CN114047616B - 一种米级长焦距百倍变倍比中波红外连续变焦光学*** - Google Patents

一种米级长焦距百倍变倍比中波红外连续变焦光学*** Download PDF

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Abstract

本发明属于光学***技术领域，具体涉及一种米级长焦距百倍变倍比中波红外连续变焦光学***。该光学***基于机械补偿法光学连续变焦原理与衍射光学原理相结合，通过变倍透镜组与补偿透镜组的多组轴向相对运动，在实现135×百倍变倍比连续变焦的同时实现了1350mm米级长焦距，并且短焦最大视场大于60°，远摄比优于0.32。

Description

一种米级长焦距百倍变倍比中波红外连续变焦光学***
技术领域
本发明属于光学***技术领域，具体涉及一种米级长焦距百倍变倍比中波红外连续变焦光学***。
背景技术
根据需要观察的目标的远近距离不同，光电观察与监控***通常需要光学***具备连续变焦距能力，分别用于不同距离目标的探测、识别、认清以及大范围的监控。红外连续变焦热像仪是一种焦距可连续变化、而像面位置保持稳定并且在变焦过程中像质保持良好的成像***。因此，可以在像面上得到连续改变大小的目标像，对于光电观察与监控***都非常有利。
当前的红外连续变焦光学镜头变倍比在20到50倍之间，最长焦距一般小于800mm，变倍比较低、分辨率不足。难以满足超高变倍比、超远距离探测以及大范围监控的实际使用需求。超高变倍比、超远距离探测、以及大范围监控连续变焦光学***在光电观察、搜索、监控等军用、警用、民用领域的应用需求非常广泛。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种米级长焦距百倍变倍比中波红外连续变焦光学***，该光学***基于机械补偿法光学连续变焦原理与衍射光学原理相结合，通过变倍透镜组与补偿透镜组的多组轴向相对运动，在实现135×百倍变倍比连续变焦的同时实现了1350mm米级长焦距，并且短焦最大视场大于60°，远摄比优于0.32。
为了达到上述技术目的，本发明所采用的具体技术方案为：
一种米级长焦距百倍变倍比中波红外连续变焦光学***，从物方到像方依次共轴设置的光焦度为正的前固定透镜组G1、光焦度为负的变倍透镜组G2、光焦度为正的前补偿透镜组G3、光焦度为负的后补偿透镜组G4、光焦度为正的后固定透镜组G5以及探测器的像面。
进一步的，所述前固定透镜组G1包含从物方到像方依次共轴设置的正光焦度弯月透镜L11和负光焦度弯月透镜L12；所述变倍透镜组G2包括负光焦度双凹透镜L21；所述前补偿透镜组G3包括正光焦度双凸透镜L31；所述后补偿透镜组G4包括负光焦度双凹透镜L41；所述后固定透镜组G5包括从物方到像方依次共轴设置的正光焦度弯月透镜L51、负光焦度弯月透镜L52、正光焦度弯月透镜L53以及正光焦度双凸透镜L54。
进一步的，所述米级长焦距百倍变倍比中波红外连续变焦光学***的连续变焦，通过变倍透镜组G2、前补偿透镜组G3和后补偿透镜组G4，在前固定透镜组G1与后固定透镜组G5之间沿光轴按一定规律运动实现。
进一步的，所述正光焦度弯月透镜L11的材质为高折射率硅所述负光焦度弯月透镜L12的材质为高折射率锗；
进一步的，负光焦度双凹透镜L21的材质为高折射率硅，正光焦度双凸透镜L31的材质为高折射率锗，负光焦度双凹透镜L41的材质为高折射率锗。
进一步的，所述米级长焦距百倍变倍比中波红外连续变焦光学***连续变焦距范围为1500mm～10mm；变倍比为：135×～150×；光学***F数：f/5.5。
进一步的，所述米级长焦距百倍变倍比中波红外连续变焦光学***连续变焦距范围为1350mm～10mm；变倍比为：135×。
进一步的，所述米级长焦距百倍变倍比中波红外连续变焦光学***的短焦最大视场大于60°。
进一步的，所述米级长焦距百倍变倍比中波红外连续变焦光学***光学***远摄比为0.32。
进一步的，所述米级长焦距百倍变倍比中波红外连续变焦光学***的工作波长为3μm～5μm；所述探测器的像素数为640×480像素大小为15μm，或像素数为320×240像素大小为30μm。
采用上述技术方案，本发明的米级长焦距百倍变倍比中波红外连续变焦光学***具有以下优点：
1米级超长焦距
前固定透镜组G1承担了光学***的主要光焦度以及大部分球差，通过合理分配变倍透镜组G2、前补偿透镜组G3、后补偿透镜组G4与后固定透镜组的光焦度，并进行了像差的优化匹配，实现了1350mm超长焦距的高质量成像。
2百倍级超高变倍比连续变焦光学
通过变倍透镜组G2、前补偿透镜组G3、后补偿透镜组G4作相对轴上运动实现了135×超高变倍比。
3大远摄比
前固定透镜组采用多片高折射率光学透镜，承担整个光学***的主要光焦度，压缩了光路的轴向尺寸，同时通过优化变倍透镜组G2、前补偿透镜组G3、后补偿透镜组G4的相对位置关系进一步压缩了光学***的轴向长度，实现远摄比优于0.32。
4大范围监控
在短焦位置通过优化变倍透镜组G2、前补偿透镜组G3、后补偿透镜组G4的相对位置关系，达到了短焦最大视场大于60°，实现了广角大范围监控。
5成像质量优
利用非球面、衍射面等特殊光学面型校正光学***的像差，平衡了各种像差，得到了优良像质。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明具体实施方式中米级长焦距百倍变倍比中波红外连续变焦光学***1350mm焦距光路示意图；
图2为本发明具体实施方式中米级长焦距百倍变倍比中波红外连续变焦光学***1000mm焦距光路示意图；
图3为本发明具体实施方式中米级长焦距百倍变倍比中波红外连续变焦光学***100mm焦距光路示意图；
图4为本发明具体实施方式中米级长焦距百倍变倍比中波红外连续变焦光学***10mm焦距光路示意图；
图5为本发明具体实施方式中米级长焦距百倍变倍比中波红外连续变焦光学***1350mm焦距光路MTF图；
图6为本发明具体实施方式中米级长焦距百倍变倍比中波红外连续变焦光学***1000mm焦距光路MTF图；
图7为本发明具体实施方式中米级长焦距百倍变倍比中波红外连续变焦光学***100mm焦距光路MTF图；
图8为本发明具体实施方式中米级长焦距百倍变倍比中波红外连续变焦光学***10mm焦距光路MTF图。
具体实施方式
下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。
以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本公开的基本构想，图式中仅显示与本公开中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。
在本发明的一个实施例中，提出一种米级长焦距百倍变倍比中波红外连续变焦光学***，从物方到像方依次共轴设置的光焦度为正的前固定透镜组G1、光焦度为负的变倍透镜组G2、光焦度为正的前补偿透镜组G3、光焦度为负的后补偿透镜组G4、光焦度为正的后固定透镜组G5以及探测器的像面。
在本实施例中，前固定透镜组G1包含从物方到像方依次共轴设置的正光焦度弯月透镜L11和负光焦度弯月透镜L12；变倍透镜组G2包括负光焦度双凹透镜L21；前补偿透镜组G3包括正光焦度双凸透镜L31；后补偿透镜组G4包括负光焦度双凹透镜L41；后固定透镜组G5包括从物方到像方依次共轴设置的正光焦度弯月透镜L51、负光焦度弯月透镜L52、正光焦度弯月透镜L53以及正光焦度双凸透镜L54。
在本实施例中，米级长焦距百倍变倍比中波红外连续变焦光学***的连续变焦，通过变倍透镜组G2、前补偿透镜组G3和后补偿透镜组G4，在前固定透镜组G1与后固定透镜组G5之间沿光轴按一定规律运动实现。
在本实施例中，正光焦度弯月透镜L11的材质为高折射率硅负光焦度弯月透镜L12的材质为高折射率锗；
在本实施例中，负光焦度双凹透镜L21的材质为高折射率硅，正光焦度双凸透镜L31的材质为高折射率锗，负光焦度双凹透镜L41的材质为高折射率锗。
在本实施例中，米级长焦距百倍变倍比中波红外连续变焦光学***连续变焦距范围为1500mm～10mm；变倍比为：135×～150×；光学***F数：f/5.5。
在本实施例中，米级长焦距百倍变倍比中波红外连续变焦光学***连续变焦距范围为1350mm～10mm；变倍比为：135×。
在本实施例中，米级长焦距百倍变倍比中波红外连续变焦光学***的短焦最大视场大于60°。
在本实施例中，米级长焦距百倍变倍比中波红外连续变焦光学***光学***远摄比为0.32。
在本实施例中，米级长焦距百倍变倍比中波红外连续变焦光学***的工作波长为3μm～5μm；探测器的像素数为640×480像素大小为15μm，或像素数为320×240像素大小为30μm。
本发明一种米级长焦距百倍变倍比中波红外连续变焦光学***构型。按光路走向包括从物方到像方依次共轴设置的光焦度为正的前固定透镜组G1、光焦度为负的变倍透镜组G2、光焦度为正的前补偿透镜组G3、光焦度为负的后补偿透镜组G4、光焦度为正的后固定透镜组G5以及探测器的像面。
变倍透镜组G2、前补偿透镜组G3、后补偿透镜组G4在变焦距过程中以一定规律相对运动，完成连续变焦成像。
前固定透镜组G1，由透镜L11、透镜L12组成；变倍透镜组G2，由透镜L21组成；前补偿透镜组G3，由透镜L31组成；后补偿透镜组G4，由透镜L41组成；后固定透镜组G5，由透镜L51、透镜L52、透镜L53、透镜L54组成，
图1为1350mm焦距光路示意图；
图2为1000mm焦距光路示意图；
图3为100mm焦距光路示意图；
图4为10mm焦距光路示意图；
图5为1350mm焦距光路MTF图；
图6为1000mm焦距光路MTF图；
图7为100mm焦距光路MTF图；
图8为10mm焦距光路MTF图。
本实施例米级长焦距百倍变倍比中波红外连续变焦光学***的光学参数如下表所示：
光学参数表(单位：mm)
非球面方程为：
其中：r——与光轴的距离；
R——非球面顶点出的曲率半径；
K——二次曲线常数；
A、B、C、D——非球面系数。
衍射非球面方程为：
其中：r——与光轴的距离；
R——非球面顶点出的曲率半径；
K——二次曲线常数；
A、B、C、D——非球面系数；
HOR——衍射级次；
c1、c2——衍射面系数；
n——基地材料折射率；
n0——空气折射率；
λ0——中心波长。
表中，曲率半径是指每个表面的曲率半径，间隔是指两相邻表面间的距离，举例来说，表面S1的间隔，即表面S1至表面S2间的距离。
其中，D12表示前固定透镜组G1、变倍透镜组G2之间距离；D23表示变倍透镜组G2、前补偿透镜组G3之间距离；D34表示前补偿透镜组G3、后补偿组透镜G4之间距离；D45表示后补偿透镜组G4、后固定透镜组G5之间距离。
以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种米级长焦距百倍变倍比中波红外连续变焦光学***，其特征在于，从物方到像方依次共轴设置的光焦度为正的前固定透镜组G1、光焦度为负的变倍透镜组G2、光焦度为正的前补偿透镜组G3、光焦度为负的后补偿透镜组G4、光焦度为正的后固定透镜组G5以及探测器的像面；
所述前固定透镜组G1包含从物方到像方依次共轴设置的正光焦度弯月透镜L11和负光焦度弯月透镜L12；所述变倍透镜组G2包括负光焦度双凹透镜L21；所述前补偿透镜组G3包括正光焦度双凸透镜L31；所述后补偿透镜组G4包括负光焦度双凹透镜L41；所述后固定透镜组G5包括从物方到像方依次共轴设置的正光焦度弯月透镜L51、负光焦度弯月透镜L52、正光焦度弯月透镜L53以及正光焦度双凸透镜L54；
所述米级长焦距百倍变倍比中波红外连续变焦光学***的连续变焦，通过变倍透镜组G2、前补偿透镜组G3和后补偿透镜组G4，在前固定透镜组G1与后固定透镜组G5之间沿光轴按一定规律运动实现；
所述正光焦度弯月透镜L11的材质为高折射率硅所述负光焦度弯月透镜L12的材质为高折射率锗；
负光焦度双凹透镜L21的材质为高折射率硅，正光焦度双凸透镜L31的材质为高折射率锗，负光焦度双凹透镜L41的材质为高折射率锗。
2.根据权利要求1所述的一种米级长焦距百倍变倍比中波红外连续变焦光学***，其特征在于，所述米级长焦距百倍变倍比中波红外连续变焦光学***连续变焦距范围为1500mm～10mm；变倍比为：135×~150×；光学***F数：f/5.5。
3.根据权利要求2所述的一种米级长焦距百倍变倍比中波红外连续变焦光学***，其特征在于，所述米级长焦距百倍变倍比中波红外连续变焦光学***连续变焦距范围为1350mm～10mm；变倍比为：135×。
4.根据权利要求1所述的一种米级长焦距百倍变倍比中波红外连续变焦光学***，其特征在于，所述米级长焦距百倍变倍比中波红外连续变焦光学***的短焦最大视场大于60°。
5.根据权利要求1所述的一种米级长焦距百倍变倍比中波红外连续变焦光学***,其特征在于，所述米级长焦距百倍变倍比中波红外连续变焦光学***光学***远摄比为0.32。
6.根据权利要求1所述的一种米级长焦距百倍变倍比中波红外连续变焦光学***,其特征在于，所述米级长焦距百倍变倍比中波红外连续变焦光学***的工作波长为3μm～5μm；所述探测器的像素数为640×480像素大小为15μm，或像素数为320×240像素大小为30μm。
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