CN110794555B - 一种小型化三组元连续变焦中波制冷红外光学*** - Google Patents

一种小型化三组元连续变焦中波制冷红外光学*** Download PDF

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Abstract

一种小型化三组元连续变焦中波制冷红外光学***，采用三组元连续变焦、二次成像***设计，通过不同透镜光焦度的合理分配，实现了***光学总长小，变倍、补偿结构简单；在一次像面位置处设置视场光阑，***视场外的杂散光不能穿过视场光阑到达像面，有效降低杂散光对光学***成像的影响，提高了***信噪比；***设计入瞳距离前镜组较近，轴外视场主光线在前镜组上的投影较低，从而得到较小的透镜口径，有效减小***入瞳直径和红外光学***的总体积；本发明的小型化三组元连续变焦中波制冷红外光学***，具有光学***总体积小、重量轻的特点，满足了对体积、重量都有严苛限制的机载中小型机载光电吊舱***要求。

Description

一种小型化三组元连续变焦中波制冷红外光学***
技术领域
本发明涉及机载光电设备的中波红外光学***领域，具体涉及一种小型化三组元连续变焦中波制冷红外光学***。
背景技术
当前，机载光电吊舱***集成度高，同装载光电传感器多，用于实现宽频谱、多波段目标探测；由于机载光电***的体积、重量受限，因此，红外热像仪及其他光电传感器的小型化设计至关重要；但现有红外连续变焦光学***普遍存在积极大，重量重的缺陷。
申请号为201210090732.5的中国专利申请公开了一种三组元中波红外30倍连续变焦光学***，该***焦距在25～750mm范围内连续可变，该***采用10片透镜，***的光学总长/最长焦距的比值为0.7，存在镜片数量多、光学透过率低、体积大的缺陷，难以在对红外热像仪的体积、重量要求严苛的机载光电设备中应用。
发明内容
为了克服背景技术中的不足，本发明公开了一种小型化三组元连续变焦中波制冷红外光学***，采用三组元连续变焦、二次成像***设计，通过不同透镜光焦度的合理分配，实现了***光学总长小，变倍、补偿结构简单；在一次像面位置处设置视场光阑，***视场外的杂散光不能穿过视场光阑到达像面，可有效降低杂散光对光学***成像的影响，提高了***信噪比；***设计入瞳距离前镜组较近，轴外视场主光线在前镜组上的投影较低，从而得到较小的透镜口径，有效减小***入瞳直径和红外光学***的总体积；本发明的小型化三组元连续变焦中波制冷红外光学***具有光学***总体积小、重量轻的特点，满足了对体积、重量都有严苛限制的机载中小型机载光电吊舱***要求。
为了实现所述发明目的，本发明采用如下技术方案：一种小型化三组元连续变焦中波制冷红外光学***，采用三组元连续变焦、二次成像光学***设计；包括第一弯月形正透镜、双凹负透镜、第二弯月形正透镜、第三弯月形正透镜、第四弯月形正透镜、第一弯月形负透镜、第五弯月形正透镜、第六弯月形正透镜、红外探测器；所述以上透镜及红外探测器从左至右依序排列、共光轴设置；所述第一弯月形正透镜为前固定镜；所述双凹负透镜为第一变倍透镜，所述第二弯月形正透镜为第二变倍透镜，通过双凹负透镜、第二弯月形正透镜沿着光轴的运动来实现***焦距变化；所述第三弯月形正透镜为补偿透镜，通过补偿透镜沿着光轴的运动补偿由于变倍透镜移动所引起的像面离焦；所述第四弯月形正透镜、第一弯月形负透镜、第五弯月形正透镜、第六弯月形正透镜为后固定组；所述第一弯月形负透镜、第五弯月形正透镜之间设置有一次像面，一次像面位置设置有视场光阑。
进一步的，在变焦过程中，双凹负透镜、第二弯月形正透镜、第三弯月形正透镜按照各自的运动规律沿光轴移动；双凹负透镜、第二弯月形正透镜、第三弯月形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、第二弯月形正透镜、第三弯月形正透镜运动规律曲线。
进一步的，所述的第一弯月形正透镜、第三弯月形正透镜、第四弯月形正透镜、第一弯月形负透镜面型均弯向入光侧；第二弯月形正透镜、第五弯月形正透镜、第六弯月形正透镜面型均弯向出光侧。
进一步的，第一弯月形正透镜的光学材料采用单晶硅(SILICON)材料，双凹负透镜的光学材料采用单晶锗(GERMMW)材料，第二弯月形正透镜的光学材料采用单晶硅(SILICON)材料，第三弯月形正透镜的光学材料采用硒化锌(ZNSE)材料，第四弯月形正透镜的光学材料采用硒化锌(ZNSE)材料，第一弯月形负透镜的光学材料采用单晶锗(GERMMW)材料，第五弯月形正透镜的光学材料采用单晶硅(SILICON)材料，第六弯月形正透镜的光学材料采用单晶锗(GERMMW)材料。
进一步的，所述以上各透镜焦距需满足以下条件：
1.83f≤f1≤1.86f，-0.35f≤f2≤-0.30f，1.28f≤f3≤1.33f，1.15f≤f4≤1.18f，1.15f≤f5≤1.18f，-0.32f≤f6≤-0.30f，0.2f≤f7≤0.3f，0.38f≤f8≤0.42f；其中：f为光学***短焦时的焦距，
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为第二弯月形正透镜的有效焦距，
f4为第三弯月形正透镜的有效焦距，
f5为第四弯月形正透镜的有效焦距，
f6为第一弯月形负透镜的有效焦距，
f7为第五弯月形正透镜的有效焦距，
f8为第六弯月形正透镜的有效焦距。
进一步的，所述第三弯月形正透镜、第一弯月形负透镜、第五弯月形正透镜入光侧的表面均采用偶次非球面。
进一步的，所述第三弯月形正透镜、第一弯月形负透镜、第五弯月形正透镜入光侧面型方程为：
Figure GDA0003210791900000031
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为透镜表面垂直光轴方向的径向坐标，k为透镜表面的二次曲线常数，A为透镜表面的四阶非球面系数、B为透镜表面的六阶非球面系数、C为透镜表面的八阶非球面系数。
进一步的，所述第六弯月形正透镜出光侧的表面采用衍射非球面，非球面和衍射面作用于同一透镜表面。
进一步的，所述第六弯月形正透镜出光侧面型方程为：
Figure GDA0003210791900000041
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为透镜表面垂直光轴方向的径向坐标，k为透镜表面的二次曲线常数，A为透镜表面的四阶非球面系数、B为透镜表面的六阶非球面系数、C为透镜表面的八阶非球面系数；HOR为透镜表面的衍射级次，C1、C2、C3为透镜表面的衍射系数，n为透镜光学材料的折射率，n0为空气的折射率，λ0为光学***设计中心波长。
由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下有益效果：本发明公开的一种小型化三组元连续变焦中波制冷红外光学***，采用三组元连续变焦、二次成像***设计，通过不同透镜光焦度的合理分配，实现了***光学总长小，变倍、补偿结构简单；在一次像面位置处设置视场光阑，***视场外的杂散光不能穿过视场光阑到达像面，可有效降低杂散光对光学***成像的影响，提高了***信噪比；***设计入瞳距离前镜组较近，轴外视场主光线在前镜组上的投影较低，从而得到较小的透镜口径，有效减小***入瞳直径和红外光学***的总体积；本发明的小型化三组元连续变焦中波制冷红外光学***具有光学***总体积小、重量轻的特点，满足了对体积、重量都有严苛限制的机载中小型机载光电吊舱***要求。
附图说明
图1为该光学***焦距为300mm时的光路图；
图2为该光学***焦距为160mm时的光路图；
图3为该光学***焦距为30mm时的光路图；
图4为该光学***焦距为300mm时的传递函数图；
图5为该光学***焦距为160mm时的传递函数图；
图6为该光学***焦距为30mm时的传递函数图；
图7为该光学***焦距为300mm时的点列图；
图8为该光学***焦距为160mm时的点列变图；
图9为该光学***焦距为30mm时的点列图；
图10为该光学***焦距为300mm时的场曲、畸变图；
图11为该光学***焦距为160mm时的场曲、畸变图；
图12为该光学***焦距为30mm时的场曲、畸变图；
图13为该光学***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、第二弯月形正透镜；4、第三弯月形正透镜；5、第四弯月形正透镜；6、第一弯月形负透镜；7、第五弯月形正透镜；8、第六弯月形正透镜；9、红外探测器。
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。
一种小型化三组元连续变焦中波制冷红外光学***，采用三组元连续变焦、二次成像***设计；包括第一弯月形正透镜1、双凹负透镜2、第二弯月形正透镜3、第三弯月形正透镜4、第四弯月形正透镜5、第一弯月形负透镜6、第五弯月形正透镜7、第六弯月形正透镜8、红外探测器9；所述以上透镜及红外探测器9从左至右依序排列、共光轴设置；所述第一弯月形正透镜1为前固定镜；所述双凹负透镜2为第一变倍透镜，所述第二弯月形正透镜3为第二变倍透镜，通过双凹负透镜2、第二弯月形正透镜3沿着光轴的运动来实现***焦距变化；所述第三弯月形正透镜4为补偿透镜，通过补偿透镜沿着光轴的运动来实现由于变倍透镜移动所引起的像面离焦，从而实现变焦过程中的清晰成像；所述第四弯月形正透镜5、第一弯月形负透镜6、第五弯月形正透镜7、第六弯月形正透镜8为后固定组；所述第一弯月形负透镜6、第五弯月形正透镜7之间设置有一次像面，一次像面位置设置有视场光阑；
在变焦过程中，双凹负透镜2、第二弯月形正透镜3、第三弯月形正透镜4按照各自的运动规律沿光轴移动；双凹负透镜2、第二弯月形正透镜3、第三弯月形正透镜4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、第二弯月形正透镜3、第三弯月形正透镜4运动规律曲线；
所述的第一弯月形正透镜1、第三弯月形正透镜4、第四弯月形正透镜5、第一弯月形负透镜6面型均弯向入光侧；第二弯月形正透镜3、第五弯月形正透镜7、第六弯月形正透镜8面型均弯向出光侧；
第一弯月形正透镜1的光学材料采用单晶硅(SILICON)材料，双凹负透镜2的光学材料采用单晶锗(GERMMW)材料，第二弯月形正透镜3的光学材料采用单晶硅(SILICON)材料，第三弯月形正透镜4的光学材料采用硒化锌(ZNSE)材料，第四弯月形正透镜5的光学材料采用硒化锌(ZNSE)材料，第一弯月形负透镜6的光学材料采用单晶锗(GERMMW)材料，第五弯月形正透镜7的光学材料采用单晶硅(SILICON)材料，第六弯月形正透镜8的光学材料采用单晶锗(GERMMW)材料；
所述以上各透镜焦距需满足以下条件：
1.83f≤f1≤1.86f，-0.35f≤f2≤-0.30f，1.28f≤f3≤1.33f，1.15f≤f4≤1.18f，1.15f≤f5≤1.18f，-0.32f≤f6≤-0.30f，0.2f≤f7≤0.3f，0.38f≤f8≤0.42f；其中：f为光学***短焦时的焦距，
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为第二弯月形正透镜3的有效焦距，
f4为第三弯月形正透镜4的有效焦距，
f5为第四弯月形正透镜5的有效焦距，
f6为第一弯月形负透镜6的有效焦距，
f7为第五弯月形正透镜7的有效焦距，
f8为第六弯月形正透镜8的有效焦距。
所述第三弯月形正透镜4、第一弯月形负透镜6、第五弯月形正透镜7入光侧的表面均采用偶次非球面；
所述第三弯月形正透镜4、第一弯月形负透镜6、第五弯月形正透镜7入光侧面型方程为：
Figure GDA0003210791900000071
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为透镜表面垂直光轴方向的径向坐标，k为透镜表面的二次曲线常数，A为透镜表面的四阶非球面系数、B为透镜表面的六阶非球面系数、C为透镜表面的八阶非球面系数；
所述第六弯月形正透镜8出光侧的表面采用衍射非球面，非球面和衍射面作用于同一透镜表面；
所述第六弯月形正透镜8出光侧面型方程为：
Figure GDA0003210791900000072
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为透镜表面垂直光轴方向的径向坐标，k为透镜表面的二次曲线常数，A为透镜表面的四阶非球面系数、B为透镜表面的六阶非球面系数、C为透镜表面的八阶非球面系数；HOR为透镜表面的衍射级次，C1、C2、C3为透镜表面的衍射系数，n为透镜光学材料的折射率，n0为空气的折射率，λ0为光学***设计中心波长。
基于以上小型化三组元连续变焦中波制冷红外光学***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如下：
适配探测器：640×512，15μm中波制冷焦平面探测器；
工作波段：3.7μm～4.8μm；
相对孔径：1:4；
焦距：30mm～300mm；
视场：18.2°×14.6°～1.83°×1.47°；
光学总长(TTL)：≤137mm；
TTL(光学总长)/fmax(最长焦距)：≤0.46。
本实施例中，光学***在焦距为30mm～300mm时的详细数据见表1：
Figure GDA0003210791900000081
Figure GDA0003210791900000091
表1
其中，透镜的曲率半径、厚度、口径的单位均为mm，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1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1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气间隔；
本实施例中，第三弯月形正透镜4、第一弯月形负透镜6、第五弯月形正透镜7入光侧表面的非球面系数见表2：
Figure GDA0003210791900000092
表2本实施例中，第六弯月形正透镜8出光侧的衍射非球面系数见表3：
Figure GDA0003210791900000093
表3
本实施例中，***在长焦、中焦、短焦时的一些重要参数值见表4：
Figure GDA0003210791900000101
表4
本实施例中，经过光学设计软件仿真：在空间频率为30lp/mm时，光学***焦距为300mm、160mm、30mm状态下的传递函数均大于0.25，具体见如图4、图5、图6所示；光学***焦距为300mm、160mm、30mm状态下，各焦距状态下的弥散斑RMS值均与探测器像元尺寸相当，具体见图7、图8、图9所示；光学***在焦距为300mm、160mm状态下的畸变小于2.3％，在30mm状态下畸变小于4.5％，具体见图10、图11、图12所示；光学***的变焦曲线具体见图13。
本发明未详述部分为现有技术。

Claims (8)

1.一种小型化三组元连续变焦中波制冷红外光学***，其特征是：采用三组元连续变焦、二次成像***设计；由第一弯月形正透镜(1)、双凹负透镜(2)、第二弯月形正透镜(3)、第三弯月形正透镜(4)、第四弯月形正透镜(5)、第一弯月形负透镜(6)、第五弯月形正透镜(7)、第六弯月形正透镜(8)、红外探测器(9)组成；以上各透镜及红外探测器(9)从左至右依序排列、共光轴设置；所述第一弯月形正透镜(1)为前固定镜；所述双凹负透镜(2)为第一变倍透镜，所述第二弯月形正透镜(3)为第二变倍透镜，通过双凹负透镜(2)、第二弯月形正透镜(3)沿着光轴的运动来实现***焦距变化；所述第三弯月形正透镜(4)为补偿透镜，通过补偿透镜沿着光轴的运动补偿由于变倍透镜移动所引起的像面离焦；所述第四弯月形正透镜(5)、第一弯月形负透镜(6)、第五弯月形正透镜(7)、第六弯月形正透镜(8)为后固定组；所述第一弯月形负透镜(6)、第五弯月形正透镜(7)之间设置有一次像面，一次像面处设置有视场光阑；
以上各透镜焦距需满足以下条件：
1.83f≤f1≤1.86f，-0.35f≤f2≤-0.30f，1.28f≤f3≤1.33f，1.15f≤f4≤1.18f，1.15f≤f5≤1.18f，-0.32f≤f6≤-0.30f，0.2f≤f7≤0.3f，0.38f≤f8≤0.42f；
其中：f为光学***短焦时的焦距，
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为第二弯月形正透镜(3)的有效焦距，
f4为第三弯月形正透镜(4)的有效焦距，
f5为第四弯月形正透镜(5)的有效焦距，
f6为第一弯月形负透镜(6)的有效焦距，
f7为第五弯月形正透镜(7)的有效焦距，
f8为第六弯月形正透镜(8)的有效焦距。
2.根据权利要求1所述小型化三组元连续变焦中波制冷红外光学***，其特征是：在变焦过程中，双凹负透镜(2)、第二弯月形正透镜(3)、第三弯月形正透镜(4)按照各自的运动规律沿光轴移动；双凹负透镜(2)、第二弯月形正透镜(3)、第三弯月形正透镜(4)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)、第二弯月形正透镜(3)、第三弯月形正透镜(4)运动规律曲线。
3.根据权利要求1所述小型化三组元连续变焦中波制冷红外光学***，其特征是：所述的第一弯月形正透镜(1)、第三弯月形正透镜(4)、第四弯月形正透镜(5)、第一弯月形负透镜(6)面型均弯向入光侧；第二弯月形正透镜(3)、第五弯月形正透镜(7)、第六弯月形正透镜(8)面型均弯向出光侧。
4.根据权利要求1所述小型化三组元连续变焦中波制冷红外光学***，其特征是：第一弯月形正透镜(1)的光学材料采用单晶硅(SILICON)材料，双凹负透镜(2)的光学材料采用单晶锗(GERMMW)材料，第二弯月形正透镜(3)的光学材料采用单晶硅(SILICON)材料，第三弯月形正透镜(4)的光学材料采用硒化锌(ZNSE)材料，第四弯月形正透镜(5)的光学材料采用硒化锌(ZNSE)材料，第一弯月形负透镜(6)的光学材料采用单晶锗(GERMMW)材料，第五弯月形正透镜(7)的光学材料采用单晶硅(SILICON)材料，第六弯月形正透镜(8)的光学材料采用单晶锗(GERMMW)材料。
5.根据权利要求1所述小型化三组元连续变焦中波制冷红外光学***，其特征是：所述第三弯月形正透镜(4)、第一弯月形负透镜(6)、第五弯月形正透镜(7)入光侧的表面均采用偶次非球面。
6.根据权利要求5所述小型化三组元连续变焦中波制冷红外光学***，其特征是：所述第三弯月形正透镜(4)、第一弯月形负透镜(6)、第五弯月形正透镜(7)入光侧面型方程为：
Figure FDA0003210791890000021
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为透镜表面垂直光轴方向的径向坐标，k为透镜表面的二次曲线常数，A为透镜表面的四阶非球面系数、B为透镜表面的六阶非球面系数、C为透镜表面的八阶非球面系数。
7.根据权利要求1所述小型化三组元连续变焦中波制冷红外光学***，其特征是：所述第六弯月形正透镜(8)出光侧的表面采用衍射非球面，非球面和衍射面作用于同一透镜表面。
8.根据权利要求7所述小型化三组元连续变焦中波制冷红外光学***，其特征是：所述第六弯月形正透镜(8)出光侧面型方程为：
Figure FDA0003210791890000031
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为透镜表面垂直光轴方向的径向坐标，k为透镜表面的二次曲线常数，A为透镜表面的四阶非球面系数、B为透镜表面的六阶非球面系数、C为透镜表面的八阶非球面系数；HOR为透镜表面的衍射级次，C1、C2、C3为透镜表面的衍射系数，n为透镜光学材料的折射率，n0为空气的折射率，λ0为光学***设计中心波长。
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