CN117706747A - 大变倍比超紧凑型中波制冷红外三组元连续变焦光学*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大变倍比超紧凑型中波制冷红外三组元连续变焦光学***，其特征在于，依次包含主物镜、拉虚镜，变倍镜组、补偿组一、补偿组二、后固定组透镜一、后固定组透镜二和后固定组透镜三；物方成像光束依次经过主物镜、拉虚镜，变倍镜组、补偿组一、补偿组二、后固定组透镜一、后固定组透镜二、后固定组透镜三成像在探测器上；连续变焦时，变倍镜组、补偿组一和补偿组二，形成三个变焦组元运动机构，三个组元分别沿光轴做相对运动，得到全焦段清晰的像，其中变倍镜组做非线性运动，补偿组一、补偿组二分别做线性运动。本发明具有体积小、重量轻结构简单，集成度高等特点，全焦段具有良好的成像质量。

Description

大变倍比超紧凑型中波制冷红外三组元连续变焦光学***

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种大变倍比超紧凑型中波制冷红外三组元连续变焦光学***。

背景技术

中波红外连续变焦镜头兼顾大视场搜索和小视场分辨目标图像不会丢失，同时实现全天候兼顾对目标的捕获、跟踪、监视与标定，图像有良好的稳定性和连续性，且能够保持清晰，在各种光电载荷都有较多的应用。

目前机载成像***使用环境越来越复杂，对目标既能作大区域小倍率的全景搜索，又能作小区域大倍率的放大观察，且搜索跟踪范围越来越广，相应连续变焦变倍比尽可能大，探测距离大，分辨率高，光学畸变尽可能小，以提高竞争力。而机载设备一般空间有限，这会要求镜头体积尽可能小、重量尽可能轻。传统的机械补偿式变焦距镜头的光学结构形式由前固定组、变倍组、补偿组和后固定组四个组元顺序构成。但是这种光学机构会造成光学总长较长，从而使体积增大，且变倍比小、分辨率较低、图像质量不佳，特别是不适用空间极其紧凑的机载环境。

发明内容

本发明主要目的在于提供一种结构简单，集成度高，全焦段成像清晰的大变倍比超紧凑型中波制冷红外三组元连续变焦光学***。

本发明所采用的技术方案是：

提供一种大变倍比超紧凑型中波制冷红外三组元连续变焦光学***，依次包含主物镜、拉虚镜，变倍镜组、补偿组一、补偿组二、后固定组透镜一、后固定组透镜二和后固定组透镜三；

物方成像光束依次经过主物镜、拉虚镜，变倍镜组、补偿组一、补偿组二、后固定组透镜一、后固定组透镜二、后固定组透镜三成像在探测器上；

连续变焦时，变倍镜组和补偿组一、补偿组二，形成三个变焦组元运动机构，三个组元沿光轴分别做相对运动，得到全焦段清晰的像，其中变倍镜组做非线性运动，补偿组一、补偿组二分别做线性运动。

接上述技术方案，光学***焦距为f，变倍镜组焦距为f1，补偿组一焦距为f2，补偿组二焦距为f3，三个组元与光学***满足关系式：-39.5≤f/f1≤-0.73，0.39≤f/f2≤20，-0.94≤f/f3≤-0.017。

接上述技术方案，光线入射方向为物方，光线出射方向为像方，主物镜为一片凸面向物方的弯月形硅正透镜，拉虚镜为一片凸面向像方的弯月形锗负透镜，变倍组为一片双凹硅负透镜，补偿组一为一片双凸锗正透镜，补偿组二为一片凸面向物方的弯月形硅正透镜，后固定组透镜一为一片凸面向像方的弯月形硒化锌正透镜，后组透镜二为凸面朝向像方的弯月形硅正透镜，后固定组透镜三为凸面朝向像方的弯月形锗正透镜。

接上述技术方案，拉虚镜的一面锗基底的非球面衍射面，变倍镜组的一面为硅基底的非球面，补偿组一的一面为锗基底的非球面，补偿组二的一面为硅基底的非球面，后固定组透镜一的一面硒化锌基底的非球面，后组透镜三的一面分别为锗基底的非球面。

接上述技术方案，拉虚镜的凸面向像方，主物镜的凸面向物方，主物镜与拉虚镜为对弯形式。

接上述技术方案，全焦段范围内，变倍镜组、补偿组一、补偿组二所运动的三组变焦曲线均平滑无拐点。

接上述技术方案，沿光轴方向，变倍镜组第一面顶点距离拉虚镜第二面顶点的距离为10.8mm～80.76mm，变倍镜组第二面顶点距离补偿组一第一面顶点的距离为104.52mm～3.6mm，补偿组一第二面顶点距离补偿组二第一面顶点的距离为12.54mm～33.59mm，补偿组二第二面顶点距离后固定组透镜一第一面顶点的距离为21.13mm～31.05mm，且在连续变焦的过程中拉虚镜第二面顶点距离后固定组透镜一第一面顶点的距离不发生改变。

接上述技术方案，镜头的焦距范围为15mm～800mm。

接上述技术方案，光圈F数为4。

接上述技术方案，整个光学***长度为278mm。

本发明还提供一种中波制冷探测器，其用于感知上述技术方案所述的大变倍比超紧凑型中波制冷红外三组元连续变焦光学***的出射光。

本发明产生的有益效果是：本专利设计的大变倍比超紧凑型中波制冷红外三组元连续变焦光学***，建立三组元超紧凑连续变焦结构形式，连续变焦时，变倍镜组和补偿组一、补偿组二，形成三个变焦组元运动机构，三个组元沿光轴分别做相对运动，得到全焦段清晰的像，其中变倍镜组做非线性运动，补偿组一、补偿组二分别做线性运动。该光学***焦距与总长比<0.4，且连续变焦变倍比53×，实现大变倍比超紧凑三组元结构形式。

进一步地，巧妙利用材料搭配以及特殊面型相互交叉使用，减少透镜数量。利用后组透镜整组调焦功能，可提高设备可靠性、环境适应性。

进一步地，主物镜与拉虚镜对弯形式，可有效降低拉虚镜上冷反射风险，同时防止拉虚镜轴向移动，进行场景非均匀校正时，可能存在鬼像的问题。

进一步地，从物方到像方共8片透镜，实现在焦距范围为15mm～800mm清晰成像，且***总长仅为278mm，变倍比53×，***焦距总长比<0.4，结构简单，集成度高，全焦段成像清晰。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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他的附图。

图1本发明实施例大变倍比超紧凑型中波制冷红外三组元连续变焦光学***示意图；

图2本发明实施例大变倍比超紧凑型中波制冷红外三组元连续变焦光学***不同焦位光路图；

图3本发明实施例大变倍比超紧凑型中波制冷红外续三组元变焦光学***不同焦位光学***传递函数图；

图4本发明实施例大变倍比超紧凑型中波制冷红外三组元续变焦光学***不同焦位光学***弥散斑图；

图5本发明实施例大变倍比超紧凑型中波制冷红外三组元连续变焦光学***三组元凸轮结构曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，本发明实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，因此图式中仅显示与本发明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。

在本发明中，还需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等，其所指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”仅用于描述和区分目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明大变倍比超紧凑型中波制冷红外三组元连续变焦光学***，其特征在于，①建立三组元超紧凑连续变焦结构形式，该***焦距与总长比<0.4，连续变焦变倍比53×；②巧妙利用材料搭配以及特殊面型相互交叉使用，减少透镜数量；③后组透镜整组调焦功能，提高设备可靠性、环境适应性。④主物镜与拉虚镜对弯形式，可有效降低拉虚镜上冷反射风险，同时防止拉虚镜轴向移动，进行场景非均匀校正时，可能存在鬼像的问题。从物方到像方共8片透镜，实现在焦距范围为15mm～800mm清晰成像，且***总长仅为278mm，变倍比53×，结构简单，集成度高，全焦段成像清晰。

如图1所示，本发明实施例超紧凑型中波制冷红外三组元连续变焦光学***示意，包括主物镜1、拉虚镜2、变倍镜组3、补偿组一4、补偿组二5、后固定组透镜一6、后固定组透镜二7、后固定组透镜三8。

物方成像光束依次经过主物镜1、拉虚镜2、变倍镜组3、补偿组一4、补偿组二5、后固定组透镜一6、后固定组透镜二7、后固定组透镜三8成像在探测器上。若光学***焦距为f，变倍镜组焦距为f1，补偿组一焦距为f2，补偿组二焦距为f3，三个组元与光学***满足关系式：-39.5≤f/f1≤-0.73，0.39≤f/f2≤20，-0.94≤f/f3≤-0.017。

本发明通过全焦段变倍主要靠变倍镜组和补偿组一实现，这两组元相对移动，焦距发生剧烈变化，补偿组二小范围移动，进一步消除焦距漂移带来的像差。负组变倍焦距小，补偿组一为正透镜，焦距小，这两组轴向移动对***焦距影响大。补偿组二为负透镜，焦距大，对整个***影响小，在焦距发生变化时，进一步补偿变倍过程带来的像差。

本发明通过三个变焦组元运动机构(一个变倍镜组及两个补偿组)形式实现工作焦段范围连续变焦，用变倍镜组3和补偿组一4、补偿组二5分别沿光轴前后相对运动的方式，变倍镜3做非线性运动，补偿组一4、二5分别做线性运动，得到全焦段清晰的像。图1中光学器件实线为短焦位置，虚线为长焦位置。

进一步地，大变倍比超紧凑型中波制冷红外三组元连续变焦光学***，其特征在于，光学透镜材料仅采用硅和锗、硒化锌。光线入射方向为物方，光线出射方向为像方，主物镜为一片凸面向物方的弯月形硅正透镜，拉虚镜为一片凸面向像方的弯月形锗负透镜，变倍镜组为一片双凹硅负透镜，补偿组一为一片双凸锗正透镜，补偿组二为一片凸面向物方的弯月形硅正透镜，后固定组透镜一为一片凸面向像方的弯月形硒化锌正透镜，后组透镜二为凸面朝向像方的弯月形硅正透镜，后固定组透镜三为凸面朝向像方的弯月形锗正透镜。

大变倍比超紧凑型中波制冷红外三组元连续变焦光学***，其特征在于，拉虚镜的第一面为锗基底的非球面衍射面，变倍镜组的第二面为硅基底的非球面，补偿组一的第一面为锗基底的非球面，补偿组二的第一面为硅基底的非球面，后固定组透镜一的第二面硒化锌基底的非球面，后组透镜三的第二面分别为为锗基底的非球面。

进一步地，设计时严格控制拉虚镜形状，将其设计为凸面向像方的形式，这种主物镜与拉虚镜对弯形式，可有效降低拉虚镜上冷反射风险，防止拉虚镜轴向移动，进行场景非均匀校正时，可能存在鬼像的问题。

镜头采用三组元机械补偿变焦的方式，全焦段范围内三组变焦曲线平滑无拐点，适于加工和装调。

进一步地，沿光轴方向，变倍镜组第一面顶点距离拉虚镜第二面顶点的距离为10.8mm～80.76mm，变倍镜组第二面顶点距离补偿组一第一面顶点的距离为104.52mm～3.6mm，补偿组一第二面顶点距离补偿组二第一面顶点的距离为12.54mm～33.59mm，补偿组二第二面顶点距离后固定组透镜一第一面顶点的距离为21.13mm～31.05mm，即在连续变焦的过程中拉虚镜第二面顶点距离后固定组透镜一第一面顶点的距离不发生改变。

镜头的焦距范围为15mm～800mm清晰成像，且***总长仅为278mm，变倍比53×。

本发明采用后组整组调焦，实现近距离及-40℃～+65℃范围内具有良好的成像质量，提高设备稳定性及环境适应性。

本发明的光学***镜头的分辨率高，能够适用于大靶面高分辨率640×512，F4中波制冷探测器。

图2为大变倍比超紧凑型中波制冷红外三组元连续变焦光学***不同焦位光路图，图2(a)为超紧凑三组元连续变焦光学***短焦(15mm)焦段光线图，图2(b)为超紧凑三组元连续变焦光学***中焦(350mm)焦段光线图，图2(c)为超紧凑三组元连续变焦光学***长焦(800mm)焦段光线图。

图3为大变倍比超紧凑型中波制冷红外三组元连续变焦光学***传递函数曲线图，其横坐标为每毫米的线对数，纵坐标为对比度数值，其中：图3(a)为超紧凑三组元连续变焦光学***短焦(15mm)在32lp/mm时的传递函数曲线图，图3(b)为超紧凑三组元连续变焦光学***中焦(350mm)在32lp/mm时传递函数曲线图，图3(c)为超紧凑三组元连续变焦光学***长焦(800mm)在32lp/mm时传递函数曲线图。

图4为大变倍比超紧凑型中波制冷红外三组元连续变焦光学***弥散斑图，其中：图4(a)为超紧凑三组元连续变焦光学***短焦(15mm)弥散斑图，图4(b)为超紧凑三组元连续变焦光学***中焦(350mm)弥散斑图，图4(c)为超紧凑三组元连续变焦光学***长焦(800mm)弥散斑图。

图5为大变倍比超紧凑型中波制冷红外三组元连续变焦光学***三组元凸轮结构图，三组凸轮曲线平滑，无明显拐点。

该光学***具体设计参数如下表1所示：

表1具体实施例大变倍比超紧凑型三组元中波红外连续变焦***设计参数表

综上，本发明的大变倍比紧凑型三组元中波制冷红外连续变焦光学***为三组元超紧凑连续变焦结构形式，其长焦距与总长比<0.4，连续变焦变倍比53×；设计时巧妙利用材料搭配以及特殊面型相互交叉使，减少透镜数量；为简化运动机构，提高设备可靠性，使用时补偿镜二兼具补偿及调焦功能；从物方到像方共8片透镜，实现在焦距范围为15mm～800mm清晰成像，且***总长仅为278mm，变倍比53×，***满足100％冷光阑效率，光机结构简单、体积小、重量轻，结构简单，集成度高，全焦段具有良好的成像质量，使其在桅杆类、吊舱类光电设备具有良好的应用前景。

需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。

上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种大变倍比超紧凑型中波制冷红外三组元连续变焦光学***，其特征在于，依次包含主物镜、拉虚镜，变倍镜组、补偿组一、补偿组二、后固定组透镜一、后固定组透镜二和后固定组透镜三；

物方成像光束依次经过主物镜、拉虚镜，变倍镜组、补偿组一、补偿组二、后固定组透镜一、后固定组透镜二、后固定组透镜三成像在探测器上；

连续变焦时，变倍镜组和补偿组一、补偿组二，形成三个变焦组元运动机构，三个组元沿光轴分别做相对运动，得到全焦段清晰的像；其中，变倍镜组做非线性运动，补偿组一和补偿组二分别做线性运动；

若光学***焦距为f，变倍镜组焦距为f1，补偿组一焦距为f2，补偿组二焦距为f3，则三个组元与光学***满足关系式：-39.5≤f/f1≤-0.73，0.39≤f/f2≤20，-0.94≤f/f3≤-0.017。

2.根据权利要求1所述的大变倍比超紧凑型中波制冷红外三组元连续变焦光学***，其特征在于，光线入射方向为物方，光线出射方向为像方，主物镜为一片凸面向物方的弯月形硅正透镜，拉虚镜为一片凸面向像方的弯月形锗负透镜，变倍镜组为一片双凹硅负透镜，补偿组一为一片双凸锗正透镜，补偿组二为一片凸面向物方的弯月形硅正透镜，后固定组透镜一为一片凸面向像方的弯月形硒化锌正透镜，后组透镜二为凸面朝向像方的弯月形硅正透镜，后固定组透镜三为凸面朝向像方的弯月形锗正透镜。

3.根据权利要求1所述的大变倍比超紧凑型中波制冷红外三组元连续变焦光学***，其特征在于，拉虚镜的一面锗基底的非球面衍射面，变倍镜组的一面为硅基底的非球面，补偿组一的一面为锗基底的非球面，补偿组二的一面为硅基底的非球面，后固定组透镜一的一面硒化锌基底的非球面，后组透镜三的一面分别为锗基底的非球面。

4.根据权利要求1所述的大变倍比超紧凑型中波制冷红外三组元连续变焦光学***，其特征在于，拉虚镜的凸面向像方，主物镜的凸面向物方，主物镜与拉虚镜为对弯形式。

5.根据权利要求1所述的大变倍比超紧凑型中波制冷红外三组元连续变焦光学***，其特征在于，全焦段范围内，变倍镜组、补偿组一、补偿组二所运动的三组变焦曲线均平滑无拐点。

6.根据权利要求1所述的大变倍比超紧凑型中波制冷红外三组元连续变焦光学***，其特征在于，沿光轴方向，变倍镜组第一面顶点距离拉虚镜第二面顶点的距离为10.8mm～80.76mm，变倍镜组第二面顶点距离补偿镜一第一面顶点的距离为104.52mm～3.6mm，补偿组一第二面顶点距离补偿组二第一面顶点的距离为12.54mm～33.59mm，补偿组二第二面顶点距离后固定组透镜一第一面顶点的距离为21.13mm～31.05mm，且在连续变焦的过程中拉虚镜第二面顶点距离后固定组透镜一第一面顶点的距离不发生改变。

7.根据权利要求1所述的大变倍比超紧凑型中波制冷红外三组元连续变焦光学***，其特征在于，镜头的焦距范围为15mm～800mm。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的大变倍比超紧凑型中波制冷红外三组元连续变焦光学***，其特征在于，光圈F数为4。

9.根据权利要求1-7中任一项所述的大变倍比超紧凑型中波制冷红外三组元连续变焦光学***，其特征在于，整个光学***长度为278mm。

10.一种中波制冷探测器，其特征在于，其用于感知权利要求1-7中任一项所述的大变倍比超紧凑型中波制冷红外三组元连续变焦光学***的出射光。