CN115857151A - 次镜切换和热光阑变f数的大变倍比中波红外光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于次镜切换和热光阑变F数的大变倍比中波红外光学系统，通过次镜的切入切出实现短中焦和长焦通道的切换，光学系统透射短、中焦距的大视场，反射长焦的小视场，共用后组光学系统和探测器组件，结构紧凑、体积小。同时单独设计带热光阑的后组，实现变F数设计，同卡赛格林反射式前组一起实现了超长焦结构，使中波红外具有超长焦/长焦/中焦/短焦四个焦段，从而实现大口径、小视场、长焦距紧凑设计与大视场、短焦距的集成，其中短、中、长焦的F数为4，超长焦的F数为7，本发明镜头适用于高分辨率640×512，15微米中波制冷型探测器，具有大口径、长焦距、大视场的特点，四个视场均具有良好的成像质量。

Description

次镜切换和热光阑变F数的大变倍比中波红外光学系统

技术领域

本发明属于红外光学系统技术领域，更具体地，涉及一种基于次镜切换和热光阑变F数的大变倍比中波红外光学系统，尤其涉及适用于基于640×512中波制冷型15微米探测器的四档变焦光学系统。

背景技术

目前，随着红外热成像系统的不断发展，对红外光学系统也提出了更高的要求。为了满足红外探测器在军事方面的广泛应用，整机系统对高性能、大变倍比的红外变焦光学系统的需求日益增强，大视场能够对目标进行搜索，小视场能够对目标进行跟踪和瞄准，符合了当今飞速发展的红外热成像系统的发展需求。因此高性能、大变倍比的红外变焦光学系统是今后红外成像光学系统的重要发展方向之一。

现有的大变倍比红外光学系统，通常采取透射式“变倍组+补偿组”或切换变倍结构形式，难以满足机载吊舱对紧凑型光学系统的需求。采取反射结构形式长焦距光学系统，例如卡赛格林、离轴三反等光路能够大幅压缩体积，有利于实现长焦距、大口径和紧凑化设计，但对应的视场难以做大、相对孔径偏小，不能满足大变倍比系统的大视场要求，透射式光学系统有利于实现大视场、大相对孔径光学系统设计，如大变倍比连续变焦光学系统等，但受体积限制无法实现超长焦距设计。

随着近几年红外制冷探测器的发展，红外成像光学系统频繁的应用在导航、警戒、侦查等领域的光电设备中，因此，如何实现兼具焦距长、视场大、体积小、重量轻等的大变倍比红外光学系统是目前亟需解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种基于次镜切换和热光阑变F数的大变倍比中波红外光学系统，利用基于次镜切换的结构形式能够实现长焦距同时兼顾大视场的光学系统，基于热光阑的切入切出能够实现更长焦距的设计，具有焦距长、视场大、体积小、重量轻等特点，四档视场均具有良好的成像质量。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于次镜切换和热光阑变F数的大变倍比中波红外光学系统，包括：卡赛格林反射系统、共用调焦组、共用后组、短焦前组、中焦前组及热光阑后组，其中，所述卡赛格林反射系统包括主镜和次镜；所述共用调焦组包括第一调焦镜和第二调焦镜；所述共用后组包括第一后组透镜和第二后组透镜；所述短焦前组包括第一短焦前组透镜和第二短焦前组透镜；所述中焦前组包括第一中焦前组透镜和第二中焦前组透镜；所述热光阑后组包括第三后组透镜、第四后组透镜及热光阑；

物方成像光束依次经过所述第一短焦前组透镜、所述第二短焦前组透镜、所述第一调焦镜、所述第二调焦镜、所述第一后组透镜和所述第二后组透镜成像在探测器上，构成短焦光学系统；

所述短焦前组切出，所述中焦前组切入光路，构成中焦光学系统；

物方成像光束依次经过所述主镜反射、所述次镜反射后一次成像，再经过所述第一调焦镜、所述第二调焦镜、所述第一后组透镜和所述第二后组透镜成像在探测器上，构成长焦光学系统；

所述第一后组透镜和所述第二后组透镜切出，所述第三后组透镜、所述第四后组透镜和所述热光阑切入光路，构成超长焦光学系统。

接上述技术方案，所述卡赛格林反射系统的材料为微晶玻璃，其余透镜材料均取中波红外光学系统常用的材料硅和锗。

接上述技术方案，光线入射方向为物方，光线出射方向为像方，所述主镜是一片凹面向物方的反射镜，所述次镜是一片凸面向像方的反射镜，所述第一调焦镜是一片凹面向物方的弯月形锗负透镜，所述第二调焦镜是一片凹面向物方的弯月形硅正透镜，所述第一后组透镜是一片凸面向物方的弯月形硅正透镜，所述第二后组透镜是一片凸面向物方的弯月形锗负透镜，所述第一短焦前组透镜是一片双凹硅正透镜，所述第二短焦前组透镜是一片双凸锗负透镜，所述第一中焦前组透镜是一片凸面向物方的弯月形硅正透镜，所述第二中焦前组透镜是一片凸面向物方的弯月形锗负透镜，所述第三后组透镜是一片凸面向像方的弯月形锗负透镜，所述第四后组透镜是一片凸面向物方的弯月形硅正透镜，所述热光阑是一片朝向像面的球面铝制反射镜。

接上述技术方案，系统包含七个非球面，其中，所述主镜为抛物面，所述次镜为双曲面，所述第二调焦镜靠近物方的第一面为非球面，所述第一后组透镜远离物方的第二面为非球面，所述第二短焦前组透镜靠近物方的第一面为非球面，所述第二中焦前组透镜远离物方的第二面为非球面，所述第三后组透镜远离物方的第二面为非球面。

接上述技术方案，所述镜头焦距范围20mm/150mm/920mm/1600mm，变倍比达到80倍，在变焦过程中，短、中、长焦F数恒定保持为4，超长焦F数为7。

接上述技术方案，系统从短焦20mm切换到中焦150mm时，通过齿轮带动所述短焦前组切出，所述中焦前组切入实现，从中焦150mm切换到长焦920mm时，通过齿轮带动所述中焦前组切出，所述次镜切入实现，其中短、中、长焦共用第一调焦镜、第二调焦镜、第一后组透镜和第二后组透镜；从长焦920mm切换到超长焦1600mm时，通过齿轮带动所述第一后组透镜和所述第二后组透镜切出，所述第三后组透镜、所述第四后组透镜和所述热光阑切入实现。

其中，镜头采用折反射组合的结构形式，长焦、超长焦共用所述卡赛格林反射系统和所述共用调焦组，通过所述共用后组和所述热光阑后组的切换实现长焦和超长焦的切换；短焦、中焦共用所述共用调焦组、所述共用后组和所述热光阑后组，通过所述短焦前组和所述中焦前组的切换实现短焦和中焦的切换。

其中，超长焦采用带热光阑变F数后组，突破了红外冷光阑的限制，在不增加口径的情况下进一步提升了系统焦距，提高了光学系统性能。

接上述技术方案，对口径较大的主物镜，采用反射系统，进行孔径压缩且避免色差校正；对口径较小的短中焦镜组，通过多种色散材料搭配进行色差和轴外像差校正。

接上述技术方案，所述光学系统的四档焦距，具有调焦功能，共用调焦镜组，调焦镜前后移动能够保证系统在对近距离目标观测和较宽的温度范围内都有良好的成像质量。

接上述技术方案，系统主镜的口径最大，有效光学口径为230mm。

接上述技术方案，系统部分光学元件采用了非球面，减少系统透镜数量，提高系统成像质量和透过率。

本发明的基于次镜切换和热光阑变F数的大变倍比中波红外光学系统适用于640×512中波制冷探测器。

接上述技术方案，在主镜的中心位置开设通孔，以利用主镜中心的通孔，使得短中焦前组切入，与共用调焦组和后组构成短中焦系统。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、镜头通过合理的初始结构建立，通过折反射光学系统的结构形式，能够结合反射和折射的优点，卡镜变焦光学系统利用主镜的反射、次镜的切入切出、不同前组的切换，能够增大系统的视场，利用带热光阑后组的切换能够在实现长焦距基础上实现变F数设计，扩大光学系统的相对孔径。

2、镜头次镜切入切出，充分利用主镜中心的开孔，短中焦前组与共用调焦镜组和后组构成短中焦系统；

3、镜头变焦采用短中焦前组切入切出的结构形式，实现短中焦高速切换变焦；

4、镜头采用二次成像的结构形式，不仅满足100％冷光阑效率，并且能够压缩前组透镜口径；

5、镜头采用卡赛格林反射系统，能够进行孔径压缩且避免色差校正；

6、镜头采用带热光阑变F数后组，突破了红外冷光阑的限制，在不增加口径的情况下进一步提升了系统焦距；

7、镜头在四个视场切换时像质均接近衍射极限；

8、镜头在四个视场档位的调焦效果良好，对近距离目标观测和较宽的温度范围内都有良好的成像质量。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种光学系统示意图；

图2是本发明实施例提供的一种光学系统短焦二维图；

图3是本发明实施例提供的一种光学系统中焦二维图；

图4是本发明实施例提供的一种光学系统长焦二维图；

图5是本发明实施例提供的一种光学系统超长焦二维图；

图6是本发明实施例提供的一种光学系统短焦端32lp/mm时MTF图；

图7是本发明实施例提供的一种光学系统中焦端32lp/mm时MTF图；

图8是本发明实施例提供的一种光学系统长焦端32lp/mm时MTF图；

图9是本发明实施例提供的一种光学系统超长焦端16lp/mm时MTF图；

图10是本发明实施例提供的一种光学系统短焦端点列图；

图11是本发明实施例提供的一种光学系统中焦端点列图；

图12是本发明实施例提供的一种光学系统长焦端点列图；

图13是本发明实施例提供的一种光学系统超长焦端点列图；

图中，1-主镜，2-次镜，3-第一调焦镜，4-第二调焦镜，5-第一后组透镜，6-第二后组透镜，7-第一短焦前组透镜，8-第二短焦前组透镜，9-第一中焦前组透镜，10-第二中焦前组透镜，11-第三后组透镜，12-第四后组透镜，13-热光阑；

其中，第一短焦前组透镜7、第二短焦前组透镜8、第一调焦镜3、第二调焦镜4、第一后组透镜5、第二后组透镜6组成短焦成像系统；

第一中焦前组透镜9、第二中焦前组透镜10、第一调焦镜3、第二调焦镜4、第一后组透镜5、第二后组透镜6组成中焦成像系统；

主镜1、次镜2、第一调焦镜3、第二调焦镜4、第一后组透镜5、第二后组透镜6组成长焦成像系统；

主镜1、次镜2、第一调焦镜3、第二调焦镜4、第三后组透镜11、第四后组透镜12、热光阑13组成超长焦成像系统。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明实例中，“第一”、“第二”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定的顺序或先后次序。

按照图1所示的光学系统示意图，本发明实施例基于次镜切换和热光阑变F数的大变倍比中波红外光学系统，包括主镜1、次镜2、第一调焦镜3，第二调焦镜4，第一后组透镜5，第二后组透镜6，第一短焦前组透镜7，第二短焦前组透镜8，第一中焦前组透镜9，第二中焦前组透镜10，第三后组透镜11，第四后组透镜12，热光阑13共13个光学元件；

其中，第一短焦前组透镜7、第二短焦前组透镜8、第一调焦镜3、第二调焦镜4、第一后组透镜5、第二后组透镜6组成短焦20mm成像系统；

第一中焦前组透镜9、第二中焦前组透镜10、第一调焦镜3、第二调焦镜4、第一后组透镜5、第二后组透镜6组成中焦150mm成像系统；

主镜1、次镜2、第一调焦镜3、第二调焦镜4、第一后组透镜5、第二后组透镜6组成长焦920mm成像系统；

主镜1、次镜2、第一调焦镜3、第二调焦镜4、第三后组透镜11、第四后组透镜12、热光阑13组成超长焦1600mm成像系统。

进一步地，卡赛格林反射系统主镜次镜材料为微晶玻璃，透镜材料均取中波红外光学系统常用的材料硅和锗，主镜1是一片凹面向物方的反射镜，次镜2是一片凸面向像方的反射镜，第一调焦镜3是一片凹面向物方的弯月形锗负透镜，第二调焦镜4是一片凹面向物方的弯月形硅正透镜，第一后组透镜5是一片凸面向物方的弯月形硅正透镜，第二后组透镜6是一片凸面向物方的弯月形锗负透镜，第一短焦前组透镜7是一片双凹硅正透镜，第二短焦前组透镜8是一片双凸锗负透镜，第一中焦前组透镜9是一片凸面向物方的弯月形硅正透镜，第二中焦前组透镜10是一片凸面向物方的弯月形锗负透镜，第三后组透镜11是一片凸面向像方的弯月形锗负透镜，第四后组透镜12是一片凸面向物方的弯月形硅正透镜，热光阑13是一片朝向像面的球面铝制反射镜。

本发明的基于次镜切换和热光阑变F数的大变倍比中波红外光学系统，焦距20mm/150mm/920mm/1600mm，在变焦过程中，短、中、长焦F数恒定保持为4，超长焦F数为7。

具体来说，本发明一个实施例中，光学系统包括13片光学元件，主镜1是一片凹面向物方的反射镜，二次曲面常数K＝-1，次镜2是一片凸面向像方的反射镜，二次曲面常数K＝-1.652，第一调焦镜3是一片凹面向物方的弯月形锗负透镜，第二调焦镜4是一片凹面向物方的弯月形硅正透镜，非球面系数为A＝2.36×10^-6，B＝-8.42×10^-9，C＝1.74×10^-12，第一后组透镜5是一片凸面向物方的弯月形硅正透镜，非球面系数为A＝8.31×10^-5，B＝-6.93×10^-8，C＝2.97×10^-11，第二后组透镜6是一片凸面向物方的弯月形锗负透镜，第一短焦前组透镜7是一片双凹硅正透镜，第二短焦前组透镜8是一片双凸锗负透镜，非球面系数为A＝-3.66×10^-7，B＝5.79×10^-9，C＝-1.39×10^-11，第一中焦前组透镜9是一片凸面向物方的弯月形硅正透镜，第二中焦前组透镜10是一片凸面向物方的弯月形锗负透镜，非球面系数为A＝1.46×10^-5，B＝-6.75×10^-8，C＝4.52×10^-11，第三后组透镜11是一片凸面向像方的弯月形锗负透镜，非球面系数为A＝8.76×10^-7，B＝-2.89×10^-9，第四后组透镜12是一片凸面向物方的弯月形硅正透镜，热光阑13是一片朝向像面的球面铝制反射镜。

进一步地，采用带热光阑变F数后组，突破了红外冷光阑的限制，在不增加口径的情况下进一步提升了系统焦距；

进一步地，镜头采用短中焦前组切入切出的结构形式，实现短中焦高速切换变焦；

进一步地，镜头采用卡赛格林反射系统，能够进行孔径压缩且避免色差校正；

进一步地，镜头采用二次成像的结构形式，不仅满足100％冷光阑效率，并且能够压缩前组透镜口径；

进一步地，镜头次镜切出，在主镜的中心位置开一个与次镜尺寸相当的Ф50mm的通孔，充分利用主镜中心的开孔，短中焦前组切入，与共用调焦组和后组构成短中焦系统，压缩系统的尺寸，体积小，结构紧凑；

进一步地，沿光轴方向，主镜1反射面顶点与次镜2反射面顶点的距离为135mm，次镜2反射面顶点与第一调焦镜3第一面顶点的距离为150mm，短焦时，第一短焦前组透镜7和第二短焦前组透镜8切入光路，第二短焦前组透镜8第二面顶点与第一调焦镜3第一面顶点的距离为140mm，中焦时，第一中焦前组透镜9和第二中焦前组透镜10切入光路，第二中焦前组透镜10第二面顶点与第一调焦镜3第一面顶点的距离为143mm；

图2所示为本发明实施例的光学系统短焦二维图，第一短焦前组透镜7和第二短焦前组透镜8位于图1轴外位置，切入光路时焦距20mm。

图3所示为本发明实施例的光学系统中焦二维图，第一中焦前组透镜9和第二中焦前组透镜10位于图1轴外位置，切入光路时焦距150mm。

图4所示为本发明实施例的光学系统长焦二维图，次镜2位于图1轴上位置，切入光路时焦距920mm。

图5所示为本发明实施例的光学系统超长焦二维图，第三后组透镜11、第四后组透镜12、热光阑13位于图1轴外位置，切入光路时焦距1600mm。

图6所示为本发明实施例的光学系统短焦端32lp/mm时MTF图，焦距20mm各视场的传递函数曲线。

图7所示为本发明实施例的光学系统中焦端32lp/mm时MTF图，焦距150mm各视场的传递函数曲线。

图8所示为本发明实施例的光学系统长焦端32lp/mm时MTF图，焦距920mm各视场的传递函数曲线。

图9所示为本发明实施例的光学系统超长焦端16lp/mm时MTF图，焦距1600mm各视场的传递函数曲线。

图10所示为本发明实施例的光学系统短焦端点列图，焦距20mm各视场的弥散斑大小。

图11所示为本发明实施例的光学系统中焦端点列图，焦距150mm各视场的弥散斑大小。

图12所示为本发明实施例的光学系统长焦端点列图，焦距920mm各视场的弥散斑大小。

图13所示为本发明实施例的光学系统超长焦点列图，焦距1600mm各视场的弥散斑大小。

本发明采取折反射光学系统结合的结构形式，建立合适的初始结构，通过光学系统倍率变换组的切换设置，使得倍率变换的前组和后组的像差校正与补偿优化，其中，通过次镜的切入切出实现短中焦和长焦通道的切换，通过短焦前组和中焦前组的切入切出实现短焦和中焦的切换，光学系统透射短、中焦距的大视场，反射长焦的小视场，共用后组光学系统和探测器组件，结构紧凑、体积小。同时单独设计带热光阑的后组，实现变F数设计，突破红外冷光阑的制约，同卡赛格林反射式前组一起实现了超长焦结构，从而使中波红外具有超长焦/长焦/中焦/短焦四个焦段，从而实现大口径、小视场、长焦距紧凑设计与大视场、短焦距的集成。

本发明不同于常规的卡赛格林反射系统或离轴反射系统，常规的卡赛格林反射系统或离轴反射系统虽然能够大幅压缩体积，有利于实现长焦距、大口径和紧凑化设计，但对应的视场难以做大、相对孔径偏小，不能满足大变倍比系统的大视场要求，而本发明利用次镜的切出以及主镜的开孔，短中焦前组的切入能够实现大视场的设计，同时受口径制约，光学系统的焦距不能无限制做长，而通过热光阑的切入，能够在不增加口径的基础上实现更长焦距的设计。

需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于次镜切换和热光阑变F数的大变倍比中波红外光学系统，其特征在于，包括：卡赛格林反射系统、共用调焦组、共用后组、短焦前组、中焦前组及热光阑后组，其中，所述卡赛格林反射系统包括主镜和次镜；所述共用调焦组包括第一调焦镜和第二调焦镜；所述共用后组包括第一后组透镜和第二后组透镜；所述短焦前组包括第一短焦前组透镜和第二短焦前组透镜；所述中焦前组包括第一中焦前组透镜和第二中焦前组透镜；所述热光阑后组包括第三后组透镜、第四后组透镜及热光阑；

物方成像光束依次经过所述第一短焦前组透镜、所述第二短焦前组透镜、所述第一调焦镜、所述第二调焦镜、所述第一后组透镜和所述第二后组透镜成像在探测器上，构成短焦光学系统；

所述短焦前组切出，所述中焦前组切入光路，构成中焦光学系统；

物方成像光束依次经过所述主镜反射、所述次镜反射后一次成像，再经过所述第一调焦镜、所述第二调焦镜、所述第一后组透镜和所述第二后组透镜成像在探测器上，构成长焦光学系统；

所述第一后组透镜和所述第二后组透镜切出，所述第三后组透镜、所述第四后组透镜和所述热光阑切入光路，构成超长焦光学系统。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述卡赛格林反射系统的材料为微晶玻璃，透镜材料均取中波红外光学系统常用的材料硅和锗。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，光线入射方向为物方，光线出射方向为像方，所述主镜是一片凹面向物方的反射镜，所述次镜是一片凸面向像方的反射镜，所述第一调焦镜是一片凹面向物方的弯月形锗负透镜，所述第二调焦镜是一片凹面向物方的弯月形硅正透镜，所述第一后组透镜是一片凸面向物方的弯月形硅正透镜，所述第二后组透镜是一片凸面向物方的弯月形锗负透镜，所述第一短焦前组透镜是一片双凹硅正透镜，所述第二短焦前组透镜是一片双凸锗负透镜，所述第一中焦前组透镜是一片凸面向物方的弯月形硅正透镜，所述第二中焦前组透镜是一片凸面向物方的弯月形锗负透镜，所述第三后组透镜是一片凸面向像方的弯月形锗负透镜，所述第四后组透镜是一片凸面向物方的弯月形硅正透镜，所述热光阑是一片朝向像面的球面铝制反射镜。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述主镜为抛物面，所述次镜为双曲面，所述第二调焦镜靠近物方的第一面为非球面，所述第一后组透镜远离物方的第二面为非球面，所述第二短焦前组透镜靠近物方的第一面为非球面，所述第二中焦前组透镜远离物方的第二面为非球面，所述第三后组透镜远离物方的第二面为非球面。

5.根据权利要求1至4任意一项所述的系统，其特征在于，所述短焦光学系统、所述中焦光学系统、所述长焦光学系统及所述超长焦光学系统的焦距分别为20mm、150mm、920mm及1600mm，在变焦过程中，短、中、长焦F数恒定保持为4，超长焦F数为7。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，从短焦20mm切换到中焦150mm时，所述短焦前组切出，所述中焦前组切入实现，从中焦150mm切换到长焦920mm时，所述中焦前组切出，所述次镜切入实现，其中短、中、长焦共用第一调焦镜、第二调焦镜、第一后组透镜和第二后组透镜；从长焦920mm切换到超长焦1600mm时，所述第一后组透镜和所述第二后组透镜切出，所述第三后组透镜、所述第四后组透镜和所述热光阑切入实现。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述主镜的口径最大，有效光学口径为230mm。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，在主镜的中心位置开设通孔，以利用主镜中心的通孔，使得短中焦前组切入，与共用调焦组和后组构成短中焦系统。

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