CN211878294U - 一种简易机载长波双视场两档变焦红外光学*** - Google Patents

Abstract

一种简易机载长波双视场两档变焦红外光学***，前固定组为一片弯月形正透镜，透镜凸面朝向物方，凹面朝向变倍组，凹面为偶次非球面；变倍组为一片双凹面负透镜，透镜两个凹面分别朝向前固定组和第一固定组，变倍组能够沿光路前后移动，通过双凹面负透镜实现变焦和调焦；第一固定组为一片弯月形正透镜，透镜凸面朝向变倍组，凹面朝向第二固定组，凹面为偶次非球面，第一固定组的孔径光阑位于透镜凹面且在变焦过程中保持恒定；第二固定组为一片弯月形正透镜，透镜凸面朝向第一固定组，凹面朝向探测器的感光表面。本实用新型具有光学总长短、体积小、便于携带、装调简单、成本低以及像质高的优点。

Description

一种简易机载长波双视场两档变焦红外光学***

技术领域

本实用新型属于红外探测领域，涉及一种简易机载长波双视场两档变焦红外光学***。

背景技术

随着科学技术的发展，红外光学***被广泛应用于军事领域中。常用的红外***有连续变焦光学***和两档变焦光学***。其中，两档变焦光学***具有结构简单、透射率高、体积小等优点，既能够实现长焦距高分辨率成像，又能够实现宽视场搜索成像，因此被广泛应用于光电侦查设备中。而目前国内所使用的机载长波双视场两档变焦红外光学***普遍存在许多问题，归结起来包括：镜片数量多、镜片材料普遍使用比较昂贵的硫系玻璃、镜片面型使用三面以上的偶次非球面和一面衍射球面(这两种面型镜片价格昂贵，尤其是衍射球面)、镜片加工复杂以及光学***装调复杂等等。因此，研发设计一款镜片少、低成本、装调简单的机载长波双视场两档变焦红外光学***是行业未来重要的一个发展方向。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对上述现有技术中机载两档变焦光学***结构和装调复杂、成本昂贵的问题，提供一种简易机载长波双视场两档变焦红外光学***，具有光学总长短、体积小、便于携带、装调简单、成本低以及像质高的优点，更易于装配各种飞机光电吊舱。

为了实现上述目的，本实用新型的一种简易机载长波双视场两档变焦红外光学***，包括从物方到像方依次设置的前固定组、变倍组、第一固定组、第二固定组以及探测器；

前固定组为一片弯月形正透镜，透镜凸面朝向物方，凹面朝向变倍组，凹面为偶次非球面；变倍组为一片双凹面负透镜，透镜两个凹面分别朝向前固定组和第一固定组，变倍组能够沿光路前后移动，通过双凹面负透镜实现变焦和调焦功能，进而达到宽、窄双视场的切换；第一固定组为一片弯月形正透镜，透镜凸面朝向变倍组，凹面朝向第二固定组，凹面为偶次非球面，第一固定组的孔径光阑位于透镜凹面，且在光学***变焦过程中保持恒定；第二固定组为一片弯月形正透镜，透镜凸面朝向第一固定组，凹面朝向探测器的感光表面。

作为优选，在本实用新型简易机载长波双视场两档变焦红外光学***的一种实施例中，所述前固定组的透镜凸面镀类金刚碳膜；所述前固定组的透镜凹面以及变倍组、第一固定组、第二固定组的透镜前后两个表面上镀工作波长8um～12um的增透膜。

作为优选，在本实用新型简易机载长波双视场两档变焦红外光学***的一种实施例中，变倍组沿光路前后移动的行程为27.326mm；探测器采用17um像元大小的非制冷长波红外探测器，分辨率为640*512，光学总长为100mm，最大口径为71.932mm。

作为优选，在本实用新型简易机载长波双视场两档变焦红外光学***的一种实施例中，两档变焦的焦距为20～60mm，光学F数为1.2，视场角范围为19.215°～6.236°；后截距为6.735mm；工作波长为8～12um；全视场平均传递函数值MTF>0.35@30lp/mm。

作为优选，在本实用新型简易机载长波双视场两档变焦红外光学***的一种实施例中，前固定组、变倍组、第一固定组以及第二固定组均采用锗单晶透镜。

作为优选，在本实用新型简易机载长波双视场两档变焦红外光学***的一种实施例中，对于前固定组与第一固定组的凹面，其偶次非球面表达式如下：

其中，c为近轴部分顶点曲率半径，r为曲率半径，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，k为Conic圆锥系数，a_n为偶次非球面系数，n为正整数。

作为优选，在本实用新型简易机载长波双视场两档变焦红外光学***的一种实施例中，前固定组的凹面S2与第一固定组的凹面S6的偶次非球面系数如下表：

作为优选，在本实用新型简易机载长波双视场两档变焦红外光学***的一种实施例中，前固定组、变倍组、第一固定组、第二固定组的透镜光学结构参数如下：

在上表中，表面S1为前固定组的凸面，表面S2为前固定组的凹面，表面S3为变倍组的前凹面，表面S4为变倍组的后凹面，表面S5为第一固定组的凸面，表面S6为第一固定组的凹面，表面S7为第二固定组的凸面，表面S8为第二固定组的凹面。

相较于现有技术，本实用新型的红外光学***中只需要设置四片透镜，前固定组具有正光焦度，变倍组具有负光焦度，第一固定组和第二固定组具有正光焦度，在四片透镜当中，只有前固定组的透镜凹面以及第一固定组的透镜凹面为非球面，通过能够沿光路前后移动的变倍组双凹面负透镜实现变焦和调焦功能，第一固定组的孔径光阑位于透镜凹面，在光学***变焦过程中保持恒定。本实用新型结构紧凑，镜片数量少，对装调和结构设计带来很大的方便性，同时能够保证变焦过程中光轴的稳定性，易于装配至各种飞机光电吊舱。

附图说明

图1为本实用新型在20mm短焦距时光学***示意图；

图2为本实用新型在20mm短焦距时点列图；

图3为本实用新型在20mm短焦距时光学传递函数MTF图(截止分辨率为30lp/mm)；

图4为本实用新型在20mm短焦距时光学***的能量分布曲线图；

图5为本实用新型在20mm短焦距时光学***的场曲和畸变曲线图；

图6为本实用新型在60mm短焦距时光学***示意图；

图7为本实用新型在60mm短焦距时点列图；

图8为本实用新型在60mm短焦距时光学传递函数MTF图(截止分辨率为30lp/mm)；

图9为本实用新型在60mm短焦距时光学***的能量分布曲线图；

图10为本实用新型在60mm短焦距时光学***的场曲和畸变曲线图；

附图中：L1-前固定组；L2-变倍组；L3-第一固定组；L4-第二固定组。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步的详细说明。

参见图1，图6，分别对应本实用新型红外光学***在长焦和短焦时的光学***图，图中S1～S8是L1、L2、L3和L4各个表面，S1为前固定组L1的凸面，S2为前固定组L1的凹面，S3为变倍组L2的前凹面，S4为变倍组L2的后凹面，S5为第一固定组L3的凸面，S6为第一固定组L3的凹面，S7为第二固定组L4的凸面，S8为第二固定组L4的凹面。

本实用新型的一种简易机载长波双视场两档变焦红外光学***，包括从物方到像方依次设置的前固定组L1、变倍组L2、第一固定组L3、第二固定组L4以及探测器。

前固定组L1为一片弯月形正透镜，透镜凸面朝向物方，凹面朝向变倍组L2，凹面为偶次非球面。变倍组L2为一片双凹面负透镜，透镜的两个凹面分别朝向前固定组L1和第一固定组L3，变倍组L2能够沿光路前后移动，通过双凹面负透镜实现变焦和调焦功能，进而达到宽、窄双视场的切换。第一固定组L3为一片弯月形正透镜，透镜凸面朝向变倍组L2，凹面朝向第二固定组L4，凹面为偶次非球面，第一固定组L3的孔径光阑位于透镜凹面，且在光学***变焦过程中保持恒定。第二固定组L4为一片弯月形正透镜，透镜凸面朝向第一固定组L3，凹面朝向探测器的感光表面。前固定组L1、变倍组L2、第一固定组L3以及第二固定组L4均采用锗单晶透镜。前固定组L1的透镜凸面镀类金刚碳膜，前固定组L1的透镜凹面以及变倍组L2、第一固定组L3、第二固定组L4的透镜前后两个表面上镀工作波长8um～12um的增透膜。变倍组L2沿光路前后移动的行程为27.326mm；探测器采用17um像元大小的非制冷长波红外探测器，分辨率为640*512，光学总长为100mm，最大口径为71.932mm。

本实用新型提供的这种简易机载长波双视场两档变焦红外光学***，镜头两档变焦的焦距为20～60mm，光学F数为1.2，镜头视场角范围为19.215°～6.236°；镜头后截距为6.735mm；镜头工作波长为8～12um；全视场平均传递函数值MTF>0.35@30lp/mm。

本实用新型在两档焦距情况下的透镜光学结构参数如下表：

在本实用新型所提供的简易机载长波双视场两档变焦红外光学***一种实施例中，只有前固定组L1与第一固定组L3的凹面S2、S6为偶次非球面，其偶次非球面表达式如下：

其中，c为近轴部分顶点曲率半径，r为曲率半径，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，k为Conic圆锥系数，a_n为偶次非球面系数，n为正整数。

在所有偶次非球面使用面型当中，始终约定俗成的保持2次项系数为0。这样做的原因是2次项的引入将带来r和Conic圆锥系数设计值的变动，也就是说焦距和Conic圆锥系数的值都因为2次项的引入而产生复杂变化，导致最终测量也会出现问题。

进一步的，前固定组的凹面S2与第一固定组的凹面S6的偶次非球面系数如下表：

表面	a<sub>4</sub>	a<sub>6</sub>	a<sub>8</sub>
				S2	-5171E-006	-1.166E-011	-2.291E-15
S6	1.048E-006	-1.131E-010	-3.970E-13

参考图2到图5为本实用新型实施例中图1所示一种简易机载长波双视场两档变焦红外光学***在短焦距20mm状态时的像差分析图，其中，图2为点列图；图3为光学传递函数MTF图；图4为能量分布曲线图；图5为场曲和畸变曲线图；

参考图7到图10为本实用新型实施例中图6所示一种简易机载长波双视场两档变焦红外光学***在短焦距60mm状态时的像差分析图，其中，图7为点列图；图8为光学传递函数MTF图；图9为能量分布曲线图；图10为场曲和畸变曲线图；

从图中可以发现，在两档变焦的各个焦距情况下，各种像差得到很好的校正，其中光学弥散斑的RMS大小都接近艾利斑的RMS大小；同时光学传递函数MTF接近衍射极限，畸变小于9％；能量集中在探测器的一个像元内，且能量大于95％，满足***使用要求。

可见，本实用新型长波双视场两档变焦红外光学***具有良好的成像质量。本实用新型的光学***光学总长短，体积小，便于携带，装调简单，成本低，像质高，经济适用。

以上内容仅仅是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。而对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，这些简单的推演和替换都应当视为属于本实用新型由权利要求所划定的保护范围。

Claims (8)

1.一种简易机载长波双视场两档变焦红外光学***，其特征在于：包括从物方到像方依次设置的前固定组(L1)、变倍组(L2)、第一固定组(L3)、第二固定组(L4)以及探测器；

所述的前固定组(L1)为一片弯月形正透镜，透镜凸面朝向物方，凹面朝向变倍组(L2)，凹面为偶次非球面；所述的变倍组(L2)为一片双凹面负透镜，透镜两个凹面分别朝向前固定组(L1)和第一固定组(L3)，变倍组(L2)能够沿光路前后移动，通过双凹面负透镜实现变焦和调焦功能，进而达到宽、窄双视场的切换；所述的第一固定组(L3)为一片弯月形正透镜，透镜凸面朝向变倍组(L2)，凹面朝向第二固定组(L4)，凹面为偶次非球面，第一固定组(L3)的孔径光阑位于透镜凹面，且在光学***变焦过程中保持恒定；所述的第二固定组(L4)为一片弯月形正透镜，透镜凸面朝向第一固定组(L3)，凹面朝向探测器的感光表面。

2.根据权利要求1所述简易机载长波双视场两档变焦红外光学***，其特征在于：前固定组(L1)的透镜凸面镀类金刚碳膜，前固定组(L1)的透镜凹面以及变倍组(L2)、第一固定组(L3)、第二固定组(L4)的透镜前后两个表面上镀工作波长8um～12um的增透膜。

3.根据权利要求1所述简易机载长波双视场两档变焦红外光学***，其特征在于：

变倍组(L2)沿光路前后移动的行程为27.326mm；探测器采用17um像元大小的非制冷长波红外探测器，分辨率为640*512，光学总长为100mm，最大口径为71.932mm。

4.根据权利要求1所述简易机载长波双视场两档变焦红外光学***，其特征在于：

两档变焦的焦距为20～60mm，光学F数为1.2，视场角范围为19.215°～6.236°；后截距为6.735mm；工作波长为8～12um；全视场平均传递函数值MTF>0.35@30lp/mm。

5.根据权利要求1所述简易机载长波双视场两档变焦红外光学***，其特征在于：前固定组(L1)、变倍组(L2)、第一固定组(L3)以及第二固定组(L4)均采用锗单晶透镜。

6.根据权利要求1所述简易机载长波双视场两档变焦红外光学***，其特征在于：

对于前固定组(L1)与第一固定组(L3)的凹面，其偶次非球面表达式如下：

其中，c为近轴部分顶点曲率半径，r为曲率半径，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，k为Conic圆锥系数，a_n为偶次非球面系数，n为正整数。

7.根据权利要求6所述简易机载长波双视场两档变焦红外光学***，其特征在于：

表面 a₄ a₆ a₈ S2 -5171E-006 -1.166E-011 -2.291E-15 S6 1.048E-006 -1.131E-010 -3.970E-13

前固定组的凹面S2与第一固定组的凹面S6的偶次非球面系数如上表。

8.根据权利要求1所述简易机载长波双视场两档变焦红外光学***，其特征在于，前固定组(L1)、变倍组(L2)、第一固定组(L3)、第二固定组(L4)的透镜光学结构参数如下：

在上表中，S1为前固定组(L1)的凸面，S2为前固定组(L1)的凹面，S3为变倍组(L2)的前凹面，S4为变倍组(L2)的后凹面，S5为第一固定组(L3)的凸面，S6为第一固定组(L3)的凹面，S7为第二固定组(L4)的凸面，S8为第二固定组(L4)的凹面。

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