CN206710691U - 非制冷长波红外光学补偿变焦光学系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及非制冷长波红外光学补偿变焦光学系统，解决了长波红外光学补偿变焦光学系统相对孔径小，成像灵敏度低的问题；系统包括固定的前固定镜组、中间固定镜组、光阑和可调的后固定镜组、变焦镜组；前固定镜组包括第一正透镜；中间固定镜组包括第二正透镜；后固定镜组主要由第三正透镜和第四正透镜组成；变焦镜组包括固定连接的第一负透镜和第二负透镜；第一正透镜、第一负透镜、第二正透镜、第二负透镜、光阑、第三正透镜、第四正透镜从物面到像面依次设置。在变焦过程中，变焦镜组在光轴上等距等速等方向前后联动。本实用新型具有体积小巧，结构紧凑，能够实现光学补偿变焦功能等优点，尤其适用8～12μm长波红外波段的大相对孔径光学系统。

Description

非制冷长波红外光学补偿变焦光学系统

技术领域

本实用新型涉及光学变焦系统领域，具体涉及一种具有大相对孔径，采用光学补偿方式的非制冷长波红外光学补偿变焦光学系统。

背景技术

在同一光学系统中为了实现大小视场的兼容，需要进行变焦系统设计，现有的方式主要有机械补偿和光学补偿两种方式。光学补偿连续变焦系统是通过以相同的速度移动两个或多个透镜组来实现视场连续变换。在变焦过程中，变焦组的各组元同向等间距沿光轴移动，这种结构简化了机械构造，有利于对视轴及其校准进行良好的控制，而且少了凸轮机构，可以减小了整机系统的外形尺寸、成本和重量，但相对于机械补偿方式通过各组元非线性运动补偿像面偏移而言，整个光学系统视场变换过程中，都需要通过变焦组各组元的线性等速联动保证像面稳定，极大提高了光学补偿变焦光学系统的设计难度。

现有的一些文献资料公开的长波红外光学补偿变焦光学系统多针对制冷型长波红外探测器所设计，而制冷型探测器高昂的成本极大的限制了其在低成本成像探测领域中的应用。

2008年,刊载于中国文献《红外技术》杂志，第30卷第4期，第210～213页，题为《5×光学补偿长波红外连续变焦物镜系统》，其中公开的光学镜头，工作波段为7.7～10.3μm，F/#为2，共采用了10片透镜、3个非球面，实现了53mm～265mm五倍光学补偿变焦，但该系统适用探测器类型为制冷型长波红外探测器。

2011年，刊载于中国文献《光学仪器》杂志，第33卷第3期，第53～56页，题为《光学补偿式长波红外变焦系统设计》，公开了一种长波红外光学补偿变焦光学系统，工作波段为7.7～9.3μm，F/#为2，共采用了9片透镜、2个非球面，实现了50mm～250mm五倍光学补偿变焦，但适用探测器类型同样为制冷型长波红外探测器。

中国专利CN105676432A，公开了一种光学补偿长波红外连续变焦光学系统设计，工作波段为7.7～9.5μm，共采用了10片透镜，实现了33mm～500mm十五倍光学补偿变焦，F/#为3，同样适配制冷型长波红外探测器。另外，美国专利US7092150B1公开的光学补偿长波红外变焦光学系统也是针对制冷型探测器设计的。

非制冷长波红外探测器灵敏度较低，若将上述现有设计应用于非制冷长波红外成像，会存在相对孔径小，成像灵敏度低等问题，无法满足使用要求。若要提高整个光学系统灵敏度，则需要更大的相对口径使得光学系统具有更高的像面照度。但是，随着相对口径增大，轴上点的像差(即球差)增大，以致难于校正，相应地将导致结构形式复杂化；视场愈大，轴外初级和高级像差增大，高级像差在像差中所占比重增大，给平衡像差造成困难。因此，设计出具有较小F数(F#即为光圈数，是入瞳口径与焦距之比的倒数，即F＝f/D)的非制冷长波红外光学补偿变焦光学系统，以满足低成本高可靠性红外变焦成像探测的要求，可以更好地满足市场需求，但困难较大。

实用新型内容

为解决现有技术中存在的问题，本实用新型提出了一种可以提高灵敏度、低成本、高可靠性、且具有较大相对孔径的非制冷长波红外光学补偿变焦光学系统。

本实用新型解决上述问题的技术方案是：

非制冷长波红外光学补偿变焦光学系统，包括位置固定的前固定镜组、中间固定镜组、光阑和位置可调的后固定镜组、变焦镜组；前固定镜组包括单片式第一正透镜；中间固定镜组包括第二正透镜；后固定镜组包括双分离透镜组，双分离透镜组主要由第三正透镜和第四正透镜组成；变焦镜组包括第一负透镜和第二负透镜，所述第一负透镜和第二负透镜固定连接；第一正透镜、第一负透镜、第二正透镜、第二负透镜、光阑、第三正透镜、第四正透镜从物面到像面依次设置。光学系统在焦距变化的过程中系统总长不变。前固定镜组、中间固定镜组和像面的位置恒定；变焦镜组的第一负透镜和第二负透镜中间间距也保持恒定。在变焦过程中，变焦镜组在光轴上等距等速等方向前后联动。在从宽视场向窄视场变化时，变焦镜组往靠近像面方向一侧平移；在从窄视场向宽视场变化时，变焦镜组向物面方向一侧移动。

进一步地，第二正透镜和第三正透镜靠近物面一侧的面采用非球面，第一负透镜靠近像面一侧的面采用非球面，第二负透镜靠近物面一侧的面采用非球面。非球面的设计对光学系统像差校正有益，使整个光学补偿连续变焦镜头的加工更加方便和简单。

进一步地，第一正透镜的焦距为f₊₁,光学补偿连续变焦光学系统长焦端焦距为fL，f₊₁和fL满足条件：1.5<|f₊₁/fL|<1.8，第一正透镜能够压缩后组(变焦镜组、中间固定镜组、后固定镜组)孔径，对与大口径化相伴而生的像差良好地进行校正，保证光学系统跨全变倍区域优良的集光能力。

进一步地，变焦镜组第一负透镜的焦距为f_-1,变焦镜组第二负透镜的焦距为f_-2,光学补偿连续变焦光学系统长焦端焦距为fL，f_-1、f_-2和fL满足条件式：4.1<|fL/f_-1|<5；3.2<|fL/f_-2|<3.8，变焦镜组能对与变焦过程相伴而生的像差良好地进行校正，保证光学系统变焦过程像质稳定，变焦迅速。

进一步地，中间固定镜组的焦距为f₊₂，光学补偿连续变焦光学系统长焦端焦距为fL，所述f₊₂和fL满足条件式：3.2<|fL/f₊₂|<3.5，能够保证变焦镜组运动平稳迅速，特别是能对短焦端的彗差和像散进行更好地校正,维持光学系统高的光学性能，并能够实现光学系统的小型化。

进一步地，后固定镜组中的第四正透镜为本实用新型连续变焦光学系统的调焦件，第四正透镜的焦距为f₊₄时，光学补偿连续变焦光学系统长焦端焦距为fL，f₊₄与fL满足以下的条件式：3.2<|fL/f₊₄|<3.6，能够维持调焦件较短的调焦行程，并能够保证光学系统在不同使用条件下的适应性。

为了使第一负透镜和第二负透镜的连接可靠，第一负透镜和第二负透镜可采用框架结构固联。

为了使变焦镜组沿光轴做可靠的等速运动，变焦镜组通过齿轮-导轨机构驱动在光学系统的光轴方向前后直线移动，沿光轴方向前后移动实现连续变焦。

第一正透镜、第一负透镜、第二正透镜、第二负透镜、光阑、第三正透镜、第四正透镜均采用锗材料，能够对跨全变倍区域的在工作谱段范围内的光产生的色差更好地进行校正，保证光学系统具有较好的加工特性和公差特性。

第一正透镜与第一负透镜也可采用硫系玻璃材料IRG206、IG6、IRG26或AMTIR2制成。

进一步地，第四正透镜和像面之间还设置有位置固定的滤光片。

本实用新型的优点为：

1.本实用新型提供了一种体积小巧，结构紧凑，能够实现光学补偿变焦功能，且具有大相对孔径的光学系统，尤其是适用于8～12μm长波红外波段的大相对孔径光学系统。

2.本实用新型采用光学补偿变焦方式，通过间距保持不变的第一负透镜和第二负透镜组成的变焦镜组在光轴上前后移动实现焦距变化，属于内变焦，变焦过程中，光圈恒定，总长固定不变，质心变化较小，变焦方式简单。本实用新型系统的四个透镜组镜片总数仅为6片，系统体积小，结构紧凑，变焦方式简单。

3.本实用新型各透镜材料均使用锗材料,具有较好的公差特性和加工特性。

4.本实用新型光学系统光阑固定位于后固定镜组第三正透镜靠近物面一侧的位置，光阑后置的方式一方面可以避免在变焦过程中为了保持光学系统相对孔径恒定而采用更为复杂的可变光阑；另一方面，光阑经后固定镜组成像于像面侧很远距离处，构成准像方远心光路，可保证整个像面具有均匀的相对照度分布。

5.本实用新型采用准像方远心的设计结合像差渐晕的方式，保证光学系统在各视场条件下均具有较好畸变特性的同时，亦可使各视场条件下像面照度分布更为均匀。

6.第二正透镜和第三正透镜靠近物面一侧的面采用非球面，第一负透镜靠近物面一侧的面采用非球面，第二负透镜靠近物面侧的面采用非球面。非球面的设计对光学系统像差校正有益，使整个光学补偿连续变焦镜头的加工更加方便和简单。

附图说明

图1是本实用新型的长波红外波段光学补偿变焦光学系统透镜模型示意图；

图2是本实用新型长波红外大相对孔径光学补偿变焦光学系统透镜结构的示意图；

图3是本实用新型实施例39mm焦距时的示意图；

图4是本实用新型实施例26mm焦距时的示意图；

图5是本实用新型实施例13mm焦距时的示意图。

附图标记：1-像面，2-滤光片，3-后固定镜组，4-中间固定镜组，5-变焦镜组，6-前固定镜组，7-物面，301-第三正透镜，302-第四正透镜，501-第一负透镜，502-第二负透镜。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型的内容作进一步的详细描述：

如图1、图2所示，本实用新型提供的非制冷长波红外光学补偿变焦光学系统包括位置固定的前固定镜组6、中间固定镜组4、光阑和位置可调的后固定镜组3、变焦镜组5；前固定镜组6包括单片式第一正透镜；中间固定镜组4包括第二正透镜；后固定镜组3包括双分离透镜组，双分离透镜组主要由第三正透镜301和第四正透镜302组成；变焦镜组5包括第一负透镜501和第二负透镜502，第一负透镜501和第二负透镜502固定连接；第一正透镜、第一负透镜501、第二正透镜、第二负透镜502、光阑、第三正透镜301、第四正透镜302从物面7到像面1依次设置；第二正透镜和第三正透镜301靠近物面7一侧的面采用非球面，第一负透镜501靠近像面1一侧的面采用非球面，第二负透镜502靠近物面7一侧的面采用非球面。

第一负透镜501和第二负透镜502可采用框架结构固联，以固联在镜筒上的电机作为驱动源。为了使变焦镜组5沿光轴做可靠的等速运动，变焦镜组5通过齿轮-导轨机构驱动在光学系统的光轴方向前后直线移动，实现连续变焦。变焦镜组5与前固定镜组6、中间固定镜组4和后固定镜组3共同构成完整的成像系统，光学系统在焦距变化的过程中系统总长不变。前固定镜组6、中间固定镜组4和像面1的位置恒定；变焦镜组5的第一负透镜501和第二负透镜502之间间距也保持恒定；后固定镜组3可前后微小移动，对不同工况条件下的光学系统进行调焦补偿。各透镜材料均采用折射率较大、色散能力较弱的锗材料。

后固定镜组3具有正光焦度。在变焦过程中，变焦镜组5在光轴上等距等速等方向前后联动。在从宽视场向窄视场变化时，变焦镜组5往靠近像面1方向一侧平移；在从窄视场向宽视场变化时，变焦镜组5向物面7方向一侧移动。在向长焦变化时，变焦镜组5朝向像面1一侧运动；在向短焦变化时，变焦镜组5朝向物面7一侧运动，运动过程中焦距连续变化，整个变焦过程中光阑固定位于第三正透镜301靠近物面7一侧的位置，在各视场处都具有较好的成像质量。

第一正透镜的焦距为f₊₁,光学补偿连续变焦光学系统长焦端焦距为fL，f₊₁和fL满足条件：

1.5<|f₊₁/fL|<1.8 (1)

条件式(1)对前固定镜组6焦距范围进行了限定。前固定镜组6能够压缩后组(即变焦镜组5、中间固定镜组4、后固定镜组3)孔径，对与大口径化相伴而生的像差进行良好地校正，保证光学系统跨全变倍区域优良的集光能力，并能够实现光学系统的小型化。条件式(1)中的比值若低于其下限，对光学系统的小型化有利，但是短焦端中彗差和像散的校正变得困难；条件式(1)中的比值若超过其上限，对光学系统的像差校正有利，但光线在后组镜片的入射角变大，像差校正难度增加，小型化变得困难。

变焦镜组5第一负透镜501的焦距为f_-1,变焦镜组5第二负透镜502的焦距为f_-2,光学补偿连续变焦光学系统长焦端焦距为fL，f_-1、f_-2和fL满足条件式：

4.1<|fL/f_-1|<5 (2)

3.2<|fL/f_-2|<3.8 (3)

条件式(2)和(3)对变焦镜组5光焦度范围进行了限定。通过满足该条件式(2)与(3)，能对与变焦过程相伴而生的像差进行良好地校正，保证光学系统变焦过程像质稳定，变焦迅速，并能够更好地实现光学系统的小型化。条件式(2)与(3)中的比值若低于其下限，则所述变焦镜组5的移动量增加，光学系统的小型化变得困难。条件式(2)与(3)中的比值若高于其上限，对光学系统小型化有利，但是短焦端中像散的校正变得困难，光学性能劣化。

中间固定镜组4的焦距为f₊₂，光学补偿连续变焦光学系统长焦端焦距为fL，所述f₊₂和fL满足条件式：

3.2<|fL/f₊₂|<3.5 (4)

条件式(4)对中间固定镜组4焦距进行了限定，通过满足该式能够保证变焦镜组5运动平稳迅速，特别是能对长焦端的像散进行更好地校正,维持光学系统高的光学性能，更好地实现光学系统的小型化。条件式(4)中的比值若低于其下限，则变焦镜组5的移动量增加，因此光学系统的小型化变得困难。在条件式(4)中的比值若低于其下限，后组通光孔径变小，对光学系统小型化有利，但是长焦端中的像散的校正变得困难，光学性能劣化。

第四正透镜302、第三正透镜301构成后固定镜组3。其中的第四正透镜302为本实用新型连续变焦光学系统的调焦件，第四正透镜302的焦距为f₊₄时，光学补偿连续变焦光学系统长焦端焦距为fL，f₊₄与fL满足以下的条件式：

3.2<|fL/f₊₄|<3.6 (5)

条件式(5)对与实施例连续变焦光学系统的调焦件光焦度范围进行了限定。通过满足该条件式(5)，能够维持调焦件较短的调焦行程，并能够保证光学系统在不同使用条件下的适应性。条件式(5)中的比值若低于其下限，则调焦件的光焦度变小，调焦行程变大，因此光学系统的调焦补偿时间变长。条件式(5)中的比值若超过其上限，对减小调焦件行程有利，但会导致长焦端中的场曲和像散的校正变得困难，光学性能劣化。如此，能够维持调焦件较短的调焦行程，并能够保证光学系统在不同使用条件下的离焦有效地进行补偿。

本实施例中各透镜均采用锗材料，能够对工作谱段范围内的光产生的色差更好地进行校正，保证光学系统具有较好的加工特性和公差特性。

如图2，本实施例光学系统共四个镜组，此时焦距为52mm，从物面7到像面1包括前固定镜组6、变焦镜组5、中间固定镜组4、后固定镜组3和滤光片2。物面7之后为由第一正透镜构成的前固定镜组6；变焦镜组5包括第一负透镜501与第二负透镜502，这两片负透镜之间设置有由第二正透镜构成的中间固定镜组4；后固定镜组3包括第三正透镜301、第四正透镜302；后固定镜组3与前固定镜组6、变焦镜组5、中间固定镜组4共同构成完整的成像系统。光学系统在变焦过程中，前固定镜组6、中间固定镜组4、滤光片2和像面1的位置恒定；变焦镜组5的中央间距也保持恒定，光学系统焦距随变焦镜组5的轴向移动而连续变化。后固定镜组3可前后微小移动，对不同工况条件下的光学系统进行调焦补偿。

前固定镜组6由焦距约为85.53mm采用锗材料的单片式第一正透镜构成。变焦镜组5由两片负透镜组成，其中，第一负透镜501采用锗材料，焦距约为-19.51mm；第二负透镜502采用锗材料，焦距约为-24.60mm。第一负透镜501和第二负透镜502的间距固定约为43.82mm，在变焦过程中始终在光轴上前后移动，在长焦52mm焦距时，第一负透镜501与第一正透镜的轴向间距约为33.32mm；在短焦13mm焦距时，第一负透镜501与第一正透镜的轴向间距约为15.29mm。

中间固定镜组4位置固定不变。中间固定镜组4为焦距约为26.70m、采用锗材料的正透镜，其靠近物面7一侧的面采用非球面。

后固定镜组3为由采用锗材料、焦距约为26.69mm的第三正透镜301与采用锗材料、焦距约为23.72mm的第四正透镜302组成的双分离透镜组。其中，第三正透镜301靠近物面7一侧的面采用非球面。

本实施例中，系统至少含有四个非球面，其中一个位于第一负透镜501靠近像面1一侧，一个位于中间固定镜组4靠近物面7一侧，一个位于第二负透镜502靠近物面7一侧，另一个位于第三正透镜301靠近物面7一侧。

变焦过程中，光学系统光阑固定位于第三正透镜301靠近物面7一侧，光阑经第三正透镜301与第四正透镜302成像于像面1一侧很远距离处，使得整个光学系统构成准像方远心设计，提高像面1相对照度分布。

第一正透镜与第一负透镜501均可采用硫系玻璃材料IRG206或IG6或IRG26或AMTIR2替换。另外，本实用新型所述系统采用的光学材料也可由其它对应牌号或折射率色散特性相近的材料替换，此时，只需对各镜片曲率半径和非球面系统进行调整即可。

本实施实例将该光学设计结构应用于8～12μm宽波段焦平面探测器上，像元尺寸为17μm×17μm，对角线长度为13.6mm，像元数为640×480，采用光圈数F#1.0。其中，F#即为光圈数是入瞳口径与焦距之比的倒数，即F＝f/D。从前固定镜组6靠近物面7一侧的面到像面1的总长小于143mm，各透镜最大口径小于100mm，焦距范围13mm～52mm，变倍比为4。变倍过程中，系统总长恒定，F数恒定，具有较小的体积、较轻的重量和较大的相对孔径，且属于内变焦，变倍过程中质心变化不大。

图3为光学系统焦距39mm时的光路图，相对于图2光学系统52mm焦距时的镜片位置，除变焦镜组5整体向物面7方向移动了约3.7mm外，其他镜片都固定不变。

图4为光学系统焦距26mm时的光路图，相对于图3光学系统39mm焦距时的镜片位置，除变焦镜组5整体向物面7方向移动了约5.25mm外，其他镜片都固定不变。

图5为光学系统焦距13mm时的光路图，相对于图4光学系统26mm焦距时的镜片位置，除变焦镜组5整体向物面7方向移动了约9.2mm外，其他镜片都固定不变。

本实用新型适用于各类军警民用监控、搜索与跟踪瞄准、手持红外热像检测等用途。以上利用实施实例对本实用新型的描述，意图是示例性的，不对本实用新型的保护范围起限制作用。

Claims (10)

1.一种非制冷长波红外光学补偿变焦光学系统，其特征在于：包括位置固定的前固定镜组、中间固定镜组、光阑和位置可调的后固定镜组、变焦镜组；

前固定镜组包括单片式第一正透镜；

中间固定镜组包括第二正透镜；

后固定镜组包括双分离透镜组，双分离透镜组主要由第三正透镜和第四正透镜组成；

变焦镜组包括第一负透镜和第二负透镜，所述第一负透镜和第二负透镜固定连接；

第一正透镜、第一负透镜、第二正透镜、第二负透镜、光阑、第三正透镜、第四正透镜从物面到像面依次设置，所述第一正透镜与像面的距离不变。

2.根据权利要求1所述的非制冷长波红外光学补偿变焦光学系统,其特征在于：第二正透镜和第三正透镜靠近物面一侧的面采用非球面，第一负透镜靠近像面一侧的面采用非球面，第二负透镜靠近物面一侧的面采用非球面。

3.根据权利要求1所述的非制冷长波红外光学补偿变焦光学系统,其特征在于：第一正透镜的焦距为f₊₁,光学补偿连续变焦光学系统长焦端焦距为fL，f₊₁和fL满足条件：

1.5<|f₊₁/fL|<1.8。

4.根据权利要求1或2或3所述的非制冷长波红外光学补偿变焦光学系统,其特征在于：变焦镜组第一负透镜的焦距为f_-1,变焦镜组第二负透镜的焦距为f_-2,光学补偿连续变焦光学系统长焦端焦距为fL，f_-1、f_-2和fL满足条件式：

4.1<|fL/f_-1|<5；

3.2<|fL/f_-2|<3.8。

5.根据权利要求4所述的非制冷长波红外光学补偿变焦光学系统,其特征在于：中间固定镜组的焦距为f₊₂，光学补偿连续变焦光学系统长焦端焦距为fL，所述f₊₂和fL满足条件式：

3.2<|fL/f₊₂|<3.5。

6.根据权利要求5所述的非制冷长波红外光学补偿变焦光学系统,其特征在于：第四正透镜的焦距为f₊₄，光学补偿连续变焦光学系统长焦端焦距为fL，f₊₄与fL满足条件式：

3.2<|fL/f₊₄|<3.6。

7.根据权利要求6所述的非制冷长波红外光学补偿变焦光学系统,其特征在于：第一负透镜和第二负透镜采用框架结构固联。

8.根据权利要求7所述的非制冷长波红外光学补偿变焦光学系统,其特征在于：变焦镜组通过齿轮-导轨机构在光学系统的光轴方向前后直线移动，沿光轴方向前后移动实现连续变焦。

9.根据权利要求8所述的非制冷长波红外光学补偿变焦光学系统,其特征在于：第一正透镜、第一负透镜、第二正透镜、第二负透镜、光阑、第三正透镜、第四正透镜均采用锗材料制成。

10.根据权利要求8所述的非制冷长波红外光学补偿变焦光学系统,其特征在于：第一正透镜与第一负透镜采用硫系玻璃材料IRG206、IG6、IRG26或AMTIR2制成。