CN117031712A - 一种高分辨率长波红外连续变焦光学系统 - Google Patents

一种高分辨率长波红外连续变焦光学系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高分辨率长波红外连续变焦光学系统，由从物方至像方依次同轴设置的第一弯月形正透镜、双凹负透镜、双凸正透镜、第一弯月形负透镜、第二弯月形负透镜、第二弯月形正透镜组成，双凹负透镜为变倍透镜，双凸正透镜为补偿透镜，所述光学系统通过各透镜光焦度的合理分配及非球面、衍射面位置的优化设置，在实现30mm～150mm范围内连续变焦的同时，实现了大靶面设计，能够适配新型分辨率为1024x768、像素间隔为12μm及分辨率为1280x1024、像素间隔为12μm的高分辨率长波探测器，成像质量高、变焦过程中全程成像清晰且不会出现运动卡滞现象。

Description

一种高分辨率长波红外连续变焦光学系统
技术领域
本发明涉及红外光学系统领域，具体涉及一种高分辨率长波红外连续变焦光学系统。
背景技术
在红外系统中，红外探测器作为探测、识别目标的关键，其主要作用是将入射的红外信号转化为可以检测的电信号后进行输出。非制冷红外探测器由于无需制冷装置，能够工作在室温状态下，具有成本低、体积小、功耗低等特点，在红外领域得到了广泛的应用。当前，随着红外技术的发展，非制冷红外探测器的面阵规模在不断增大，分辨率不断提高，分辨率为1280×1024像元间距12μm的大面阵、高分辨率探测器已经实现成熟量产。
大面阵的红外探测器需要配置相应大靶面的红外光学镜头，否则系统输出的图像四周发白。因此，设计红外光学系统时，光学系统的靶面大小要求不小于所选红外探测器的靶面尺寸。
此外，用于目标搜索、识别的光电系统，要求红外热成像系统要既能够实现大视场的目标搜索又能够实现远距离目标的小视场识别。因此，单视场红外光学系统不能满足该要求。红外热像仪的光学系统需要设计为变焦光学系统来实现这一功能。连续变焦红外光学系统短焦距大视场的覆盖率广，长焦距小视场的分辨率高。大视场可用于大范围搜索目标，小视场可用于对目标进行识别；在变焦过程中目标图像能够始终保持清晰，能够实现变焦范围内任意视场的变换，在连续变焦过程中不会丢失跟踪目标，而且能够根据场景和目标特征选择合适的工作视场，大大提高了人机功效。
现有普通长波红外变焦镜头大多数只能够适配分辨率为640×612的非制冷红外探测器，不能满足当前新型分辨率为1280×1024，像元尺寸为12μm的长波探测器的需求；有些红外变焦系统虽然能够适配高分辨率的探测器需求，但存在变倍比小、长焦焦距短的问题，或存在系统长度长、体积大、难以满足机载要求的问题。
因此，有必要提出一种高分辨率长波红外连续变焦光学系统，从而有效应用于分辨率为1280×1024的高分辨率非制冷红外探测器。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供一种高分辨率长波红外连续变焦光学系统。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种高分辨率长波红外连续变焦光学系统，所述光学系统由从物方至像方依次同轴设置的第一弯月形正透镜、双凹负透镜、双凸正透镜、第一弯月形负透镜、第二弯月形负透镜、第二弯月形正透镜组成；所述的第一弯月形正透镜、第一弯月形负透镜、第二弯月形正透镜的各表面凸面向物方，曲率半径为正，第二弯月形负透镜的各表面凸面向像方，曲率半径为负，其中，所述双凹负透镜为变倍透镜，通过双凹负透镜沿着轴向运动实现系统焦距改变，当系统由广角端向望远端变化时，所述的变倍透镜向着靠近像方方向移动，所述双凸正透镜为补偿透镜，当系统由广角端向望远端变化时，所述的补偿透镜向着远离像方方向移动。
进一步地，所述第一弯月形正透镜与双凹负透镜的中心间隔为20～56.5mm，所述双凹负透镜与双凸正透镜的中心间隔为7.0～86.8mm，所述双凸正透镜与第一弯月形负透镜的中心间隔为6.5～49.9mm；在由广角端至望远端的变化过程中，双凹负透镜的行程为46.5mm，双凸正透镜的行程为43.4mm。
进一步地，采用轴向移动第二弯月形正透镜的方式实现系统在-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。
进一步地，所述的第一弯月形正透镜、双凹负透镜、双凸正透镜、第一弯月形负透镜的材质均为单晶锗(Ge)，第二弯月形负透镜的材质为硫化锌(ZNS)，第二弯月形正透镜的材质为硒化锌(ZNSE)。
进一步地，所述第二弯月形负透镜与所述第二弯月形正透镜之间于光轴上的距离为T56，所述第二弯月形正透镜与所成像面之间于光轴上的距离为T67，所述第二弯月形正透镜于光轴上的厚度为CT6，满足以下条件：7.5≤(T56+T67)/CT6≤9.5。
进一步地，所述的第一弯月形正透镜满足以下条件：0.7≤f1/f≤0.9，其中f为光学系统长焦状态的焦距、f1为第一弯月形正透镜的有效焦距；
所述的双凹负透镜满足以下条件：-0.3≤f2/f≤-0.2，其中f为光学系统长焦状态的焦距、f2为双凹负透镜的有效焦距；
所述的双凸正透镜满足以下条件：0.3≤f3/f≤0.5，其中f为光学系统长焦状态的焦距、f3为双凸正透镜的有效焦距；
所述的第一弯月形负透镜满足以下条件：-30≤f4/f≤-25，其中f为光学系统长焦状态的焦距、f4为第一弯月形负透镜的有效焦距；
所述的第二弯月形负透镜满足以下条件：-1.8≤f5/f≤-1.5，其中f为光学系统长焦状态的焦距、f5为第二弯月形负透镜的有效焦距；
所述的第二弯月形正透镜满足以下条件：0.25≤f6/f≤0.45，其中f为光学系统长焦状态的焦距、f6为第二弯月形正透镜的有效焦距。
进一步地，所述双凹负透镜的入射表面、第一弯月形负透镜的入射表面、第二弯月形负透镜的入射表面均为非球面。
所述的双凸正透镜入射表面为衍射非球面。
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～150mm；第一弯月形正透镜的前表面至像面的光学总长：230mm；视场为：28.7°×23.2°～5.86°×4.69°；适配1280×1024，12μm长波红外探测器，其中，F#计算公式为f/D，f为光学系统的焦距，D为入射光瞳直径。
有益效果：
1、本发明光学系统通过各透镜光焦度的合理分配及非球面、衍射面位置的优化设置，在实现30mm～150mm范围内连续变焦的同时，实现了大靶面设计，能够适配新型分辨率为1024×768、像素间隔为12μm及分辨率为1280×1024、像素间隔为12μm的高分辨率长波探测器。
2、本发明光学系统的变倍透镜及补偿透镜在变焦过程中运动轨迹曲线连续、平滑，不存在突变拐点，从而能够保证在变焦过程中全程清晰成像的同时不会出现运动卡滞现象。
附图说明
图1为光学系统在短焦30mm状态时的光路图；
图2为光学系统在中焦75mm状态时的光路图；
图3为光学系统在长焦150mm状态时的光路图；
图4为光学系统变焦运动轨迹示意图；
图5光学系统在短焦30mm状态时的传递函数图；
图6光学系统在中焦75mm状态时的传递函数图；
图7光学系统在长焦150mm状态时的传递函数图；
图8光学系统在短焦30mm状态时的点列图；
图9光学系统在中焦75mm状态时的点列图；
图10光学系统在长焦150mm状态时的点列图；
图11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，2为双凸正透镜，4为第一弯月形负透镜，5为第二弯月形负透镜，6为第二弯月形正透镜，7为像平面。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系，仅是与本申请的附图对应，为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位。
术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，指的是该类型的透镜出现的顺序，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
如图1～图4所示的高分辨率长波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1、双凹负透镜2、双凸正透镜3、第一弯月形负透镜4、第二弯月形负透镜5、第二弯月形正透镜6组成。
作为常识，靠近物空间的方向为物方，靠近像空间的方向为像方，从物方到像方的方向，透镜的两面依次为入射面和出射面。
进一步的，所述的第一弯月形正透镜1、双凹负透镜2、双凸正透镜3、第一弯月形负透镜4、第二弯月形负透镜5、第二弯月形正透镜6由物方至像方依次同轴设置。
进一步的，所述的第一弯月形正透镜1、第一弯月形负透镜4、第二弯月形正透镜6均弯向像方设置(在本申请中，弯向像方具体指透镜的各表面凸面向物方，曲率半径为正)，第二弯月形负透镜5弯向物方设置(指透镜各表面凸面向像方，曲率半径为负)。
进一步的，双凹负透镜2为变倍透镜，通过双凹负透镜2沿着轴向运动实现系统焦距改变，当系统由广角端(短焦)向望远端(长焦)变化时，所述的变倍透镜向着靠近像方方向移动，所述双凸正透镜3为补偿透镜，当系统由广角端向望远端变化时，所述的补偿透镜向着远离像方方向(靠近物方方向)移动。
进一步的，所述第一弯月形正透镜1与双凹负透镜2的中心间隔为20～56.5mm，所述双凹负透镜2与双凸正透镜3的中心间隔为7.0～86.8mm，所述双凸正透镜3与第一弯月形负透镜4的中心间隔为6.5～49.9mm。在由广角端至望远端的变化过程中，双凹负透镜2的行程为46.5mm，双凸正透镜3的行程为43.4mm。
所述高分辨率长波红外连续变焦光学系统，采用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。
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、第一弯月形负透镜4的材质均为单晶锗(Ge)，第二弯月形负透镜5的材质为硫化锌(ZNS)，第二弯月形正透镜6的材质为硒化锌(ZNSE)。
进一步的，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会聚后到达第一弯月形负透镜4，经第一弯月形负透镜4发散后到达第二弯月形负透镜5，经第二弯月形负透镜5发散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7。
所述第二弯月形负透镜5与所述第二弯月形正透镜6之间于光轴上的距离为T56，所述第二弯月形正透镜6与所成像面7之间于光轴上的距离为T67，所述第二弯月形正透镜6于光轴上的厚度为CT6，满足以下条件：7.5≤(T56+T67)/CT6≤9.5。
优选的，所述的第一弯月形正透镜1满足以下条件：0.7≤f1/f≤0.9，其中f为光学系统长焦状态的焦距、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：-0.3≤f2/f≤-0.2，其中f为光学系统长焦状态的焦距、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：0.3≤f3/f≤0.5，其中f为光学系统长焦状态的焦距、f3为双凸正透镜3的有效焦距；
所述的第一弯月形负透镜4满足以下条件：-30≤f4/f≤-25，其中f为光学系统长焦状态的焦距、f4为第一弯月形负透镜4的有效焦距；
所述的第二弯月形负透镜5满足以下条件-1.8≤f5/f≤-1.5，其中f为光学系统长焦状态的焦距、f5为第二弯月形负透镜5的有效焦距；
所述的第二弯月形正透镜6满足以下条件：0.25≤f6/f≤0.45，其中f为光学系统长焦状态的焦距、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本发明光学系统的技术指标
参数 技术指标
探测器 1280×1024长波红外探测器
像元尺寸 12μm
工作波段 8μm～12μm
F#(光学系统F数) 1.2
焦距 30mm～150mm
视场 28.7°×23.2°～5.86°×4.69°
像面直径 Φ20mm
表2列出根据本发明的光学系统在焦距为30mm～150mm时实施例的详细数据，其包含各透镜的面型、曲率半径、厚度、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，所述第一弯月形正透镜1、双凹负透镜2、双凸正透镜3、第一弯月形负透镜4、第二弯月形负透镜5、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、S11、S12。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本发明实施例中光学系统的详细数据
所述的高分辨率长波红外连续变焦光学系统，双凹负透镜2的入射表面S3、第一弯月形负透镜4的入射表面S7、第二弯月形负透镜5的入射表面S9均为非球面。
进一步的，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列出根据本发明的双凹负透镜2的入射表面S3、第一弯月形负透镜4的入射表面S7、第二弯月形负透镜5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-5.428036e-007表示-5.428036×10-7。
表3本发明的非球面系数
进一步的，所述的双凸正透镜3的入射表面S5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面，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列出根据本发明的双凸正透镜3入射表面的衍射非球面系数。
表4本发明的双凸正透镜的衍射非曲面系数
经过光学设计软件仿真，如图5、图6、图7所示，本发明光学系统长焦、中焦及短焦状态下的传递函数均大于0.2；如图8、图9、图10所示，本发明光学系统长焦、中焦及短焦状态下的点列图，该系统弥散斑直径均与探测器像元尺寸相当；如图11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 (9)

1.一种高分辨率长波红外连续变焦光学系统，其特征在于，所述光学系统由从物方至像方依次同轴设置的第一弯月形正透镜、双凹负透镜、双凸正透镜、第一弯月形负透镜、第二弯月形负透镜、第二弯月形正透镜组成；所述的第一弯月形正透镜、第一弯月形负透镜、第二弯月形正透镜的凸面向物方，且各表面曲率半径为正；第二弯月形负透镜的凸面向像方，且各表面曲率半径为负，其中，所述双凹负透镜为变倍透镜，通过双凹负透镜沿着轴向运动实现系统焦距改变，当系统由广角端向望远端变化时，所述的变倍透镜向着靠近像方方向移动，所述双凸正透镜为补偿透镜，当系统由广角端向望远端变化时，所述的补偿透镜向着远离像方方向移动。
2.根据权利要求1所述的一种高分辨率长波红外连续变焦光学系统，其特征在于，所述第一弯月形正透镜与双凹负透镜的中心间隔为20～56.5mm，所述双凹负透镜与双凸正透镜的中心间隔为7.0～86.8mm，所述双凸正透镜与第一弯月形负透镜的中心间隔为6.5～49.9mm；在由广角端至望远端的变化过程中，双凹负透镜的行程为46.5mm，双凸正透镜的行程为43.4mm。
3.根据权利要求1所述的一种高分辨率长波红外连续变焦光学系统，其特征在于，采用轴向移动第二弯月形正透镜的方式实现系统在-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。
4.根据权利要求1所述的一种高分辨率长波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、双凹负透镜、双凸正透镜、第一弯月形负透镜的材质均为单晶锗(Ge)，第二弯月形负透镜的材质为硫化锌(ZNS)，第二弯月形正透镜的材质为硒化锌(ZNSE)。
5.根据权利要求1所述的一种高分辨率长波红外连续变焦光学系统，其特征在于，所述第二弯月形负透镜与所述第二弯月形正透镜之间于光轴上的距离为T56，所述第二弯月形正透镜与成像面之间于光轴上的距离为T67，所述第二弯月形正透镜于光轴上的厚度为CT6，满足以下条件：7.5≤(T56+T67)/CT6≤9.5。
6.根据权利要求1所述的一种高分辨率长波红外连续变焦光学系统，其特征在于，，所述以上各透镜焦距需满足以下条件：
0.7≤f1/f≤0.9，-0.3≤f2/f≤-0.2，0.3≤f3/f≤0.5，-30≤f4/f≤-25，-1.8≤f5/f≤-1.5，0.25≤f6/f≤0.45；
其中：f为光学系统长焦状态时的焦距，
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为第一弯月形负透镜的有效焦距，
f5为第二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。
7.根据权利要求1所述的一种高分辨率长波红外连续变焦光学系统，其特征在于，所述双凹负透镜的入射表面、第一弯月形负透镜的入射表面、第二弯月形负透镜的入射表面均为非球面。
8.根据权利要求1所述的一种高分辨率长波红外连续变焦光学系统，其特征在于，所述的双凸正透镜入射表面为衍射非球面。
9.根据权利要求1所述的一种高分辨率长波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～150mm；第一弯月形正透镜的前表面至像面的光学总长：230mm；视场为：28.7°×23.2°～5.86°×4.69°；适配1280×1024，12μm长波红外探测器，其中，F#计算公式为f/D，f为光学系统的焦距，D为入射光瞳直径。
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