CN115166955A - 一种防辐射非制冷红外连续变焦光学系统及光学镜头 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种防辐射非制冷红外连续变焦光学系统及光学镜头，能够实现30mm‑120mm连续变焦，适配新型分辨率为1024×768，12μm长波探测器，变焦过程无卡滞，具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高等优势，能够满足对不同距离处目标的探测、识别要求，同时，光学系统采用L型光学结构，能够避免来自物方空间的强辐射造成的成像探测器损坏，对成像组件起到辐射屏蔽保护作用，能够用在核反应堆、放射性源等辐射环境中。
Description
技术领域
本发明涉及长波红外成像领域，具体涉及一种防辐射非制冷红外连续变焦光学系统及光学镜头。
背景技术
在光电探测领域，由于红外热成像是一种被动式、非接触的红外技术，通过收集目标物体的红外辐射进行成像，可以实现白天及夜间的全天时成像。与制冷型红外成像系统相比，非制冷红外系统具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高等优势，广泛应用于红外测温、安防监控、辅助驾驶等领域；对于光电监测设备，单视场红外光学系统难以满足对不同距离处目标的探测、识别要求，连续变焦红外成像系统在短焦距、大视场成像时的覆盖率宽，可用于大范围内的目标搜索；长焦距、小视场成像时的分辨率高，可用于对目标的细节进行识别、监测。因此，利用连续变焦系统可有效提高任务执行效率。
另外，在核反应堆、放射性源等辐射环境中，为了维护工作人员的人身安全，通过光电监测设备对重点部位的持久监测具有重要意义；利用无人机挂装配备可见光、红外热成像等具有变倍功能的机载光电系统进行强辐射环境下针对目标区域进行监测，可有效提高工作人员的人身安全，具有重要现实意义；然而，在强辐射源的照射下，暴露在射线下的成像CCD或CMOS器件会直面辐射粒子或射线的照射，由于元器件的电离辐射效应而受到损伤，从而造成性能退化，严重时甚至出现功能失效。
传统非制冷红外光学系统均为一次成像的直筒型光机结构型式，在强辐射源的照射下，后端的非制冷红外成像探测器会直面辐射粒子或射线的照射，暴露在射线下的成像探测器会受到损伤，不能应用在核反应堆、放射性源等辐射环境中。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种防辐射非制冷红外连续变焦光学系统及光学镜头，能够实现连续变焦，满足对不同距离处目标的探测、识别要求，同时，光学系统采用“L”型光学结构，能够避免来自物方空间的强辐射造成的成像探测器损坏，对成像组件起到辐射屏蔽保护作用。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种防辐射非制冷红外连续变焦光学系统，由从物方至像方依次设置的第一弯月形正透镜、双凹负透镜、双凸正透镜、弯月形负透镜、平面折转反射镜、第二弯月形正透镜组成，其中，所述的第一弯月形正透镜、双凹负透镜、双凸正透镜、弯月形负透镜依次同轴设置，平面折转反射镜位于弯月形负透镜和第二弯月形正透镜之间，平面折转反射镜的法线与系统光轴的夹角为45°，通过所述平面折转反射镜使弯月形负透镜的出射光线与第二弯月形正透镜的入射光线之间的夹角为90°；所述的第一弯月形正透镜弯向平面折转反射镜设置，弯月形负透镜、第二弯月形正透镜均背向平面折转反射镜设置。
所述光学系统通过轴向移动双凹负透镜、双凸正透镜的方式实现光学系统焦距的改变，当焦距由短焦向长焦变化时，所述双凹负透镜沿轴向向远离第一弯月形正透镜的方向移动，所述双凸正透镜沿轴向向接近第一弯月形正透镜的方向移动。
具体地，所述双凹负透镜与第一弯月形正透镜的中心间隔为8～29.6mm，双凸正透镜与弯月形负透镜的中心间隔为5～18.3mm，在由大视场至小视场的变化过程中，双凹负透镜的行程为21.6mm，双凸正透镜行程为13.3mm。
进一步地，所述光学系统通过第二弯月形正透镜轴向移动的方式实现所述光学系统在-40℃～+60℃温度范围内的像面离焦补偿及由于被观察景物的距离变化所引起的系统离焦补偿，从而保证对不同距离物体的清晰成像，所述第二弯月形正透镜的总移动行程为2mm。
优先地，所述的第一弯月形正透镜、双凹负透镜、双凸正透镜、第二弯月形正透镜的材质均为单晶锗(Ge)，弯月形负透镜的材质为硒化锌(ZnSe)。
所述的光学系统满足以下条件：
2.5≤f1/f≤3.0，-0.8≤f2/f≤-1.0，1.0≤f3/f≤1.3，-3.7≤f4/f≤-3.3，1.0≤f6/f≤1.5，
其中f为光学系统短焦状态的焦距、f1为第一弯月形正透镜的有效焦距；f2为双凹负透镜的有效焦距；f3为双凸正透镜的有效焦距；f4为弯月形负透镜的有效焦距；f6为第二弯月形正透镜的有效焦距。
进一步地，第一弯月形正透镜的出射表面、双凸正透镜的入射表面、第二弯月形正透镜的入射表面均为偶次非球面。
所述的弯月形负透镜的入射表面为非球面，并在非球面基底上利用金刚石车削加工出连续浮雕结构形成衍射面。
所述的光学系统实现的技术参数为：工作波段：8μm～12μm；F#：1.2；焦距：30mm～120mm；像面直径：Φ15.4mm。
本发明还提供一种光学镜头，所述光学镜头使用前述光学系统，且所述光学镜头上安装有调焦电机和变焦电机，所述调焦电机(9)用于驱动第二弯月形正透镜轴向移动实现离焦补偿，所述变焦电机用于驱动双凹负透镜和双凸正透镜轴向移动实现光学系统焦距的改变。
有益效果：
本发明实现了能够适配新型分辨率为1024×768，12μm长波探测器的30mm～120mm连续变焦光学系统，能够满足对不同距离处目标的探测、识别要求，可有效提高任务执行效率。
通过在成像光路中引入反射镜，经过反射镜折转后形成“L”型光学结构形式，可以避免在强辐射环境中工作的后端红外成像探测器由于直面来自物方空间的强辐射所造成的成像探测器损坏，从而起到对成像组件的辐射屏蔽保护作用。
该光学系统采用非制冷红外系统，具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高等优势，在在变焦过程中全程能够保持清晰成像，变焦过程中运动曲线的平滑连续，不存在突变点，可有效避免系统在变焦过程中出现卡滞现象。
附图说明
图1为光学系统在短焦30mm状态时的光路图；
图2为光学系统在长焦120mm状态时的光路图；
图3为应用该光学系统的光学镜头整体构造示意图；
图4为该镜头的机械结构轴测图；
图5光学系统在短焦30mm状态时的传递函数图；
图6光学系统在长焦120mm状态时的传递函数图；
图7光学系统在短焦30mm状态时的点列图；
图8光学系统在长焦120mm状态时的点列图；
图9光学系统变焦曲线图；
其中，1为第一弯月形正透镜，2为双凹负透镜，3为双凸正透镜，4为弯月形负透镜，5为平面折转反射镜，6为第二弯月形正透镜，7为红外探测器保护玻璃，8为像平面，9为调焦电机，10为变焦电机。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
本实施例是将本发明所述的光学系统应用于长波非制冷型分辨率为1024×768、像元尺寸为12μm的凝视型焦平面探测器。
如图1～2所示，一种防辐射非制冷红外连续变焦光学系统，包括从物方至像方依次设置的第一弯月形正透镜(1)、双凹负透镜(2)、双凸正透镜(3)、弯月形负透镜(4)、平面折转反射镜(5)、第二弯月形正透镜(6)。
其中，所述的第一弯月形正透镜(1)、双凹负透镜(2)、双凸正透镜(3)、弯月形负透镜(4)依次同轴设置，平面折转反射镜(5)位于弯月形负透镜(4)和第二弯月形正透镜(6)之间，平面折转反射镜(5)的法线与系统光轴的夹角为45°；系统光轴在平面折转反射镜(5)处发生90°转折，第二弯月形正透镜(6)位于转折后的光轴上，通过所述平面折转反射镜(5)使弯月形负透镜(4)的出射光线与第二弯月形正透镜(6)的入射光线之间的夹角为90°。
所述的第一弯月形正透镜(1)弯向平面折转反射镜(5)设置，弯月形负透镜(4)、第二弯月形正透镜(6)均背向平面折转反射镜(5)设置。
图3～4为应用本发明所述光学系统的光学镜头，所述光学镜头包括从物方至像方依次设置的第一弯月形正透镜(1)、双凹负透镜(2)、双凸正透镜(3)、弯月形负透镜(4)、平面折转反射镜(5)、第二弯月形正透镜(6)、红外探测器保护玻璃(7)、像平面(8)、调焦电机(9)和变焦电机(10)。
所述防辐射非制冷红外连续变焦光学系统及应用该系统的光学镜头，通过变焦电机(10)驱动双凹负透镜(2)、双凸正透镜(3)轴向移动实现光学系统焦距的改变，当焦距由短焦向长焦变化时，所述双凹负透镜(2)沿轴向向远离第一弯月形正透镜(1)的方向移动，所述双凸正透镜(3)沿轴向向接近第一弯月形正透镜(1)的方向移动。
当双凹负透(2)镜与第一弯月形正透镜(1)之间的距离最近、双凸正透镜(3)与弯月形负透镜(4)之间的距离最近时为大视场状态，此时光学系统处于最短焦距30mm状态，如图1所示；当双凹负透镜(2)与第一弯月形正透镜(1)之间的距离最远、双凸正透镜(3)与弯月形负透镜(4)之间的距离最远时为小视场状态，此时光学系统处于最长焦距120mm状态，如图2所示。
进一步的，所述双凹负透镜(2)与第一弯月形正透镜(1)的中心间隔为8～29.6mm，双凸正透镜(3)与弯月形负透镜(4)的中心间隔为5～18.3mm，在由大视场至小视场的变化过程中，双凹负透镜(2)的行程为21.6mm，双凸正透镜(3)行程为13.3mm。
所述防辐射非制冷红外连续变焦光学系统及应用该系统的光学镜头，通过调焦电机(9)驱动轴向移动第二弯月形正透镜(6)的方式实现系统在-40℃～+60℃温度范围内的像面离焦补偿及由于被观察景物的距离变化所引起的系统离焦补偿，从而保证对不同距离物体的清晰成像，总移动行程为2mm。
优选的，所述的第一弯月形正透镜(1)、双凹负透镜(2)、双凸正透镜(3)、第二弯月形正透镜(6)的材质均为单晶锗(Ge)，弯月形负透镜(4)的材质为硒化锌(ZnSe)。
所述光学系统具体的光线传输路径为，由外界景物红外辐射所发出的光线经第一弯月形正透镜(1)会聚后到达双凹负透镜(2)，经双凹负透镜(2)发散后到达双凸正透镜(3)，经双凸正透镜(3)会聚后到达弯月形负透镜(4)，经弯月形负透镜(4)发散后到达平面折转反射镜(5)，经平面折转反射镜(5)反射后到达第二弯月形正透镜(6)，经第二弯月形正透镜(6)会聚后成像在像平面(8)。
优选的，所述的第一弯月形正透镜(1)满足以下条件：2.5≤f1/f≤3.0，其中f为光学系统短焦状态的焦距、f1为第一弯月形正透镜(1)的有效焦距；
所述的双凹负透镜(2)满足以下条件：-0.8≤f2/f≤-1.0，其中f为光学系统短焦状态的焦距、f2为双凹负透镜(2)的有效焦距；
所述的双凸正透镜(3)满足以下条件：1.0≤f3/f≤1.3，其中f为光学系统短焦状态的焦距、f3为双凸正透镜(3)的有效焦距；
所述的弯月形负透镜(4)满足以下条件：-3.7≤f4/f≤-3.3，其中f为光学系统短焦状态的焦距、f4为弯月形负透镜(4)的有效焦距；
所述的第二弯月形正透镜(6)满足以下条件：1.0≤f6/f≤1.5，其中f为光学系统短焦状态的焦距、f6为第二弯月形正透镜(6)的有效焦距。
表1为本发明实现的技术指标，其中，F#(光学系统F数)计算公式为f/D，f为光学系统的焦距，D为入射光瞳直径。
表1技术指标
| 参数 | 技术指标 |
| 探测器 | 1024×768长波红外探测器 |
| 像元尺寸 | 12μm |
| 工作波段 | 8μm～12μm |
| F<sup>#</sup>(光学系统F数) | 1.2 |
| 焦距 | 30mm～120mm |
| 视场 | 23.2°×17.5°～5.9°×4.4° |
| 像面直径 | Φ15.4mm |
表2列出根据本发明的光学系统在焦距为30mm～120mm时实施例的详细数据，其包含各透镜的面型、曲率半径、厚度、口径、材料。其中，透镜的曲率半径、厚度的单位均为mm，球面及非球面的曲率半径指的是透镜表面与光轴交点处的曲率半径。其中，表2中的“表面序号”是沿光线传播方向计数，如第一弯月形正透镜(1)的光束入射面为序号S1，光束出射面为序号S2，其它镜面序号以此类推；第一弯月形正透镜(1)、双凹负透镜(2)、双凸正透镜(3)、弯月形负透镜(4)、第二弯月形正透镜(6)沿物方至像方方向上的曲面分别标记为S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10；表2中的“半径”表示该面的曲率半径，其正负断定原则是：以该面与主光轴的交点作为起点，该面的曲面中心作为终点。若连线方向与光线传播方向相同则为正，反之为负。若该面为平面，该面曲率半径为无穷大；表2中的“厚度”给出了相邻两个面在光轴上的距离，其正负判定原则是：以当前面顶点作为起点，下一面顶点作为终点。若连线方向与光线传播方向相同则为正，反之为负。若两个面之间的材料为红外材料，则该厚度表示透镜厚度，若两个面之间的没有材料，则表示两个透镜之间的空气间隔。
表2详细数据
所述的防辐射非制冷红外连续变焦光学系统，第一弯月形正透镜(1)的出射表面S2、双凸正透镜(3)的入射表面S5、第二弯月形正透镜(6)的入射表面S9均为偶次非球面。
上述各非球面的面型方程为：
其中，z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距离非球面顶点的距离矢高，c为曲率，c＝1/R，R表示透镜表面的曲率半径，r为垂直光轴方向的径向坐标，k为二次曲线常数，A为四阶非球面系数、B六阶非球面系数、C为八阶非球面系数。
表3列出根据本发明的第一弯月形正透镜(1)的出射表面S2、双凸正透镜(3)的入射表面S5、第二弯月形正透镜(6)的入射表面S9的非球面系数，表中采用科学计数法表示，例如3.63082e-009表示3.63082×10-9。
表3非曲面系数
进一步的，所述的弯月形负透镜(4)的入射表面S7为非球面，在非球面基底上利用金刚石车削加工出连续浮雕结构形成衍射非球面，利用非球面和衍射面的混合使用，有效矫正色差，补偿因温度变化带来的色差影响，提升该红外连续变焦光学系统的成像质量，其满足方程：
其中，z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距离非球面顶点的距离矢高，c为曲率，c＝1/R，R表示透镜表面的曲率半径，r为垂直光轴方向的径向坐标，k为二次曲线常数，A为四阶非球面系数、B六阶非球面系数、C为八阶非球面系数；HOR为衍射级次，C1、C2、C3为衍射面系数，λ0为设计中心波长；n为透镜的折射率，n0为空气折射率。
表4列出根据本发明的弯月形负透镜(4)的入射表面S7的衍射非球面系数。
表4衍射非球面系数
经过光学设计软件仿真，如图5、图6所示，短焦及长焦状态下的传递函数均大于0.3；如图7、图8所示，短焦及长焦状态下的点列图，该系统弥散斑直径均与探测器像元尺寸相当；如图9所示，为该连续变焦光学系统的变焦曲线图，横坐标为连续变焦光学系统的焦距，纵坐标为变倍组和补偿组相对于前固定组的轴向距离；由图可见，该系统的变焦曲线平滑连续，不存在突变点，可有效避免系统在变焦过程中出现卡滞现象。
以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，都可利用上述揭示的技术内容做出些许改动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种防辐射非制冷红外连续变焦光学系统，其特征在于，由从物方至像方依次设置的第一弯月形正透镜（1）、双凹负透镜（2）、双凸正透镜（3）、弯月形负透镜（4）、平面折转反射镜（5）、第二弯月形正透镜（6）组成，其中，所述的第一弯月形正透镜（1）、双凹负透镜（2）、双凸正透镜（3）、弯月形负透镜（4）依次同轴设置，平面折转反射镜（5）位于弯月形负透镜（4）和第二弯月形正透镜（6）之间，平面折转反射镜（5）的法线与系统光轴的夹角为45°，通过所述平面折转反射镜（5）使弯月形负透镜（4）的出射光线与第二弯月形正透镜（6）的入射光线之间的夹角为90°；所述的第一弯月形正透镜（1）弯向平面折转反射镜（5）设置，弯月形负透镜（4）、第二弯月形正透镜（6）均背向平面折转反射镜（5）设置。
2.如权利要求1所述的一种防辐射非制冷红外连续变焦光学系统，其特征在于，通过轴向移动双凹负透镜（2）、双凸正透镜（3）的方式实现光学系统焦距的改变，当焦距由短焦向长焦变化时，所述双凹负透镜（2）沿轴向向远离第一弯月形正透镜（1）的方向移动，所述双凸正透镜（3）沿轴向向接近第一弯月形正透镜（1）的方向移动。
3.如权利要求2所述的一种防辐射非制冷红外连续变焦光学系统，其特征在于，所述双凹负透镜（2）与第一弯月形正透镜（1）的中心间隔为8～29.6mm，双凸正透镜（3）与弯月形负透镜（4）的中心间隔为5～18.3mm，在由大视场至小视场的变化过程中，双凹负透镜（2）的行程为21.6mm，双凸正透镜（3）行程为13.3mm。
4.如权利要求1所述的一种防辐射非制冷红外连续变焦光学系统，其特征在于，通过轴向移动第二弯月形正透镜（6）的方式实现所述光学系统在-40℃～+60℃温度范围内的像面离焦补偿及由于被观察景物的距离变化所引起的系统离焦补偿，从而保证对不同距离物体的清晰成像，所述第二弯月形正透镜（6）的总移动行程为2mm。
5.如权利要求1所述的一种防辐射非制冷红外连续变焦光学系统，其特征在于，所述的第一弯月形正透镜（1）、双凹负透镜（2）、双凸正透镜（3）、第二弯月形正透镜（6）的材质均为单晶锗（Ge），弯月形负透镜（4）的材质为硒化锌（ZnSe）。
6.如权利要求1所述的一种防辐射非制冷红外连续变焦光学系统，其特征在于，所述的光学系统满足以下条件：
2.5≤f 1/f≤3.0，-0.8≤f 2/f≤-1.0，1.0≤f 3/f≤1.3，-3.7≤f 4/f≤-3.3，1.0≤f 6/f≤1.5，
其中f为光学系统短焦状态的焦距、f 1为第一弯月形正透镜（1）的有效焦距； f 2为双凹负透镜（2）的有效焦距； f 3为双凸正透镜（3）的有效焦距； f 4为弯月形负透镜（4）的有效焦距； f 6为第二弯月形正透镜（6）的有效焦距。
7.如权利要求1所述的一种防辐射非制冷红外连续变焦光学系统，其特征在于，第一弯月形正透镜（1）的出射表面、双凸正透镜（3）的入射表面、第二弯月形正透镜（6）的入射表面均为偶次非球面。
8.如权利要求1所述的一种防辐射非制冷红外连续变焦光学系统，其特征在于，所述的弯月形负透镜（4）的入射表面为非球面，并在非球面基底上利用金刚石车削加工出连续浮雕结构形成衍射非球面。
9.如权利要求1所述的一种防辐射非制冷红外连续变焦光学系统，其特征在于，所述的光学系统实现的技术参数为：工作波段：8μm～12μm；F #：1.2；焦距：30mm～120mm；像面直径：Φ15.4mm。
10.一种光学镜头，其特征在于，所述光学镜头使用如权利要求1-9任一项所述的光学系统，且所述光学镜头上安装有调焦电机（9）和变焦电机（10），所述调焦电机（9）用于驱动第二弯月形正透镜（6）轴向移动实现离焦补偿，所述变焦电机（10）用于驱动双凹负透镜（2）和双凸正透镜（3）轴向移动实现光学系统焦距的改变。
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