CN207636838U - 具有超长焦距的30倍中波红外变焦光学系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于光学设备技术领域，具体涉及一种具有超长焦距的30倍中波红外变焦光学系统，包括从物侧到像侧依次同轴设置的前固定组、变倍组、补偿组及后固定组；所述前固定组、变倍组、补偿组及后固定组的光焦度依次为正、负、正、负；光线经前固定组汇聚后经变倍组和补偿组变倍及误差补偿，得到的光线经后固定组成像在探测器上。解决现有的连续变焦光学系统焦距小，作用距离短的问题。该光学系统可应用于制冷型640×512元15μm凝视型焦平面探测器的红外光学系统。
Description
技术领域
本实用新型属于光学设备技术领域，具体涉及一种制冷型具有超长焦距的30倍中波红外连续变焦光学系统。
背景技术
当今红外系统成像技术发展迅速，应用环境日趋复杂，对红外成像系统的探测范围、探测实时性等性能要求越来越高。连续变焦红外光学系统解决了定档变焦镜头在视场切换的时间间隔内对快速运动的目标丢失这一缺陷，也就是说，连续变焦系统在视场转换过程中能够保持图像的连续性，对搜索和跟踪高速运动目标非常有利。短焦大视场连续搜索，长焦小视场精确观察目标。显然，研制超长焦距大变倍比的连续变焦光学系统是红外技术发展及应用的一个重要方向。目前国内对于30倍中波红外连续变焦光学系统的研究已有少数报道，但是焦距不是很大，作用距离比较短。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种具有超长焦距的30倍中波红外变焦光学系统，解决现有的连续变焦光学系统焦距小，作用距离短的问题。该光学系统可应用于制冷型640×512元15μm凝视型焦平面探测器的红外光学系统，该红外光学系统是F数为4的30倍连续变焦系统，采用二次成像方法，实现100％冷光阑效率，变焦范围是40mm-1200mm，波长范围是3.7μm-4.8μm，光学材料只用了最常用的硅和锗。
本实用新型的技术解决方案是提供一种具有超长焦距的30倍中波红外变焦光学系统，其特殊之处在于：包括从物侧到像侧依次同轴设置的前固定组、变倍组、补偿组及后固定组；所述前固定组、变倍组、补偿组及后固定组的光焦度依次为正、负、正、负；
上述变倍组与所述补偿组的轴向移动实现系统的连续变焦；
上述前固定组包括透镜a；
上述变倍组包括依次设置的透镜b与透镜c，上述透镜c的前表面和后表面为衍射面；
上述补偿组包括依次设置的透镜d与透镜e，上述透镜d的后表面为衍射面且为非球面；
上述后固定组包括依次设置的透镜m、透镜n、透镜o、透镜p及透镜q，上述透镜o的前表面为衍射面且为非球面；
光线经前固定组汇聚后经变倍组和补偿组变倍及误差补偿，得到的光线经后固定组成像在探测器上。
优选地，上述透镜a为凸面向物侧的弯月正透镜；上述透镜b为凸面向物侧的弯月负透镜；上述透镜c为双凹负透镜；上述透镜d为凸面向物侧的弯月正透镜；上述透镜e为凸面向物侧的弯月正透镜；
上述透镜m为凸面向物侧的弯月正透镜，上述透镜n为凸面向像侧的弯月正透镜，上述透镜o为凸面向像侧的弯月正透镜，上述透镜p为凸面向像侧的弯月正透镜，上述透镜q为凸面向物侧的弯月正透镜。
优选地，上述透镜a的材料为硅材料；上述透镜b与透镜c的材料分别为硅材料和锗材料；上述透镜d与透镜e的材料分别为锗材料和硅材料；上述透镜m、透镜n、透镜o、透镜p及透镜q的材料分别为硅材料、锗材料、锗材料、硅材料及硅材料。
优选地，该光学系统的F数为4，变焦范围为40mm-1200mm，波长范围为3.7μm-4.8μm。
本实用新型的有益效果是：
1、与现有技术相比，本实用新型系统在实现高变倍比的情况下，系统最大焦距达到1200mm，具有超长作用距离，能够更好的精确观察远处目标，从而提高观测精度；
2、本实用新型30倍连续变焦红外光学系统满足100％冷光阑效率，F数恒定为4，整个变焦轨迹平滑、在全焦距范围内成像质量良好；
3、本实用新型系统光学材料只采用国内最常用硅和锗，便于加工和检测；
4、本实用新型变焦方式采用机械补偿式技术，现代机械加工技术已经可以达到所需精度要求，工艺方法成熟，稳定性好。
附图说明
图1是焦距为1200mm的光学系统图；
图1-1是焦距为1200mm光学系统传递函数；
图1-2是焦距为1200mm光学系统点列图；
图2是焦距为360mm的光学系统图；
图2-1是焦距为360mm光学系统传递函数；
图2-2是焦距为360mm光学系统点列图；
图3是焦距为40mm的光学系统图；
图3-1是焦距为40mm光学系统传递函数；
图3-2是焦距为40mm光学系统点列图；
图4是后固定组及探测器的局部放大图；
图中附图标记为：1-透镜a，2-透镜b，3-透镜c，4-透镜d，5-透镜e，6-透镜m，7-透镜n，8-透镜o，9-透镜p，10-透镜q，11-探测器。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本实用新型做进一步的描述。
本系统采用二次成像技术，实现超长焦距和高变倍比，保证了100％冷光阑效率。光学系统的工作波段为3.7μm-4.8μm，系统变焦范围为40mm-1200mm，最长焦距达到1200mm；F数恒定为4。
结合图1、图2及图3可以看出，本实用新型系统包括从物侧到像侧依次同轴设置的前固定组、变倍组、补偿组及后固定组，变倍组与补偿组的轴向移动实现系统的连续变焦，光线经前固定组汇聚后经变倍组和补偿组变倍及误差补偿，得到的光线经后固定组成像在探测器上。
前固定组包括透镜a1，该透镜a1为凸面向物侧的弯月正透镜，材料为硅材料。
变倍组包括依次设置的透镜b2与透镜c3，透镜b2为凸面向物侧的弯月负透镜，透镜c3为双凹负透镜，透镜c3的前表面和后表面均为衍射面，透镜b2与透镜c3的材料分别为硅材料和锗材料。
补偿组包括依次设置的透镜d4与透镜e5，透镜d4为凸面向物侧的弯月正透镜，透镜e5为凸面向物侧的弯月正透镜，透镜d4的后表面为衍射面及非球面，透镜d4与透镜e5的材料分别为锗材料和硅材料。
后固定组包括依次设置的透镜m6、透镜n7、透镜o8、透镜p9及透镜q10，透镜m6为凸面向物侧的弯月正透镜，透镜n7为凸面向像侧的弯月正透镜，透镜o8为凸面向像侧的弯月正透镜，透镜p9为凸面向像侧的弯月正透镜，透镜q10为凸面向物侧的弯月正透镜；透镜o8的前表面为衍射面及非球面；透镜m6、透镜n7、透镜o8、透镜p9及透镜q10的材料依次为硅材料、锗材料、锗材料、硅材料、硅材料；
透镜o8后汇聚形成一次像面位置，通过透镜p9和透镜q10再汇聚在成像面即二次像面处，采用二次成像技术，实现超长焦距和高变倍比。该光学系统的孔径光阑设置在探测器的冷光阑位置处，以满足100％冷光阑效率要求，避免镜筒等热背景产生的杂散光进入探测器，提高输出图像的信噪比。
本实施例中各透镜的具体光学参数见表1(表中单位为：mm)
表1
图1中，透镜a1到透镜b2的距离为243.4mm；透镜c3到透镜d4的距离为6mm；透镜e5到透镜m6的距离为347.7mm；图1-1和图1-2是焦距为1200mm时光学系统各视场光学传递函数和点列图，从图中可以看出除边缘视场，各视场基本达到衍射极限；
图2中，透镜a1到透镜b2的距离为228.6mm；透镜c3到透镜d4的距离为124.3mm；透镜e5到透镜m6的距离为244.2mm；图2-1和图2-2是焦距为360mm时光学系统各视场光学传递函数和点列图，从图中也可以看出各视场基本达到衍射极限；
图3中，透镜a1到透镜b2的距离为9.4mm；透镜c3到透镜d4的距离为581.7mm；透镜e5到透镜m6的距离为6mm；图3-1和图3-2是焦距为40mm时光学系统各视场光学传递函数和点列图，从图中可以看出各视场基本达到衍射极限；
在实际应用中，系统变焦曲线平滑，工作稳定，满足连续变焦、成像质量良好的使用要求。
Claims (4)
1.一种具有超长焦距的30倍中波红外变焦光学系统，其特征在于：包括从物侧到像侧依次同轴设置的前固定组、变倍组、补偿组及后固定组；所述前固定组、变倍组、补偿组及后固定组的光焦度依次为正、负、正、负；
所述变倍组与所述补偿组的轴向移动实现系统的连续变焦；
所述前固定组包括透镜a(1)；
所述变倍组包括依次设置的透镜b(2)与透镜c(3)，所述透镜c(3)的前表面和后表面均为衍射面；
所述补偿组包括依次设置的透镜d(4)与透镜e(5)，所述透镜d(4)的后表面为衍射面且为非球面；
所述后固定组包括依次设置的透镜m(6)、透镜n(7)、透镜o(8)、透镜p(9)及透镜q(10)，所述透镜o(8)的前表面为衍射面且为非球面；
光线经前固定组汇聚后经变倍组和补偿组变倍及误差补偿，得到的光线经后固定组成像在探测器上。
2.根据权利要求1所述的具有超长焦距的30倍中波红外变焦光学系统，其特征在于：
所述透镜a(1)为凸面向物侧的弯月正透镜；所述透镜b(2)为凸面向物侧的弯月负透镜；所述透镜c(3)为双凹负透镜；所述透镜d(4)为凸面向物侧的弯月正透镜；所述透镜e(5)为凸面向物侧的弯月正透镜；
所述透镜m(6)为凸面向物侧的弯月正透镜，所述透镜n(7)为凸面向像侧的弯月正透镜，所述透镜o(8)为凸面向像侧的弯月正透镜，所述透镜p(9)为凸面向像侧的弯月正透镜，所述透镜q(10)为凸面向物侧的弯月正透镜。
3.根据权利要求2所述的具有超长焦距的30倍中波红外变焦光学系统，其特征在于：所述透镜a(1)的材料为硅材料；所述透镜b(2)与透镜c(3)的材料分别为硅材料和锗材料；所述透镜d(4)与透镜e(5)的材料分别为锗材料和硅材料；所述透镜m(6)、透镜n(7)、透镜o(8)、透镜p(9)及透镜q(10)的材料分别为硅材料、锗材料、锗材料、硅材料及硅材料。
4.根据权利要求3所述的具有超长焦距的30倍中波红外变焦光学系统，其特征在于：光学系统的F数为4，变焦范围为40mm-1200mm，波长范围为3.7μm-4.8μm。
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| CN108020911A (zh) * | 2017-12-14 | 2018-05-11 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 具有超长焦距的30倍中波红外变焦光学系统 |
| CN110865452A (zh) * | 2019-09-29 | 2020-03-06 | 凯迈（洛阳）测控有限公司 | 一种机载中波制冷红外连续变焦光学系统 |
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