环境。
本发明实施例中涉及的偶次非球面面型方程如下：
其中Z为非球面沿光轴方向在高度为h的位置时，距非球面顶点的距离；c＝1/r，r表示镜面的曲率半径，k代表圆锥系数，A、B、C、D代表高次非球面系数。在非球面数据中，E-n代表“×10-n”，例如-7.2E-006代表-7.2×10-6。
本发明实施例中涉及的衍射面相位分布函数定义如下：
φ(h)＝a1h2+a2h4+a3h6，
其中，a1、a2、a3为衍射系数。
本发明光学系统中各个镜片的具体参数见表1：
表1
本发明实施例中的非球面具体参数见表2：
表2
本发明实施例中的衍射面归一化半径均设定为100，其他具体参数见表3：
表3
表1中L1、L2、L3为可变距离，光学系统长短焦状态下其大小分别如表4所示：
表4可变间隔表
| 焦距位置 | L1(mm) | L2(mm) | L3(mm) |
| 短焦 | 16.78453 | 32.47781 | 1.9183 |
| 长焦 | 38.20514 | 1.53237 | 11.44313 |
由上述镜片组构成的光学系统达到了如下的光学指标：
焦距：fmin＝15mm，fmax＝300mm；
相对孔径D/f′：变焦全程均为1/4，满足100％冷光阑效率；
适配探测器：分辨率640x513,像元尺寸15umx15um，制冷型中波红外探测器；
光学总长∑L≤119.05mm(含制冷型中波红外探测器中冷光阑至像面距离)。
在光学设计时，系统采用正组补偿结构，在前固定组使用偶次非球面，在偶次非球面基底上叠加衍射表面，提高前固定组的球差和二级光谱像差的校正能力，从而提高长焦的图像分辨率，并对减小系统光学总长起到至关重要的作用，在补偿组使用高次非球面，并在非球面基底上叠加衍射面，提高补偿组的球差和二级光谱像差的校正能力，从而提高短焦的图像分辨率，同时衍射面的使用，对校正长、短焦的倍率色差也有重要作用，提升轴外视场图像分辨率，因此可实现大变倍比。
本发明实现了20倍的变倍比，最长焦距达到300mm，最短焦距15mm，系统总长仅119.05mm(含冷光阑与像面距离)，系统的光学总长/最长焦距的比值小于0.4并能高清成像，结构极其紧凑，极其适合小型机载光电吊舱系统等对几何尺寸要求苛刻的使用环境。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (3)
1.一种基于衍射面的紧凑型大变倍比中波制冷红外连续变焦镜头，其特征在于，包括正组补偿结构，所述正组补偿结构包括沿光线入射方向依次设有光焦度为正的前固定组A、光焦度为负的变倍组B、光焦度为正的补偿组C、光焦度为负的调焦组D以及光焦度为正的后固定组E，所述变倍组B和补偿组C通过轴向移动实现连续变焦，所述前固定组A包括第一正弯月透镜(A1)，所述变倍组B包括双凹透镜(B1)，所述补偿组C包括双凸透镜(C1)，所述调焦组D包括第一负弯月透镜(D1)，所述后固定组E包括依次设置的第二正弯月透镜(E1)、第二负弯月透镜(E2)以及第三正弯月透镜(E3)，所述正组补偿结构还包括冷光阑以及制冷探测器；
所述前固定组A和变倍组B之间的空气间隔是短焦16.7845～长焦38.2051mm，变倍组B与补偿组C之间的空气间隔是短焦32.4778～长焦1.5324mm，补偿组C与调焦组D之间的空气间隔是短焦1.9183～长焦11.4431mm；
所述第一正弯月透镜(A1)前表面为球面，所述第一正弯月透镜(A1)的后表面为加工在偶次非球面基底上的衍射表面，所述双凹透镜(B1)前、后表面均为高次非球面，所述双凸透镜(C1)前表面为加工在偶次非球面基底上的衍射表面，所述双凹透镜(B1)后表面为高次非球面,所述第一负弯月透镜(D1)前表面为球面，所述第一负弯月透镜(D1)后表面为高次非球面，所述第二正弯月透镜(E1)前表面、第二负弯月透镜(E2)后表面和第三正弯月透镜(E3)前表面为球面，所述第二正弯月透镜(E1)后表面、第二负弯月透镜(E2)前表面和第三正弯月透镜(E3)后表面为高次非球面；
所述第一负弯月透镜(D1)与第二正弯月透镜(E1)之间的空气间隔是17.4473mm，所述第二正弯月透镜(E1)与第二负弯月透镜(E2)之间的空气间隔是5.13mm，所述第二负弯月透镜(E2)与第三正弯月透镜(E3)之间的空气间隔为0.103mm，所述第三正弯月透镜(E3)与冷光阑之间的空气间隔为5mm，所述冷光阑与制冷探测器靶面之间的空气间隔为20.47mm。
2.根据权利要求1所述的一种基于衍射面的紧凑型大变倍比中波制冷红外连续变焦镜头，其特征在于，各透镜焦距需满足以下条件：
-3.75f≤f1≤-3.52f，0.43f≤f2≤0.47f，-0.69f≤f3≤-0.67f，
3.7f≤f4≤3.82f；
其中：f为光学系统短焦时的焦距；
f1为第一正弯月透镜(A1)的有效焦距；
f2为双凹透镜(B1)的有效焦距；
f3为双凸透镜(C1)的有效焦距；
f4为第一负弯月透镜(D1)的有效焦距。
3.根据权利要求2所述的一种基于衍射面的紧凑型大变倍比中波制冷红外连续变焦镜头，其特征在于，所述第一正弯月透镜(A1)、双凹透镜(B1)、双凸透镜(C1)、第二正弯月透镜(E1)以及第三正弯月透镜(E3)的材料为硅单晶，所述第一负弯月透镜(D1)以及第二负弯月透镜(E2)的材料为锗单晶。
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- 2022-03-04 CN CN202210211993.1A patent/CN114609767B/zh active Active
Patent Citations (5)
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