CN201732204U - 一种长波致冷红外焦平面探测器变焦距透镜系统 - Google Patents

Abstract

一种长波致冷红外焦平面探测器变焦距透镜系统，由前固定组透镜、变焦组透镜、补偿组透镜和后固定组透镜组成，工作波段为8～12μm，四组透镜的光焦度分配依次为正、负、正、正结构，透镜全部采用光学锗单晶材料并采用非球面及二元衍射面设计，使结构紧凑、重量轻、调焦过程平滑无卡滞，系统可在焦距30mm～90mm范围内连续变焦并获得良好的成像质量，各个视场成像质量接近衍射极限，并且具有100％的冷光阑效率，解决了热成像系统空间小焦距、宽视场的大范围搜索监控和大焦距、窄视场的跟踪功能，并且由于连续变焦而不会丢失观测目标，大大提高了红外热成像系统的应用范围。

Description

一种长波致冷红外焦平面探测器变焦距透镜系统

技术领域

本实用新型涉及一种红外变焦距透镜系统，尤其涉及一种用于长波致冷红外焦平面探测器的变焦距透镜系统。

背景技术

传统定焦距红外镜头仅有一个固定焦距固定视场只能观测一定范围内的场景情况，无法实现精确搜索、跟踪的功能，大大限制其更广泛的应用。而新型红外双视场光学系统虽然可以实现小焦距宽视场的搜索和大焦距窄视场的跟踪等功能，但是系统在两个焦距以外是不可成像的，在焦距变换过程中很容易导致目标的丢失。红外变焦距透镜系统可以弥补上述非连续变焦系统在使用中的缺点。

红外连续变焦距透镜系统是一种焦距可以连续变化而在变焦过程中像面保持稳定且像质保持良好的系统。变焦距系统在一定范围内可以改变焦距从而可以得到不同大小视场角、不同大小的影像和不同景物范围，在民用和军事方面都有重要的使用价值。根据变焦过程中补偿方式的不同可分为机械补偿方式变焦距系统和光学补偿方式变焦距系统。

1.光学补偿技术：光学补偿技术是利用几个运动组元固定在一起作同方向同速度的移动达到在变焦的同时能够减少像面移动。

其缺点是这种技术主要用于早期凸轮曲线技术不十分成熟且精细加工精度低的条件下，整个变焦过程中只有几个离散的点能够达到像面平衡，可以说其并不属于完全意义上的连续变焦距系统。当今的变焦距系统几乎都不使用光学补偿技术。

2.机械补偿技术：随着电子计算机在光学设计中的普遍应用以及凸轮加工精度的提高，机械补偿技术得到了长足的发展。机械补偿技术的变焦距系统一般含有前固定组、变倍组、补偿组和后固定组。变倍组作线性移动，补偿组作相对少量非线性移动，以达到光学系统既变倍而像面位置又稳定的要求。

机械补偿技术是变焦系统主流的补偿技术，可以在整个变焦过程中达到像面平衡的目的，保证成像的连续性，在具体应用中保证搜索和跟踪过程中不丢失目标，延伸其应用领域，扩大适用范围。其难点是凸轮曲线的绘制和机械加工过程中的精度保证。

当今的红外变焦距透镜系统大部分应用于长波非致冷红外焦平面探测器和中波致冷红外焦平面探测器，用于长波致冷红外焦平面探测器的红外变焦距透镜系统的研究至今还未见报道。

系统的F数定义为焦距与光阑孔径的比值，表征系统通光量大小的参数，在变焦距系统中保持稳定的F数可以使系统的灵敏度不变，有效提高其应用领域。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种恒定F数长波致冷红外变焦距透镜系统，可在焦距30mm～90mm范围内连续变焦，并实现100％的冷光阑效率，以解决热成像系统空间小焦距、宽视场的大范围搜索监控和大焦距、窄视场的跟踪功能，提高热成像系统的灵敏度。

本实用新型所述的长波致冷红外焦平面探测器变焦距透镜系统的技术方案为：由前固定组透镜、变焦组透镜、补偿组透镜和后固定组透镜组成，工作波段为8～12um，四组透镜的光焦度分配依次为正、负、正、正结构。前固定组透镜的焦距范围为20mm～50mm，变焦组透镜能轴向移动以调整光学系统的焦距，由于移动变焦组透镜会产生32.5mm的像面偏移，导致同一个光学系统不能实现连续变焦，因此，通过补偿组透镜作非线性移动来达到像面平衡，其移动范围为变焦组透镜调整焦距从30mm到90mm过程中，补偿组透镜与后固定组透镜的距离从60mm到31.5mm，光线在变焦组透镜和补偿组透镜之间成一次像。这种设计可以有效地减小光学系统的重量和光轴方向和径向的尺寸，并且有利于光学系统与红外探测器的匹配。后固定组透镜使通过前固定组透镜、变焦组透镜、补偿组透镜的光线聚焦于红外探测器焦平面，焦距选取25mm时可以缩短光学系统的总长，并且补偿光学系统产生的像差。光学系统在长焦时，孔径光阑与前固定组透镜共轭，这样可以减小前固定组透镜的孔径，降低成本。本实用新型采用机械补偿方式，变焦组透镜和补偿组透镜的运动曲线平滑，在系统变焦过程中无卡滞现象。光学系统所有透镜全部采用光学锗单晶材料。为了便于与致冷型红外焦平面探测器结构相匹配，提高整个系统的灵敏度及成像质量，减少杂散光对系统的干扰，系统的孔径光阑与致冷型红外焦平面探测器的冷光阑重合以达到100％冷光阑效率。前固定组透镜的前表面、变焦组透镜的后表面、补偿组透镜的前表面和后固定组透镜的后表面采用偶次非球面，并且变焦组透镜和后固定组透镜的非球面上叠加二元衍射面。上述非球面及二元衍射面(DOE)的使用可以消除球差、彗差、像散、色差等像差，大幅度提高像质量，简化系统。

本实用新型经试用证明：光学系统结构紧凑、重量轻、调焦过程平滑无卡滞，系统可在焦距30mm～90mm范围内连续变焦并且获得良好的成像质量。各个视场成像质量接近衍射极限，并且具有100％的冷光阑效率，解决了热成像系统空间小焦距、宽视场的大范围搜索监控和大焦距、窄视场的跟踪功能，并且由于连续变焦而不会丢失观测目标，大大提高了红外热成像系统的应用范围。系统具备体积小、重量轻、结构紧凑、可靠性高等优点。

附图说明

图1为本实用新型的光学结构图；

图2为本实用新型在焦距为90mm时的光学结构图；

图3为本实用新型在焦距为60mm时的光学结构图；

图4为本实用新型在焦距为30mm时的光学结构图。

图5为本实用新型在焦距为90mm时的调制传递函数图；

图6为本实用新型在焦距为60mm时的调制传递函数图；

图7为本实用新型在焦距为30mm时的调制传递函数图。

图中，1为前固定组透镜，2为变焦组透镜，3为补偿组透镜，4为后固定组透镜，5为红外致冷探测器窗口，6为冷光阑，7是探测器窗口，8为探测器焦平面阵列，d1为前固定组透镜与变焦组透镜的距离，d2为变焦组透镜与补偿组透镜的距离，d3为补偿组透镜与后固定组透镜的距离。

具体实施方式

以下结合附图，通过实施例对本实用新型作进一步的详细说明。

如图1所示，本实用新型所述的长波致冷红外焦平面探测器变焦距透镜系统由正光焦度的前固定组透镜1、负光焦度的变焦组透镜2、正光焦度的补偿组透镜3和正光焦度的后固定组透镜4四片折射式透镜组成，四片透镜全部采用锗材料，工作波段为8～12um。前固定组透镜1的前表面镀类金刚石硬碳膜层进行保护，其余透镜表面镀高效增透膜。前固定组透镜1的前表面、变焦组透镜2的后表面、补偿组透镜3的前表面和后固定组透镜4的后表面采用偶次非球面，并且变焦组透镜2和后固定组透镜4的非球面上叠加二元衍射面。前固定组透镜1的后表面、变焦组透镜2的前表面、补偿组透镜3的后表面和后固定组透镜4的前表面皆采用普通球面。

偶次非球面的方程为：

$Z=\frac{y^2}{R[1+\sqrt{1-(1+k)y^2/R^2}]}+{\mathrm{Ay}}^4+{\mathrm{By}}^6+{\mathrm{Cy}}^8+{\mathrm{Dy}}^{10}+...$

通过优化计算，得到非球面系数及二元衍射面系数：

前固定组透镜1的前表面非球面系数为：

K＝0；

A＝-3.85853×10^-007；

B＝-2.96095×10^-010；

C＝8.66421×10^-014；

D＝-1.34839×10^-016；

E＝4.55917×10^-020。

变焦组透镜2的后表面非球面系数为：

K＝0；

A＝1.75962×10^-006；

B＝-6.40855×10^-009；

C＝1.60652×10^-011；

D＝-3.30041×10^-014；

E＝1.05540×10^-017。

补偿组透镜3的前表面非球面系数为：

K＝0；

A＝-1.25967×10-⁰⁰⁵；

B＝1.65601×10-⁰⁰⁸；

C＝-1.72658×10^-009；

D＝1.45946×10^-011；

E＝-7.36254×10^-014。

后固定组透镜4的后表面非球面系数为：

K＝0；

A＝1.52750×10^-006；

B＝-1.10228×10^-009；

C＝-9.34483×10^-014。

变焦组透镜2的后表面二元衍射面系数为：

H1＝-13.767；

H2＝-5.768；

H3＝1.594。

后固定组透镜4的后表面二元衍射面系数为：

H1＝-16.218；

H2＝-4.046；

H3＝5.306。

以下表1、表2、表3分别为本实用新型在焦距为90mm、60mm、30mm时的光学结构参数，图2、图3、图4分别为本实用新型在焦距等于90mm、60mm、30mm时的光学图，图5、图6、图7是上述各焦距所对应的调制传递函数图。从附图可以看出，随着光学系统焦距的减小，前固定组透镜1与变焦组透镜2的距离d1增大，变焦组透镜2与补偿组透镜3的距离d2减小，补偿组透镜3与后固定组透镜4的距离d3增大。当焦距为90mm时，d1＝8.137，d2＝52.967，d3＝31.496；当焦距为60mm时，d1＝10.469，d2＝36.950，d3＝45.181；当焦距为30mm时，d1＝17.281，d2＝15.410，d3＝59.909。

表1为光学系统焦距等于90mm时光学结构参数：

表面	曲率半径	厚度	材料	折射类型	镜片孔径
						物面	无限	无限
1	49.152	8.6	锗单晶	折射	55
						2	102.57	8.137			51.8
3	50	4	锗单晶	折射	32.7
						4	26.388	52.967			27.5
5	-14.345	7	锗单晶	折射	19.3
						6	-17.378	31.496			26.7
7	47.21	4	锗单晶	折射	29.7
						8	120.013	10.96			28.4
9	无限	1	锗单晶	折射	15.9114
						10	无限	2.275			15.6469

光阑	无限	19.13			14.915
						12	无限	0.3	锗单晶	折射	13.1
13	无限	0.57			13.1
						像面	无限	0			13.2

表2为光学系统焦距等于60mm时光学结构参数：

表面	曲率半径	厚度	材料	折射类型	镜片孔径
						物面	无限	无限
1	49.152	8.6	锗单晶	折射	55
						2	102.57	10.469			51.8
3	50	4	锗单晶	折射	32.7
						4	26.388	36.950			27.5
5	-14.345	7	锗单晶	折射	19.3
						6	-17.378	45.181			26.7
7	47.21	4	锗单晶	折射	29.7
						8	120.013	10.96			28.4
9	无限	1	锗单晶	折射	15.9114
						10	无限	2.275			15.6469
光阑	无限	19.13			14.915
						12	无限	0.3	锗单晶	折射	13.1
13	无限	0.57			13.1
						像面	无限	0			13.2

表3为光学系统焦距等于30mm时光学结构参数：

表面

曲率半径

厚度

材料

折射类型

镜片孔径

物平面	无限	无限
						1	49.152	8.6	锗单晶	折射	55
2	102.57	17.281			51.8
						3	50	4	锗单晶	折射	32.7
4	26.388	15.410			27.5
						5	-14.345	7	锗单晶	折射	19.3
6	-17.378	59.909			26.7
						7	47.21	4	锗单晶	折射	29.7
8	120.013	10.96			28.4
						9	无限	1	锗单晶	折射	15.9114
10	无限	2.275			15.6469
						光阑	无限	19.13			14.915
12	无限	0.3	锗单晶	折射	13.1
						13	无限	0.57			13.1
像平面	无限	0			13.2

参照附图，本实用新型的特点是：

1.在焦距30mm～90mm范围内实现连续变焦，并且成像质量接近衍射极限。本实用新型利用四片最简单的结构型式达到连续变焦的目的，并且具有100％的冷光阑效率。在实际应用中，成像质量良好，系统分辨率高，调焦平滑，系统工作稳定；

2.材料种类少，成本低。仅使用一种材料——锗，传统的红外变焦距透镜系统采用两种以上的光学材料才可以达到全视场消色差的目的，本实用新型仅用锗材料上加工二元衍射面便可以成功实现，进而节约成本。非球面的加入可以起到消各种像差的功能；

3.结构简单，便于大批量生产、加工、装配。设计中光线经过前固定组透镜1、变焦组透镜2成像，再通过补偿组透镜3、后固定组透镜4最终成像于红外探测器焦平面上。变焦组透镜2、补偿组透镜3实现变焦透镜与中继透镜的合二为一，在光学结构上实现最简化从而达到紧凑标准；

4.系统在长焦时，光阑与前固定组透镜1共轭，从而有效地减小前固定组透镜1的口径，进而使系统体积进一步缩小，重量轻，有利于大规模普及；

5、全视场具有恒定的F数，提高系统灵敏度。

Claims (4)

1.一种长波致冷红外焦平面探测器变焦距透镜系统，其特征在于：由前固定组透镜(1)、变焦组透镜(2)、补偿组透镜(3)和后固定组透镜(4)组成，工作波段为8～12um，四组透镜的光焦度分配依次为正、负、正、正结构，所有透镜全部采用光学锗单晶材料，前固定组透镜(1)的前表面、变焦组透镜(2)的后表面、补偿组透镜(3)的前表面和后固定组透镜(4)的后表面采用偶次非球面，并且变焦组透镜(2)和后固定组透镜(4)的非球面上叠加二元衍射面，透镜其余光学工作表面采用普通球面。

2.根据权利要求1所述的长波致冷红外焦平面探测器变焦距透镜系统，其特征在于：前固定组透镜(1)的焦距范围为20mm～50mm，变焦组透镜(2)的调焦范围为30mm～90mm。

3.根据权利要求1所述的长波致冷红外焦平面探测器变焦距透镜系统，其特征在于：补偿组透镜(3)作非线性移动，其移动范围为变焦组透镜(2)调整焦距从30mm到90mm过程中，补偿组透镜(3)与后固定组透镜(4)的距离从60mm到31.5mm，光线在变焦组透镜(2)和补偿组透镜(3)之间成一次像。

4.根据权利要求1所述的长波致冷红外焦平面探测器变焦距透镜系统，其特征在于：光学系统在长焦时，孔径光阑与前固定组透镜(1)共轭。

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