CN114460728B - 一种微小型的中波制冷红外连续变焦光学*** - Google Patents
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Abstract
一种涉及光学***技术领域的微小型的中波制冷红外连续变焦光学***，包含从物方至像方依次同光轴设置的第一弯月形正透镜，第一弯月形负透镜，双凹负透镜，双凸正透镜，第二弯月形正透镜，第二弯月形负透镜，第三弯月形正透镜，第四弯月形正透镜和红外探测器；第一弯月形正透镜、第一弯月形负透镜、第二弯月形正透镜、第二弯月形负透镜均弯向像方设置；第三弯月形正透镜、第四弯月形正透镜均弯向物方设置；本发明光学***的焦距为15mm～300mm，第一弯月形正透镜的前表面至像面的总长度小于137mm，变倍比大、光学总长小，在变焦过程中目标图像能够始终保持清晰，能够实现变焦范围内任意视场的变换。
Description
技术领域
本发明涉及光学***技术领域，尤其是涉及一种微小型的中波制冷红外连续变焦光学***。
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；
申请号为201710547355.6的中国专利申请公开了一种大变倍比中波红外连续变焦镜头，该***变倍比为12倍，光学***长、体积大，在实际应用中难于满足小型化、轻量化的要求；
申请号为201810314997.6的中国专利申请公开了一种大相对孔径高变倍比红外连续变焦光学***，该***长焦端焦距为330mm，光学总长460mm，存在长焦端对远距离目标的分辨能力低、体积大的缺陷；
中国期刊《红外与激光工程》在2013年2月出版的第42卷第2期398～402页刊登了王海洋等发表的题为“大变倍比中波红外连续变焦光学***设计”的论文；文中介绍了一种采用采用三次成像技术的大变倍比中波红外连续变焦光学***；该***F数为4，可实现23～701mm连续变焦；该***采用10片透镜，***整体外形尺寸为345mm×176mm×224mm(长×宽×高)，存在光学透过率低、体积大的缺陷，难以在小型机载光电设备中应用；
中国期刊《红外与激光工程》在2013年10月出版的第42卷第10期2742～2747页刊登了陈津津等发表的题为“高清晰大变倍比中波红外连续变焦光学***设计”的论文；文中介绍了一种F数为4，变焦范围为15～550mm的大变倍比中波红外连续变焦光学***，折叠后光学***尺寸为390mm×137.5mm×110mm(长×宽×高)，***的总长/焦距比约为0.7，存在体积大的缺陷，难以在对红外热像仪体积、重量要求严苛的小型机载光电设备中推广应用；
中国期刊《红外与激光工程》在2017年11月出版的第46卷第11期1104002-1～1104002-5页刊登了曲锐等发表的题为“紧凑型大变倍比红外光学***设计”的论文；文中介绍了一种F数为4，变焦范围为6.5～455mm的大变倍比红外光学***设计，该***用10片透镜，总长300mm，***的总长/焦距比约为0.66，存在镜片数量多、光学透过率低、体积大的缺陷；此外，该***的补偿组由3片透镜组成，数量多、重量重，对补偿组的驱动难度大。
发明内容
为了克服背景技术中的不足，本发明公开了一种微小型的中波制冷红外连续变焦光学***。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种微小型的中波制冷红外连续变焦光学***，包含从物方至像方依次同光轴设置的第一弯月形正透镜，第一弯月形负透镜，双凹负透镜，双凸正透镜，第二弯月形正透镜，第二弯月形负透镜，第三弯月形正透镜，第四弯月形正透镜和红外探测器；第一弯月形正透镜、第一弯月形负透镜、第二弯月形正透镜、第二弯月形负透镜均弯向像方设置；第三弯月形正透镜、第四弯月形正透镜均弯向物方设置；双凹负透镜为变倍透镜，通过双凹负透镜沿着光轴移动来实现焦距变化，在由短焦15mm至长焦300mm的变化过程中双凹负透镜由左向右远离第一弯月形负透镜来实现焦距变化，双凸正透镜为第一补偿透镜，第二弯月形正透镜为第二补偿透镜，通过双凸正透镜、第二弯月形正透镜各自独立沿着光轴的移动来补偿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，在由短焦15mm至长焦300mm的变化过程中双凸正透镜、第二弯月形正透镜均由右至左靠近第一弯月形负透镜；第一弯月形正透镜，第一弯月形负透镜，第二弯月形负透镜，第三弯月形正透镜，第四弯月形正透镜为固定透镜，在变焦过程中保持原位不动。
优选的，出瞳处设有孔径光阑，孔径光阑与红外探测器的冷光阑重合。
优选的，一次像面位于第二弯月形负透镜与第三弯月形正透镜之间。
优选的，所述第一弯月形正透镜的光学材料采用硅材料，第一弯月形负透镜的光学材料采用单晶锗材料，双凹负透镜的光学材料采用单晶锗材料，双凸正透镜的光学材料采用硅材料，第二弯月形正透镜的光学材料采用硒化锌材料，第二弯月形负透镜的光学材料采用单晶锗材料，第三弯月形正透镜的光学材料采用硅材料，第四弯月形正透镜的光学材料采用单晶锗材料。
优选的，所述第一弯月形正透镜，第一弯月形负透镜，双凹负透镜，双凸正透镜，第二弯月形正透镜，第二弯月形负透镜，第三弯月形正透镜，第四弯月形正透镜的焦距满足以下条件：
3.0f≤f1≤3.2f，-17.0f≤f2≤-16.0f，-0.60f≤f3≤-0.50f，0.95f≤f4≤1.15f，3.2f≤f5≤3.6f，-0.9f≤f6≤-0.7f，0.3f≤f7≤0.5f，1.45f≤f8≤1.65f；
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为第一弯月形负透镜的有效焦距；
f3为双凹负透镜的有效焦距；
f4为双凸正透镜的有效焦距；
f5为第二弯月形正透镜的有效焦距；
f6为第二弯月形负透镜的有效焦距；
f7为第三弯月形正透镜的有效焦距；
f8为第四弯月形正透镜的有效焦距。
优选的，所述第一弯月形负透镜朝向物方一侧的表面S3、双凹负透镜朝向物方一侧的表面S5、第二弯月形正透镜朝向物方一侧的表面S9，第四弯月形正透镜朝向像方一侧的表面S16均采用偶次非球面，面型方程为：
其中，z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距离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。
优选的，所述第二弯月形负透镜朝向物方一侧的表面S11采用衍射非球面，非球面和衍射面作用于同一透镜表面，面型方程为：
其中，z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距离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：
本发明公开的一种微小型的中波制冷红外连续变焦光学***，
1.采用三组元变焦方式，实现了15mm～300mm的20倍连续变焦光学***，该连续变焦光学***的光学总长为137mm，总长/最大焦距比为0.46，***具有光学总长小，变倍比大的特点，适用于对光学***体积、重量都有严苛要求的中小型机载光电吊舱***中；
2.该***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；
3.采用二次成像***，在出瞳处设置光阑使光阑与制冷红外探测器的冷光阑重合，使得***实现冷光阑效率100％，不会造成光束切割，减少了能量损失，提高了***反应灵敏度；
4.在变焦过程中目标图像能够始终保持清晰，能够实现变焦范围内任意视场的变换；应用在机载光电吊舱时，***在连续变焦过程中不会丢失跟踪目标，而且能够根据场景和目标特征选择合适的工作视场，大大提高了人机功效。
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15mm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15mm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时的点列图；
图9为该光学***焦距为15mm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15mm时的场曲、畸变图；
图13为该光学***的变焦曲线图；
图14为本发明的光学***各透镜的参数；
图15为本发明S3、S5、S9、S16的非球面系数；
图16为本发明S11的衍射非球面系数；。
图中：1、第一弯月形正透镜；2、第一弯月形负透镜；3、双凹负透镜；4、双凸正透镜；5、第二弯月形正透镜；6、第二弯月形负透镜；7、第三弯月形正透镜；8、第四弯月形正透镜；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，在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系，仅是与本申请的附图对应，为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位。
结合附图1～3，一种微小型的中波制冷红外连续变焦光学***，靠近物空间的方向为物方，靠近像空间的方向为像方，从物方到像方的方向，透镜的两面依次为入射面和出射面，包含从物方至像方依次同光轴设置的第一弯月形正透镜1，第一弯月形负透镜2，双凹负透镜3，双凸正透镜4，第二弯月形正透镜5，第二弯月形负透镜6，第三弯月形正透镜7，第四弯月形正透镜8和红外探测器9；第一弯月形正透镜1、第一弯月形负透镜2、第二弯月形正透镜5、第二弯月形负透镜6均弯向像方设置；第三弯月形正透镜7、第四弯月形正透镜8均弯向物方设置；
如图13所示，为该连续变焦光学***的变焦曲线图，双凹负透镜3为变倍透镜，通过双凹负透镜3独立沿着光轴按预定关系移动来实现焦距变化，在由短焦15mm至长焦300mm的变化过程中双凹负透镜3由左向右远离第一弯月形负透镜，行程为24.2mm，双凸正透镜4为第一补偿透镜，第二弯月形正透镜5为第二补偿透镜，通过双凸正透镜4、第二弯月形正透镜5各自独立沿着光轴的运动来补偿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，双凸正透镜4的移动行程为15mm，第二弯月形正透镜5的移动行程为1.48mm，在由短焦15mm至长焦300mm的变化过程中双凸正透镜4、第二弯月形正透镜5均由右至左靠近第一弯月形负透镜；由图13可见，本发明光学***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；第一弯月形正透镜1，第一弯月形负透镜2，第二弯月形负透镜6，第三弯月形正透镜7，第四弯月形正透镜8为固定透镜，在变焦过程中保持原位不动。
一次像面位于第二弯月形负透镜6与第三弯月形正透镜7之间，在一次像面处设置视场光阑，可有效减少杂散光对***成像的影响，提高***的信噪比；出瞳处设有孔径光阑，孔径光阑与红外探测器的冷光阑重合，实现了100％冷光阑效率，减少了光束能量损失，提高了***灵敏度；根据需要，第一弯月形正透镜1的光学材料采用硅材料，第一弯月形负透镜2的光学材料采用单晶锗材料，双凹负透镜3的光学材料采用单晶锗材料，双凸正透镜4的光学材料采用硅材料，第二弯月形正透镜5的光学材料采用硒化锌材料，第二弯月形负透镜6的光学材料采用单晶锗材料，第三弯月形正透镜7的光学材料采用硅材料，第四弯月形正透镜8的光学材料采用单晶锗材料；
所述第一弯月形正透镜1，第一弯月形负透镜2，双凹负透镜3，双凸正透镜4，第二弯月形正透镜5，第二弯月形负透镜6，第三弯月形正透镜7，第四弯月形正透镜8的焦距满足以下条件：
3.0f≤f1≤3.2f，-17.0f≤f2≤-16.0f，-0.60f≤f3≤-0.50f，0.95f≤f4≤1.15f，3.2f≤f5≤3.6f，-0.9f≤f6≤-0.7f，0.3f≤f7≤0.5f，1.45f≤f8≤1.65f；
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为第一弯月形负透镜2的有效焦距；
f3为双凹负透镜3的有效焦距；
f4为双凸正透镜4的有效焦距；
f5为第二弯月形正透镜5的有效焦距；
f6为第二弯月形负透镜6的有效焦距；
f7为第三弯月形正透镜7的有效焦距；
f8为第四弯月形正透镜8的有效焦距；
所述第一弯月形负透镜2朝向物方一侧的表面S3、双凹负透镜3朝向物方一侧的表面S5、第二弯月形正透镜5朝向物方一侧的表面S9，第四弯月形正透镜(8)朝向像方一侧的表面S16均采用偶次非球面，面型方程为：
其中，z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距离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；
所述第二弯月形负透镜6朝向物方一侧的表面S11采用衍射非球面，非球面和衍射面作用于同一透镜表面，面型方程为：
其中，z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距离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；
在具体的光路传输中，由外界景物红外辐射所发出的光线经第一弯月形正透镜1会聚后到达第一弯月形负透镜2，经第一弯月形负透镜2发散后到达双凹负透镜3，经双凹负透镜3发散后到达双凸正透镜4，经双凸正透镜4会聚后到达第二弯月形正透镜5，经第二弯月形正透镜5会聚后到达第二弯月形负透镜6，经第二弯月形负透镜6发散后到达第三弯月形正透镜7，经第三弯月形正透镜7会聚后到达第四弯月形正透镜8，第四弯月形正透镜8会聚后成像在红外探测器9。
实施例一：
本发明光学***的技术指标为：
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：15mm～300mm；
视场：35.49°×28.72°～1.83°×1.47°；
光学总长(TTL)：≤137mm；
TTL(光学总长)/fmax(最长焦距)：≤0.46；
如图14所示，为本发明的光学***在焦距为15mm～300mm时各个透镜的详细数据(其包含各透镜的面型、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，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)；
如图15所示，为第一弯月形负透镜2朝向物方一侧的表面S3、双凹负透镜3朝向物方一侧的表面S5、第二弯月形正透镜5朝向物方一侧的表面S9，第四弯月形正透镜8朝向像方一侧的表面S16的非球面系数(表中采用科学计数法表示，例如-1.1072672e-007表示-1.1072672×10-7)；
如图16所述，为第二弯月形负透镜6朝向物方一侧表面S11的衍射非球面系数；
经过光学设计软件仿真，如图4、图5、图6所示，在空间频率为30lp/mm时，学***焦距为300mm、160mm、15mm状态下的传递函数均大于0.2；
如图7、图8、图9所示，学***焦距为300mm、160mm、15mm状态下的点列图，在各焦距状态下的弥散斑RMS值均与探测器像元尺寸相当；
如图10、图11、图12所示，光学***在焦距为300mm、160mm状态下的畸变小于3％，在15mm状态下畸变小于5％，满足应用要求。
本发明未详述部分为现有技术，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明；因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (6)
1.一种微小型的中波制冷红外连续变焦光学***，其特征是：包含从物方至像方依次同光轴设置的第一弯月形正透镜(1)，第一弯月形负透镜(2)，双凹负透镜(3)，双凸正透镜(4)，第二弯月形正透镜(5)，第二弯月形负透镜(6)，第三弯月形正透镜(7)，第四弯月形正透镜(8)和红外探测器(9)；具有光焦度的透镜总数为8片；第一弯月形正透镜(1)、第一弯月形负透镜(2)、第二弯月形正透镜(5)、第二弯月形负透镜(6)均弯向像方设置；第三弯月形正透镜(7)、第四弯月形正透镜(8)均弯向物方设置；第一弯月形正透镜(1)、第一弯月形负透镜(2)为前固定透镜，第二弯月形负透镜(6)，第三弯月形正透镜(7)，第四弯月形正透镜(8)为后固定透镜；双凹负透镜(3)为变倍透镜，通过双凹负透镜(3)沿着光轴的运动来实现焦距变化，双凸正透镜(4)为第一补偿透镜，第二弯月形正透镜(5)为第二补偿透镜，通过双凸正透镜(4)、第二弯月形正透镜(5)沿着光轴的运动来补偿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；所述第一弯月形正透镜(1)，第一弯月形负透镜(2)，双凹负透镜(3)，双凸正透镜(4)，第二弯月形正透镜(5)，第二弯月形负透镜(6)，第三弯月形正透镜(7)，第四弯月形正透镜(8)的焦距满足以下条件：
3.0f≤f1≤3.2f，-17.0f≤f2≤-16.0f，-0.60f≤f3≤-0.50f，0.95f≤f4≤1.15f，3.2f≤f5≤3.6f，-0.9f≤f6≤-0.7f，0.3f≤f7≤0.5f，1.45f≤f8≤1.65f；
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为第一弯月形负透镜(2)的有效焦距；
f3为双凹负透镜(3)的有效焦距；
f4为双凸正透镜(4)的有效焦距；
f5为第二弯月形正透镜(5)的有效焦距；
f6为第二弯月形负透镜(6)的有效焦距；
f7为第三弯月形正透镜(7)的有效焦距；
f8为第四弯月形正透镜(8)的有效焦距。
2.如权利要求1所述的微小型的中波制冷红外连续变焦光学***，其特征是：一次像面位于第二弯月形负透镜(6)与第三弯月形正透镜(7)之间。
3.如权利要求1所述的微小型的中波制冷红外连续变焦光学***，其特征是：出瞳处设有孔径光阑，孔径光阑与红外探测器的冷光阑重合。
4.如权利要求1所述的微小型的中波制冷红外连续变焦光学***，其特征是：所述第一弯月形正透镜(1)的光学材料采用硅材料，第一弯月形负透镜(2)的光学材料采用单晶锗材料，双凹负透镜(3)的光学材料采用单晶锗材料，双凸正透镜(4)的光学材料采用硅材料，第二弯月形正透镜(5)的光学材料采用硒化锌材料，第二弯月形负透镜(6)的光学材料采用单晶锗材料，第三弯月形正透镜(7)的光学材料采用硅材料，第四弯月形正透镜(8)的光学材料采用单晶锗材料。
5.如权利要求1所述的微小型的中波制冷红外连续变焦光学***，其特征是：所述第一弯月形负透镜(2)朝向物方一侧的表面S3、双凹负透镜(3)朝向物方一侧的表面S5、第二弯月形正透镜(5)朝向物方一侧的表面S9，第四弯月形正透镜(8)朝向像方一侧的表面S16均采用偶次非球面，面型方程为：
其中，z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距离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。
6.如权利要求1所述的微小型的中波制冷红外连续变焦光学***，其特征是：所述第二弯月形负透镜(6)朝向物方一侧的表面S11采用衍射非球面，非球面和衍射面作用于同一透镜表面，面型方程为：
其中，z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距离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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