CN114460730B - 一种超小型化机载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***技术领域的超小型化机载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，第一双凸正透镜，第二双凸正透镜，第二弯月形负透镜，第二弯月形正透镜，第三双凸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、第二弯月形负透镜均弯向像方设置；第二弯月形正透镜弯向物方设置；本发明的光学***第一弯月形正透镜前表面至像面的总长度为100mm，光学总长小，适用于对光学***体积、重量都有严苛要求的小型机载光电吊舱***中。
Description
技术领域
本发明涉及光学***技术领域，尤其是涉及一种超小型化机载中波制冷红外连续变焦光学***。
背景技术
小型无人机具有成本低、安全性好、质量轻、体积小、灵活、机动等突出特点，此外还具有翻山越岭、绕过街角实行近距离作战的能力，适合在地区冲突及反恐作战中在人口稠密的城镇环境下使用；当前，小型无人机携带微小型光电吊舱利用其装载的红外成像***，可以完成全天候的侦察、航拍等任务，可为地面部队进行侦察警戒和搜索行动，实时提供情报，在军民领域均得到了广泛应用；
机载光电/红外载荷是小型无人机最常见的基本任务执行单元，光电/红外载荷的特点是体积小、质量轻，借助弱光电荷耦合器件摄像机、热成像仪、红外传感器或前视红外***，无人机可在昼夜和恶劣的天气条件下进行拍照，并可转成数字信号，通过数据链及时传递给地面，完成监视、目标捕获等任务，能被动工作，不易被发现；
连续变焦红外光学***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；
然而，机载光电吊舱***集成度高，内部装载光电传感器多，用于实现宽频谱、多波段目标探测；由于微小型无人机搭载光电吊舱的重量是影响续航能力的重要因素，造成机载光电***的体积、重量受限，红外热像仪及其他光电传感器的小型化设计至关重要；因此，设计小型化红外成像***具有重要意义；然而，现有红外连续变焦光学***普遍存在积极大，重量重的缺陷，此种现象是本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
为了克服背景技术中的不足，本发明公开了一种超小型化机载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：
一种超小型化机载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，第一双凸正透镜，第二双凸正透镜，第二弯月形负透镜，第二弯月形正透镜，第三双凸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、第二弯月形负透镜均弯向像方设置；第二弯月形正透镜弯向物方设置；
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20mm至长焦200mm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，第一双凸正透镜为第一补偿透镜，第二双凸正透镜为第二补偿透镜，通过第一双凸正透镜、第二双凸正透镜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，在由短焦20mm至长焦200mm的变化过程中第一双凸正透镜、第二双凸正透镜均由右至左接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，第二弯月形正透镜和第三双凸正透镜为固定透镜，在变焦过程中保持原位不动。
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、第一双凸正透镜、第二双凸正透镜、第二弯月形负透镜、第二弯月形正透镜和第三双凸正透镜的焦距满足以下条件：
1.7f≤f1≤1.9f，-13.5f≤f2≤-12.0f，-0.30f≤f3≤-0.20f，0.40f≤f4≤0.50f，0.60f≤f5≤0.75f，-0.30f≤f6≤-0.20f，0.3f≤f7≤0.5f，0.30f≤f8≤0.50f；
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为第一双凸正透镜的有效焦距；
f5为第二双凸正透镜的有效焦距；
f6为第二弯月形负透镜的有效焦距；
f7为第二弯月形正透镜的有效焦距；
f8为第三双凸正透镜的有效焦距。
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二弯月形正透镜之间。
优选的，第一弯月形正透镜的光学材料采用单晶锗材料，第一弯月形负透镜的光学材料采用硅材料，双凹负透镜的光学材料采用单晶锗材料，第一双凸正透镜的光学材料采用硅材料，第二双凸正透镜的光学材料采用单晶锗材料，第二弯月形负透镜的光学材料采用硒化锌材料，第二弯月形正透镜的光学材料采用硅材料，第三双凸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朝向物方一侧的表面S1、双凹负透镜朝向物方一侧的表面S5、第二弯月形负透镜朝向物方一侧的表面S11，第一双凸正透镜朝向像方一侧的表面S8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，第三双凸正透镜朝向像方一侧的表面S16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：
本发明公开的一种超小型化机载中波制冷红外连续变焦光学***，实现了20mm～200mm的10倍连续变焦光学***，变倍组采用高折射率且光焦度为的锗透镜，有效缩短了变倍行程，该连续变焦光学***的光学总长为100mm，总长/最大焦距比为0.5，***光学总长小，适用于对光学***体积、重量都有严苛要求的小型机载光电吊舱***中；此外，本发明的光学***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。
附图说明
图1为本发明光学***焦距为200mm时的光路图；
图2为本发明光学***焦距为100mm时的光路图；
图3为本发明光学***焦距为20mm时的光路图；
图4为本发明光学***焦距为200mm时的传递函数图；
图5为本发明光学***焦距为100mm时的传递函数图；
图6为本发明光学***焦距为20mm时的传递函数图；
图7为本发明光学***焦距为200mm时的点列图；
图8为本发明光学***焦距为100mm时的点列图；
图9为本发明光学***焦距为20mm时的点列图；
图10为本发明光学***焦距为200mm时的场曲、畸变图；
图11为本发明光学***焦距为100mm时的场曲、畸变图；
图12为本发明光学***焦距为20mm时的场曲、畸变图；
图13为本发明光学***变焦曲线图；
图14为红外探测器参数(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)；
图15为本发明的光学***各透镜的参数；
图16为本发明S1、S5、S11、S8的非球面系数；
图17为本发明S16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、第一双凸正透镜；5、第二双凸正透镜；6、第二弯月形负透镜；7、第二弯月形正透镜；8、第三双凸正透镜；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1～3，一种超小型化机载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，第一双凸正透镜4，第二双凸正透镜5，第二弯月形负透镜6，第二弯月形正透镜7，第三双凸正透镜8和红外探测器9；根据需要，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、第一双凸正透镜4、第二双凸正透镜5、第二弯月形负透镜6、第二弯月形正透镜7和第三双凸正透镜8的焦距满足以下条件：
1.7f≤f1≤1.9f，-13.5f≤f2≤-12.0f，-0.30f≤f3≤-0.20f，0.40f≤f4≤0.50f，0.60f≤f5≤0.75f，-0.30f≤f6≤-0.20f，0.3f≤f7≤0.5f，0.30f≤f8≤0.50f；
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为第一双凸正透镜4的有效焦距；
f5为第二双凸正透镜5的有效焦距；
f6为第二弯月形负透镜6的有效焦距；
f7为第二弯月形正透镜7的有效焦距；
f8为第三双凸正透镜8的有效焦距；
所述第一弯月形正透镜1朝向物方一侧的表面S1、双凹负透镜3朝向物方一侧的表面S5、第二弯月形负透镜6朝向物方一侧的表面S11，第一双凸正透镜4朝向像方一侧的表面S8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；
第三双凸正透镜8朝向像方一侧的表面S16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；
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均弯向像方设置；第二弯月形正透镜7弯向物方设置；
如图13所示，为本发明连续变焦光学***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20mm至长焦200mm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2，第一双凸正透镜4为第一补偿透镜，第二双凸正透镜5为第二补偿透镜，通过第一双凸正透镜4、第二双凸正透镜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，在由短焦20mm至长焦200mm的变化过程中第一双凸正透镜4、第二双凸正透镜5均由右至左靠近第一弯月形负透镜2，从而实现变焦过程中的清晰成像，双凹负透镜3的行程为13.1mm，第一双凸正透镜4的行程为3.5mm，第二双凸正透镜5的行程为2.95mm；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，第二弯月形正透镜7和第三双凸正透镜8为固定透镜，在变焦过程中保持原位不动；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；根据需要，第一弯月形负透镜2的光学材料采用硅材料，双凹负透镜3的光学材料采用单晶锗材料，第一双凸正透镜4的光学材料采用硅材料，第二双凸正透镜5的光学材料采用单晶锗材料，第二弯月形负透镜6的光学材料采用硒化锌材料，第二弯月形正透镜7的光学材料采用硅材料，第三双凸正透镜8的光学材料采用单晶锗材料；
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发散后到达第一双凸正透镜4，经第一双凸正透镜4会聚后到达第二双凸正透镜5，经第二双凸正透镜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发散后到达第二弯月形正透镜7，经第二弯月形正透镜7会聚后到达第三双凸正透镜8，第三双凸正透镜8会聚后成像在红外探测器9；一次像面位于第二弯月形负透镜6与第二弯月形正透镜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；在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。
实施例一：
本发明光学***的具体技术指标如图14所示；
如图15所示，本实施例中光学***在焦距为20mm～200mm时各透镜的详细数据(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16所示，本实施例中第一弯月形正透镜1朝向物方一侧的表面S1、双凹负透镜3朝向物方一侧的表面S5、第二弯月形负透镜6朝向物方一侧的表面S11，第一双凸正透镜4朝向像方一侧的表面S8的非球面系数(图中采用科学计数法表示，例如-3.284985e-007表示-3.284985×10-7)；
如图17所示(图中采用科学计数法表示)，本实施例中第三双凸正透镜8朝向像方一侧的表面S16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，在红外探测器特征频率为33lp/mm时，本发明光学***焦距为200mm、100mm、20mm状态下的传递函数均接近0.2；
如图7、图8、图9所示，本发明光学***焦距为200mm、100mm、20mm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200mm、100mm状态下的畸变小于2％，在20mm状态下畸变小于4％，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)
1.一种超小型化机载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)，第一双凸正透镜(4)，第二双凸正透镜(5)，第二弯月形负透镜(6)，第二弯月形正透镜(7)，第三双凸正透镜(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)、第二弯月形负透镜(6)的像侧面为凹面；第二弯月形正透镜(7)的物侧面为凹面；
双凹负透镜(3)为变倍透镜，通过双凹负透镜(3)沿光轴移动来实现焦距变化，第一双凸正透镜(4)为第一补偿透镜，第二双凸正透镜(5)为第二补偿透镜，通过第一双凸正透镜(4)、第二双凸正透镜(5)各自独立沿着光轴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；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)，第二弯月形正透镜(7)和第三双凸正透镜(8)为后固定透镜；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)、第一双凸正透镜(4)、第二双凸正透镜(5)、第二弯月形负透镜(6)、第二弯月形正透镜(7)和第三双凸正透镜(8)的焦距满足以下条件：1.7f≤f1≤1.9f，-13.5f≤f2≤-12.0f，-0.30f≤f3≤-0.20f，0.40f≤f4≤0.50f，0.60f≤f5≤0.75f，-0.30f≤f6≤-0.20f，0.3f≤f7≤0.5f，0.30f≤f8≤0.50f；
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为第一双凸正透镜(4)的有效焦距；
f5为第二双凸正透镜(5)的有效焦距；
f6为第二弯月形负透镜(6)的有效焦距；
f7为第二弯月形正透镜(7)的有效焦距；
f8为第三双凸正透镜(8)的有效焦距。
2.如权利要求1所述的超小型化机载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)与第二弯月形正透镜(7)之间。
3.如权利要求1所述的超小型化机载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，该孔径光阑与红外探测器的冷光阑重合。
4.如权利要求1所述的超小型化机载中波制冷红外连续变焦光学***，其特征是：第一弯月形正透镜(1)的光学材料采用单晶锗材料，第一弯月形负透镜(2)的光学材料采用硅材料，双凹负透镜(3)的光学材料采用单晶锗材料，第一双凸正透镜(4)的光学材料采用硅材料，第二双凸正透镜(5)的光学材料采用单晶锗材料，第二弯月形负透镜(6)的光学材料采用硒化锌材料，第二弯月形正透镜(7)的光学材料采用硅材料，第三双凸正透镜(8)的光学材料采用单晶锗材料。
5.如权利要求1所述的超小型化机载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)朝向物方一侧的表面S1、双凹负透镜(3)朝向物方一侧的表面S5、第二弯月形负透镜(6)朝向物方一侧的表面S11，第一双凸正透镜(4)朝向像方一侧的表面S8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所述的超小型化机载中波制冷红外连续变焦光学***，其特征是：第三双凸正透镜(8)朝向像方一侧的表面S16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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