CN110716297B - 一种长焦距大靶面红外连续变焦光学*** - Google Patents

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Abstract

一种长焦距大靶面红外连续变焦光学***，包括第一弯月形正透镜、双凹负透镜、双凸正透镜、弯月形负透镜、第二弯月形正透镜、第三弯月形正透镜、探测器；所述以上透镜采用折衍混合***，通过不同透镜光焦度的合理分配，减少了***镜片数量、降低了***重量；该***的变焦曲线平滑连续，有效避免***在变焦过程中出现卡滞现象；采用轴向微调移动第三弯月形正透镜的方式，实现***在‑40℃～+60℃温度范围内的像面离焦补偿及被观察物体的距离变化所引起的***离焦补偿，保证对不同距离物体的清晰成像；本发明的长焦距大靶面红外连续变焦光学***，填补了国内适配于1024×768非制冷型红外探测器的长焦连续变焦光学***的空白。

Description

一种长焦距大靶面红外连续变焦光学***
技术领域
本发明涉及非制冷红外光学***领域，具体涉及一种长焦距、大靶面非制冷红外连续变焦光学***。
背景技术
非制冷红外探测器具有价格低廉、体积小、重量轻、功耗低、可靠性高等优点，因此，越来越广泛应用于安防监控、车载等军事及民用领域。
当前，随着非制冷红外技术的不断进步，非制冷红外探测器也在朝着高性能、低成本两个方向突飞猛进的发展，主要用于满足军事装备中高灵敏度、高分辨率、高帧频以及替代部分制冷探测器的需要；国内非制冷红外探测器已经量产的为1024×768、像元尺寸14μm的长波非制冷红外探测器，但目前国内尚没有能够适配1024×768非制冷型探测器的长焦连续变焦光学***。
发明内容
为了克服背景技术中的不足，本发明公开了一种长焦距大靶面红外连续变焦光学***，包括第一弯月形正透镜、双凹负透镜、双凸正透镜、弯月形负透镜、第二弯月形正透镜、第三弯月形正透镜、探测器；所述以上透镜采用折衍混合***，通过不同透镜光焦度的合理分配，有效减少了***镜片数量、减小了***的体积、降低了***重量；该***的变焦曲线平滑连续，不存在突变点，可有效避免***在变焦过程中出现卡滞现象；采用轴向微调移动第三弯月形正透镜的方式，实现***在-40℃～+60℃温度范围内的像面离焦补偿、及由于被观察物体的距离变化所引起的***离焦补偿，从而保证对不同距离物体的清晰成像，避免了由于无制冷设计所造成的***复杂化；本发明的长焦距大靶面红外连续变焦光学***，填补了国内适配于1024×768非制冷型探测器的长焦连续变焦光学***的空白。
为了实现所述发明目的，本发明采用如下技术方案：一种长焦距大靶面红外连续变焦光学***，包括第一弯月形正透镜、双凹负透镜、双凸正透镜、弯月形负透镜、第二弯月形正透镜、第三弯月形正透镜、探测器；所述第一弯月形正透镜为前固定镜；所述双凹负透镜为变焦镜；所述双凸正透镜为变焦补偿镜；所述弯月形负透镜、第二弯月形正透镜为后固定组；所述第三弯月形正透镜为温度补偿镜；所述探测器为为非制冷红外探测器；所述以上各透镜及红外探测器依序从左至右、共光轴设置；在由长焦向短焦变焦过程中，双凹负透镜向第一弯月形正透镜方向移动，双凸正透镜向弯月形负透镜方向移动，第一弯月形正透镜、弯月形负透镜、第二弯月形正透镜、第三弯月形正透镜位置保持原位；第三弯月形正透镜在光轴上微调移动，用于***在-40℃～+60℃温度范围内的像面离焦补偿、及被观察物体的距离变化所引起的***离焦补偿。
进一步的，在变焦过程中，双凹负透镜、双凸正透镜按照各自的运动规律沿光轴移动；双凹负透镜、双凸正透镜运动规律由凸轮控制实现，凸轮上设置的包络线为双凹负透镜、双凸正透镜运动规律曲线。
进一步的，所述的第一弯月形正透镜、双凹负透镜、双凸正透镜、第三弯月形正透镜的材质均为单晶锗(Ge)；所述弯月形负透镜的材质均为硫化锌(ZNS)，第二弯月形正透镜组成的材质为硒化锌(ZNSE)。
进一步的，所述以上各透镜焦距需满足以下条件：
4.6≤f1/f≤4.9，-1.8≤f2/f≤-1.5，2.5≤f3/f≤2.7，-31.0≤f4/f≤-28.0，17.0≤f5/f≤20.0，1.4≤f6/f≤1.6；
其中，f为光学***短焦状态的焦距，
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为弯月形负透镜的有效焦距，
f5为第二弯月形正透镜的有效焦距，
f6为第三弯月形正透镜的有效焦距。
进一步的，双凸正透镜、弯月形负透镜、第三弯月形正透镜入光侧表面均采用偶次非球面面型。
进一步的，所述双凸正透镜、弯月形负透镜、第三弯月形正透镜入光侧的面型方程为：
Figure BDA0002253753160000031
其中，z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距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、D为十阶非球面系数。
进一步的，所述第二弯月形正透镜入光侧表面采用衍射非球面，非球面上设置有衍射光栅，衍射光栅通过金刚石车床加工得到。
进一步的，所述第二弯月形正透镜入光侧表面面型方程为：
Figure BDA0002253753160000032
其中，z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距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为第三弯月形正透镜的折射率，n0为空气折射率。
由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下有益效果：本发明公开的一种长焦距大靶面红外连续变焦光学***，包括第一弯月形正透镜、双凹负透镜、双凸正透镜、弯月形负透镜、第二弯月形正透镜、第三弯月形正透镜、探测器；所述以上透镜采用折衍混合***，通过不同透镜光焦度的合理分配，有效减少了***镜片数量、减小了***的体积、降低了***重量；该***的变焦曲线平滑连续，不存在突变点，可有效避免***在变焦过程中出现卡滞现象；采用轴向微调移动第三弯月形正透镜的方式，实现***在-40℃～+60℃温度范围内的像面离焦补偿、及由于被观察物体的距离变化所引起的***离焦补偿，从而保证对不同距离物体的清晰成像，避免了由于无制冷设计所造成的***复杂化；本发明的长焦距大靶面红外连续变焦光学***，填补了国内适配于1024×768非制冷型探测器的长焦连续变焦光学***的空白。
附图说明
图1为光学***在长焦状态时的光路图；
图2为光学***在中焦状态时的光路图；
图3为光学***在短焦状态时的光路图；
图4光学***在长焦状态时的传递函数图；
图5光学***在中焦状态时的传递函数图；
图6光学***在短焦状态时的传递函数图；
图7光学***在长焦状态时的点列图；
图8光学***在中焦状态时的点列图；
图9光学***在短焦状态时的点列图；
图10光学***在长焦状态时的场曲、畸变图；
图11光学***在中焦状态时的场曲、畸变图；
图12光学***在短焦状态时的场曲、畸变图；
图13光学***衍射面的相位图；
图14光学***衍射元件相位周期与径向距离的关系示意图。
图中：1、第一弯月形正透镜；2、双凹负透镜；3、双凸正透镜；4、弯月形负透镜；5、第二弯月形正透镜；6、第三弯月形正透镜；7、探测器。
具体实施方式
通过下面的实施例可以详细的解释本发明，公开本发明的目的旨在保护本发明范围内的一切技术改进。
一种长焦距大靶面红外连续变焦光学***，包括第一弯月形正透镜1、双凹负透镜2、双凸正透镜3、弯月形负透镜4、第二弯月形正透镜5、第三弯月形正透镜6、探测器7；所述第一弯月形正透镜1为前固定镜；所述双凹负透镜2为变焦镜；所述双凸正透镜3为变焦补偿镜；所述弯月形负透镜4、第二弯月形正透镜5为后固定组；所述第三弯月形正透镜6为温度补偿镜；所述探测器7为为非制冷红外探测器；所述以上各透镜及红外探测器7依序从左至右、共光轴设置；在由长焦向短焦变焦过程中，双凹负透镜2向第一弯月形正透镜1方向移动，双凸正透镜3向弯月形负透镜4方向移动，第一弯月形正透镜1、弯月形负透镜4、第二弯月形正透镜5、第三弯月形正透镜6位置保持原位；第三弯月形正透镜6在光轴上微调移动，用于***在-40℃～+60℃温度范围内的像面离焦补偿及被观察物体的距离变化所引起的***离焦补偿；
在变焦过程中，双凹负透镜2、双凸正透镜3按照各自的运动规律沿光轴移动；双凹负透镜2、双凸正透镜3运动规律由凸轮控制实现，凸轮上设置的包络线为双凹负透镜2、双凸正透镜3运动规律曲线；
所述的第一弯月形正透镜1、双凹负透镜2、双凸正透镜3、第三弯月形正透镜6的材质均为单晶锗(Ge)；所述弯月形负透镜4的材质均为硫化锌(ZNS)，第二弯月形正透镜组成5的材质为硒化锌(ZNSE)；
所述以上各透镜焦距需满足以下条件：
4.6≤f1/f≤4.9，-1.8≤f2/f≤-1.5，2.5≤f3/f≤2.7，-31.0≤f4/f≤-28.0，17.0≤f5/f≤20.0，1.4≤f6/f≤1.6；
其中，f为光学***短焦状态的焦距，
f1为第一弯月形正透镜1的有效焦距，
f2为双凹负透镜2的有效焦距，
f3为双凸正透镜3的有效焦距，
f4为弯月形负透镜4的有效焦距，
f5为第二弯月形正透镜5的有效焦距，
f6为第三弯月形正透镜6的有效焦距；
双凸正透镜(3)、弯月形负透镜(4)、第三弯月形正透镜(6)入光侧表面均采用偶次非球面面型，面型方程为：
Figure BDA0002253753160000061
其中，z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距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、D为十阶非球面系数；
所述第二弯月形正透镜5入光侧表面采用衍射非球面，非球面上设置有衍射光栅，面型方程为：
Figure BDA0002253753160000062
其中，z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距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为第三弯月形正透镜的折射率，n0为空气折射率。
基于以上长焦距大靶面红外连续变焦光学***的各光学镜片和器件配置、光路设计、光学镜片焦距及各镜片面型的设计准则的技术特征，给出了以下较佳的具体实施例：
该***实现的具体技术指标见表1：
Figure BDA0002253753160000063
Figure BDA0002253753160000071
表1
其中，F#(光学***F数)计算公式为f/D，f为光学***的焦距，D为入射光瞳直径。
本发明的光学***在焦距为30mm～150mm时的详细数据见表2：
Figure BDA0002253753160000072
表2
表2列出了各透镜的面型、曲率半径、厚度、口径、材料；其中，透镜的曲率半径、厚度、口径的单位为mm，重量的单位为g，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；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间间隔；表2中的“口径”是各个光学元件的直径值；
本发明双凸正透镜3入光侧表面S5、弯月形负透镜4入光侧表面S7、第三弯月形正透镜6入光侧表面S11的非球面系数见表3：
Figure BDA0002253753160000081
表3
本发明第二弯月形正透镜5入光侧表面S9的衍射非球面系数见表4：
Figure BDA0002253753160000082
Figure BDA0002253753160000091
表4
经过光学设计软件仿真，选用像元尺寸为14μm，像素数为1024×768的非制冷探测器对应空间频率为36lp/mm时，长焦、中焦及短焦状态下的传递函数均大于0.3，具体见图4、图5、图6；光学***弥散斑直径与探测器像元尺寸相当，在长焦、中焦及短焦状态下的点列图具体见图7、图8、图9；光学***在长焦、中焦状态时畸变均小于2.2％，在短焦状态时畸变小于3.5％，具体见图10、图11、图12；衍射非球面相位周期如图13所示；光学***的变焦曲线图见图14，横坐标为连续变焦光学***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***的变焦曲线平滑连续，不存在突变点，可保证光学***在变焦过程中始终清晰成像，同时有效避免***在变焦过程中出现卡滞现象。
长焦距大靶面红外连续变焦光学***在工作时，具体光线传输过程如下：由物面反射自然光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会聚后到达弯月形负透镜4，经弯月形负透镜4发散后到达第二弯月形正透镜5，经第二弯月形正透镜5会聚到达第三弯月形正透镜6，经第三弯月形正透镜6会聚后成像在探测器7。
长焦距大靶面红外连续变焦光学***在工作时，通过轴向移动双凹负透镜2及双凸正透镜3实现光学***焦距的改变，当双凹负透镜2靠近第一弯月形正透镜1、双凸正透镜3靠近弯月形负透镜4时，光学***处于短焦、大视场状态；在大视场到小视场变化过程中，所述双凹负透镜2向像方方向移动、双凸正透镜3向物方方向移动；当双凹负透镜2与双凸正透镜3距离最近时，光学***处于长焦、小视场状态；通过轴向微调移动第三弯月形正透镜6的方式实现***在-40℃～+60℃温度范围内的像面离焦补偿、及由于被观察物体的距离变化所引起的***离焦补偿，从而保证对不同距离物体的清晰成像。本发明未详述部分为现有技术。

Claims (7)

1.一种长焦距大靶面红外连续变焦光学***，其特征是：包括第一弯月形正透镜(1)、双凹负透镜(2)、双凸正透镜(3)、弯月形负透镜(4)、第二弯月形正透镜(5)、第三弯月形正透镜(6)、探测器(7)；所述第一弯月形正透镜(1)为前固定镜；所述双凹负透镜(2)为变焦镜；所述双凸正透镜(3)为变焦补偿镜；所述弯月形负透镜(4)、第二弯月形正透镜(5)为后固定组；所述第三弯月形正透镜(6)为温度补偿镜；所述探测器(7)为非制冷红外探测器；所述以上各透镜及红外探测器(7)依序从左至右、共光轴设置；在由长焦向短焦变焦过程中，双凹负透镜(2)向第一弯月形正透镜(1)方向移动，双凸正透镜(3)向弯月形负透镜(4)方向移动，第一弯月形正透镜(1)、弯月形负透镜(4)、第二弯月形正透镜(5)、第三弯月形正透镜(6)位置保持原位；第三弯月形正透镜(6)在光轴上微调移动，用于***在-40℃～+60℃温度范围内的像面离焦补偿及被观察物体的距离变化所引起的***离焦补偿；
所述以上各透镜焦距需满足以下条件：
4.6≤f1/f≤4.9，-1.8≤f2/f≤-1.5，2.5≤f3/f≤2.7，-31.0≤f4/f≤-28.0，17.0≤f5/f≤20.0，1.4≤f6/f≤1.6；
其中，f为光学***短焦状态的焦距，
f1为第一弯月形正透镜(1)的有效焦距，
f2为双凹负透镜(2)的有效焦距，
f3为双凸正透镜(3)的有效焦距，
f4为弯月形负透镜(4)的有效焦距，
f5为第二弯月形正透镜(5)的有效焦距，
f6为第三弯月形正透镜(6)的有效焦距。
2.根据权利要求1所述长焦距大靶面红外连续变焦光学***，其特征是：在变焦过程中，双凹负透镜(2)、双凸正透镜(3)按照各自的运动规律沿光轴移动；双凹负透镜(2)、双凸正透镜(3)运动规律由凸轮控制实现，凸轮上设置的包络线为双凹负透镜(2)、双凸正透镜(3)运动规律曲线。
3.根据权利要求1所述长焦距大靶面红外连续变焦光学***，其特征是：所述的第一弯月形正透镜(1)、双凹负透镜(2)、双凸正透镜(3)、第三弯月形正透镜(6)的材质均为单晶锗(Ge)；所述弯月形负透镜(4)的材质均为硫化锌(ZNS)，第二弯月形正透镜组成(5)的材质为硒化锌(ZNSE)。
4.根据权利要求1所述长焦距大靶面红外连续变焦光学***，所述其特征是：双凸正透镜(3)、弯月形负透镜(4)、第三弯月形正透镜(6)入光侧表面均采用偶次非球面面型。
5.根据权利要求4所述长焦距大靶面红外连续变焦光学***，其特征是：所述双凸正透镜(3)、弯月形负透镜(4)、第三弯月形正透镜(6)入光侧的面型方程为：
Figure FDA0003188902410000021
其中，z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距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、D为十阶非球面系数。
6.根据权利要求1所述长焦距大靶面红外连续变焦光学***，其特征是：所述第二弯月形正透镜(5)入光侧表面采用衍射非球面，非球面上设置有衍射光栅。
7.根据权利要求6所述长焦距大靶面红外连续变焦光学***，其特征是：所述第二弯月形正透镜(5)入光侧表面面型方程为：
Figure FDA0003188902410000022
其中，z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距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为第三弯月形正透镜的折射率，n0为空气折射率。
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