CN221101131U - 一种长波红外三视场光学系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种长波红外三视场光学系统，包括沿光轴方向从物方到像方依次设置的前固定镜、变倍镜、补偿镜、后固定镜组、探测器窗口及滤光片，补偿镜靠近物方的表面为二元面；设计指标参数为：工作波段为7.7μm‑9.5μm；在大视场下，该光学系统的焦距为20mm，在中视场下，该光学系统的焦距为60mm，在小视场下，该光学系统的焦距为120mm；光学系统F#为2.0；通过轴向变倍和机械补偿实现大、中、小三种视场之间的切换。本实用新型提出一种长波红外三视场光学系统，采用乒乓式结构实现大、中、小三个视场的切换，变倍比可达到6倍，视场切换时间短，优化了系统像差，减少了镜片的数量，从而增加了系统的总透过率，有很好的成像质量。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种光学系统，尤其涉及一种长波红外三视场光学系统。
背景技术
红外成像探测是指通过物体发出或者反射的红外线经由大气传输到达红外物镜，并经物镜聚焦到探测器焦平面上，通过探测器的光电转换，形成目标和背景的红外数字图像这一探测过程。红外成像适用于夜间及一些不良气象条件下对目标的探测，被广泛应用于安防监控、侦查探测等领域。现有光学系统存在着以下缺陷：视场切换时间长，镜片数量多，系统的总透过率低，成像质量差。
实用新型内容
为了解决上述技术所存在的不足之处，本实用新型提供了一种长波红外三视场光学系统。
为了解决以上技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种长波红外三视场光学系统，包括沿光轴方向从物方到像方依次设置的前固定镜、变倍镜、补偿镜、后固定镜组、探测器窗口及滤光片，补偿镜靠近物方的表面为二元面；
该光学系统的设计指标参数为：工作波段为7.7μm-9.5μm；在大视场下，该光学系统的焦距为20mm，在中视场下，该光学系统的焦距为60mm，在小视场下，该光学系统的焦距为120mm；光学系统F#为2.0；通过轴向变倍和机械补偿实现大、中、小三种视场之间的切换。
优选的，前固定镜具有正光焦度，变倍镜具有负光焦度，补偿镜具有正光焦度，后固定镜组包括依次同轴设置的第一透镜、第二透镜、以及第三透镜，第一透镜具有正光焦度，第二透镜具有负光焦度，第三透镜具有正光焦度。
优选的，变倍镜和补偿镜的运动过程满足共轭距Li改变量的总和为零。
优选的，前固定镜、变倍镜、补偿镜、后固定镜组均为锗透镜。
优选的，前固定镜靠近像方的表面、变倍镜靠近物方的表面、第一透镜靠近物方的表面、第二透镜靠近物方的表面、以及第三透镜靠近像方的表面均为非球面，其余各表面为球面。
优选的，补偿镜朝向物方的表面为二元面，该二元面满足以下关系：
其中，M为衍射级次，N为多项式的项数，ρ为归一化的极坐标孔径坐标，Ai为孔径上对应的极坐标的系数。
优选的，前固定镜靠近物方的表面为凸面、靠近像方的表面为凹面，变倍镜靠近物方的表面为凹面、靠近像方的表面为凹面，补偿镜靠近物方的表面为凸面、靠近像方的表面为凸面，第一透镜靠近物方的表面为凸面、靠近像方的表面为凹面，第二透镜靠近物方的表面为凹面、靠近像方的表面为凸面，第三透镜靠近物方的表面为凸面、靠近像方的表面为凸面。
优选的，该光学系统的光学设计总长度≤150mm。
优选的，滤光片处还设置有孔径光阑，孔径光阑为制冷探测器冷光阑。
本实用新型提出一种机械补偿式长波红外三视场光学系统，该系统适配于阵列规模640×512，像元尺寸15μm的长波(7.7-9.5μm)制冷型探测器。采用乒乓式(轴向往复运动)结构，通过负组轴向两个位置，正组轴向两个位置分别实现大、中、小三个视场的切换，变倍比可达到6倍，视场切换时间短，同时该设计采用了非球面(Asphere)及二元面(Binary)优化了系统像差，减少了镜片的数量，从而增加了系统的总透过率，有很好的成像质量。
本实用新型具有以下优点：
1.光学系统适用于长波7.7-9.5μm，阵列规模640×512，F/#:2.0制冷型探测器。采用二次成像结构保证了100％冷光阑效率，采用轴向变倍、机械补偿的方法实现大、中、小三种视场切换，三种视场对应焦距分别为20mm、60mm、120mm，变倍比为6倍。系统整体结构紧凑，光学总长度150mm。镜片数量少，总体透过率高，视场切换时间短。
2.乒乓式三视场轴向切换形式。
3.采用中继结构，各个组成的曲率半径满足表格内取值范围。
附图说明
图1为本实用新型的光学系统图。
图2为本实用新型的大视场(焦距20mm)系统光路图。
图3为本实用新型的中视场(焦距60mm)系统光路图。
图4为本实用新型的小视场(焦距120mm)系统光路图。
图5为本实用新型的大视场(焦距20mm)MTF评价结果图。
图6为本实用新型的中视场(焦距60mm)MTF评价结果图。
图7为本实用新型的小视场(焦距120mm)MTF评价结果图。
图8为本实用新型在大视场(焦距20mm)的场曲畸变图。
图9为本实用新型在中视场(焦距60mm)的场曲畸变图。
图10为本实用新型在小视场(焦距120mm)的场曲畸变图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
三视场变焦系统可以省去复杂的凸轮曲线设计，通过简单的机械补偿，实现中、长三种焦距，与之对应为大、中、小三种不同视场。同时三视场变焦系统具有视轴晃动小、边角时间短等优点。既能满足大视场对目标的发现又能实现小视场对目标的识别、跟踪，在机载及地面光电探测系统中得到了广泛的应用。
如图1所示的一种长波红外三视场光学系统，包括沿光轴方向从物方到像方依次设置的前固定镜、变倍镜、补偿镜、后固定镜组、探测器窗口及滤光片，补偿镜靠近物方的表面为二元面；
该光学系统的设计指标参数为：工作波段为7.7μm-9.5μm；在大视场下，该光学系统的焦距为20mm，在中视场下，该光学系统的焦距为60mm，在小视场下，该光学系统的焦距为120mm；光学系统F#为2.0；通过轴向变倍和机械补偿实现大、中、小三种视场之间的切换。
本实用新型的设计指标参数如表1所示：
表1设计指标参数
| 名称 | 参数 |
| 焦距 | 20mm、60mm、120mm |
| F# | 2.0 |
| 工作波段 | 7.7-9.5μm |
| 适配探测器 | 640×51215μm |
| 平均透过率 | ≥85％ |
| 光学总长 | ≤150mm |
使用制冷探测器冷光阑作为系统孔径光阑，采用二次成像的结构形式。三视场物镜组由前固定镜、变倍镜、补偿镜、后固定镜组组成。前固定镜具有正光焦度、变倍镜具有负光焦度、补偿镜具有正光焦度。后固定镜组包括依次同轴设置的第一透镜、第二透镜、以及第三透镜，第一透镜具有正光焦度，第二透镜具有负光焦度，第三透镜具有正光焦度。
前固定镜靠近像方的表面、变倍镜靠近物方的表面、第一透镜靠近物方的表面、第二透镜靠近物方的表面、以及第三透镜靠近像方的表面均为非球面，其余各表面为球面。
前固定镜靠近物方的表面为凸面、靠近像方的表面为凹面，变倍镜靠近物方的表面为凹面、靠近像方的表面为凹面，补偿镜靠近物方的表面为凸面、靠近像方的表面为凸面，第一透镜靠近物方的表面为凸面、靠近像方的表面为凹面，第二透镜靠近物方的表面为凹面、靠近像方的表面为凸面，第三透镜靠近物方的表面为凸面、靠近像方的表面为凸面。
变倍组和补偿组的运动过程满足共轭距Li改变量的总和为零。
选择锗材料作为透镜材料，按照系统像差和色差的情况使用了非球面和衍射面进行了优化设计，具体的光学系统图如图1所示。
其中，镜组中L1为前固定镜，L2为变倍镜、L3为补偿镜，L2、L3沿光轴运动实现大、中、小三个视场的改变，L3补偿因L2运动带来的焦面偏移，使系统在变焦过程中总长度L不发生改变，L4-L6为后固定镜组。系统三个视场光路如图2-4所示：图2为大视场(焦距20mm)光路图，图3为中视场(焦距60mm)光路图，图4为小视场(焦距120mm)光路图。
光学系统中的变倍镜L2和补偿镜L3可以轴向移动，那么，前固定镜L1与变倍镜L2之间的间隔、变倍镜L2与补偿镜L3之间的间隔、补偿镜L3与第一透镜L4之间的间隔根据不同视场会有不同的间隔。变倍镜L2与补偿镜L3只有3个位置可以实现清晰成像，分别对应大视场、中视场、小视场。每种视场对应的变倍镜L2与补偿镜L3的位置见表格3，每种视场对应结构如图2-图4所示。
L1、L2、L3、L4、L5、L6透镜材料为锗(Germanium)n10μm＝4.0032。各个透镜的表面从左到右依次为S1-S12，其中S5为二元面(Binary)，S2、S3、S7、S9、S12为非球面(Asphere)，其余各表面为球面(Sphere)。
W1、W2分别为探测器窗口与滤光片，同时W2用作系统孔径光阑，FPA为探测器焦平面阵列。
光学系统数据如表2所示：
表2光学系统数据
表3不同焦距对应表面间隔
| 对应表面间隔 | 20mm | 60mm | 120mm |
| 2 | 8.709 | 24.061 | 24.061 |
| 4 | 39.5 | 24.148 | 6.139 |
| 6 | 1.351 | 1.351 | 19.359 |
非球面的面型表达满足公式：
式中，z为失高，r为半径方向的口径，R为透镜半径，k为圆锥系数，A2、A4、A6、A8、A10为非球面系数。
表4非球面系数
| 表面 | Conic | A4 | A6 | A8 | A10 |
| 第二表面 | 0 | 2.3388E-7 | -2.5774E-11 | 0 | 0 |
| 第三表面 | 0 | 6.1507E-6 | -6.5006E-11 | -6.4624E-12 | 0 |
| 第五表面 | 0 | -7.6898E-7 | -2.136E-9 | 2.7751E-12 | 0 |
| 第七表面 | 0 | -3.4036E-7 | 1.7194E-9 | 7.3257E-12 | -1.3782E-14 |
| 第九表面 | 0 | -6.2227E-5 | -1.086E-7 | -1.0845E-9 | -1.8049E-11 |
| 第十二表面 | 0 | 3.6042E-6 | -9.4237E-9 | 3.6693E-11 | -5.8341E-14 |
补偿镜朝向物方的表面为二元面，二元面的面型表达满足公式：
式中，M为衍射级次，N为多项式的项数，ρ为归一化的极坐标孔径坐标，Ai为孔径上对应的极坐标的系数。
表5二元面系数
| 表面 | A1 | A2 |
| 第五表面 | -32.6267347 | 1.191 |
注：衍射级次为+1级，波长为8.5μm。
光学系统的成像评价
不同视场的MTF(Moudlation Transfer Function)，调制传递函数曲线如图5-7所示。图中黑色虚线DIFF Limit表示系统的衍射极限，F1：(IMG)0.000表示中心视场MTF，F7：(IMG)6.2表示边缘视场，横轴表示每mm对应的线对数，纵轴表示归一化OTF系数。图5、图6、图7分别为大视场(20mm)、中视场(60mm)以及小视场(120mm)对应的MTF值，由以上各图可知，大视场(20mm)系统传函在30lp/mm时大于0.1；中视场(60mm)以及小视场(120mm)系统传函轴上大于0.3，轴外大于0.1，能够满足使用要求。
系统的畸变情况如图8-10所示，其中纵坐标表示归一化的视场，横坐标表示相对于中心视场的畸变量，以百分比表示。图8、图9、图10分别为大视场(20mm)、中视场(60mm)以及小视场(120mm)对应的场曲和畸变量，几个焦段对应的畸变绝对值均＜2.5％。
本实用新型适用于640×512，像元大小15μm，相对孔径F/2的制冷型长波红外焦平面探测器，可实现大、中、小三种视场下的温度探测，焦距分别为20mm、60mm、120mm，变倍比为6倍，结构紧凑，光学总长度150mm，系统透过率高，可应用于安防监控、侦查探测等领域中对空间尺寸有要求的热像整机。
上述实施方式并非是对本实用新型的限制，本实用新型也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本实用新型的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也均属于本实用新型的保护范围。
Claims (9)
1.一种长波红外三视场光学系统，其特征在于：包括沿光轴方向从物方到像方依次设置的前固定镜、变倍镜、补偿镜、后固定镜组、探测器窗口及滤光片，所述补偿镜靠近物方的表面为二元面；
该光学系统的设计指标参数为：工作波段为7.7μm-9.5μm；在大视场下，该光学系统的焦距为20mm，在中视场下，该光学系统的焦距为60mm，在小视场下，该光学系统的焦距为120mm；光学系统F#为2.0；通过轴向变倍和机械补偿实现大、中、小三种视场之间的切换。
2.根据权利要求1所述的长波红外三视场光学系统，其特征在于：所述前固定镜具有正光焦度，所述变倍镜具有负光焦度，所述补偿镜具有正光焦度，所述后固定镜组包括依次同轴设置的第一透镜、第二透镜、以及第三透镜，所述第一透镜具有正光焦度，第二透镜具有负光焦度，第三透镜具有正光焦度。
3.根据权利要求2所述的长波红外三视场光学系统，其特征在于：所述变倍镜和补偿镜的运动过程满足共轭距Li改变量的总和为零。
4.根据权利要求3所述的长波红外三视场光学系统，其特征在于：所述前固定镜、变倍镜、补偿镜、后固定镜组均为锗透镜。
5.根据权利要求4所述的长波红外三视场光学系统，其特征在于：所述前固定镜靠近像方的表面、变倍镜靠近物方的表面、第一透镜靠近物方的表面、第二透镜靠近物方的表面、以及第三透镜靠近像方的表面均为非球面，其余各表面为球面。
6.根据权利要求5所述的长波红外三视场光学系统，其特征在于：所述补偿镜朝向物方的表面为二元面，该二元面满足以下关系：
其中，M为衍射级次，N为多项式的项数，ρ为归一化的极坐标孔径坐标，Ai为孔径上对应的极坐标的系数。
7.根据权利要求6所述的长波红外三视场光学系统，其特征在于：所述前固定镜靠近物方的表面为凸面、靠近像方的表面为凹面，变倍镜靠近物方的表面为凹面、靠近像方的表面为凹面，补偿镜靠近物方的表面为凸面、靠近像方的表面为凸面，第一透镜靠近物方的表面为凸面、靠近像方的表面为凹面，第二透镜靠近物方的表面为凹面、靠近像方的表面为凸面，第三透镜靠近物方的表面为凸面、靠近像方的表面为凸面。
8.根据权利要求7所述的长波红外三视场光学系统，其特征在于：该光学系统的光学设计总长度≤150mm。
9.根据权利要求8所述的长波红外三视场光学系统，其特征在于：所述滤光片处还设置有孔径光阑，所述孔径光阑为制冷探测器冷光阑。
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