CN221225139U - 大靶面超长焦紧凑型大变倍比连续变焦中波红外光学***以及中波制冷探测器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种大靶面超长焦紧凑型大变倍比连续变焦中波红外光学***，物方成像光束依次经过前固定组、变倍组、补偿组、前固定组二、折转反射组一和调焦组后一次成像，再经过折转反射组二和后固定组，完成光阑匹配和二次成像到探测器靶面上；连续变焦时，变倍组和补偿组沿光轴前后相对运动，其中变倍组做线性运动，补偿组做非线性运动，焦距范围为53mm～1100mm，全焦段清晰成像。本实用新型具有小体积、大变倍比和高分辨率等特点，且全焦段成像质量良好。

Description

大靶面超长焦紧凑型大变倍比连续变焦中波红外光学***以 及中波制冷探测器

技术领域

本实用新型涉及红外光学***领域，尤其涉及一种大靶面超长焦紧凑型大变倍比连续变焦中波红外光学***。

背景技术

红外热成像***可适应全天候使用需求，受环境影响小。尤其是连续变焦中波红外光学***可以实现大视场搜索以及小视场跟踪或识别，在变焦过程中可以保持观测目标持续变大或变小，相较于定焦或多档变焦***，在使用上有着较大优势，因此，连续变焦光学***在光电观测设备上有着较大的应用前景。

目前，国内1280×1024高分辨率大靶面中波红外制冷探测器已相当成熟，对应的连续变焦***也有相关设计报道，但基本上没有焦距达到1000mm以上、变倍比20倍的大靶面连续变焦光学***报道。

实用新型内容

本实用新型主要目的是提供一种大靶面超长焦紧凑型大变倍比连续变焦中波红外光学***，具有小体积、大变倍比和高分辨率等特点，全焦段具有良好的成像质量，可实现大视场搜索以及小视场跟踪或识别，广泛应用于搜索跟踪设备。

本实用新型所采用的技术方案是：

提供一种大靶面超长焦紧凑型大变倍比连续变焦中波红外光学***，其特征在于，从物方到像方依次包括前固定组、变倍组、补偿组、前固定组二、折转反射组一、调焦组、折转反射组二和后固定组；

其中变倍组包括一变倍透镜，其光线入射面为非球面衍射面；后固定组中的一透镜的光线入射面也为非球面衍射面；

物方成像光束依次经过前固定组、变倍组、补偿组、前固定组二、折转反射组一和调焦组后一次成像，再经过折转反射组二和后固定组，完成光阑匹配和二次成像到探测器靶面上；

连续变焦时，变倍组和补偿组沿光轴前后相对运动，其中变倍组做线性运动，补偿组做非线性运动，全焦段清晰成像，焦距范围为53mm～1100mm。

接上述技术方案，前固定组包括前组透镜一和前组透镜二，变倍组包括变倍透镜，补偿组包括补偿透镜一和补偿透镜二，前固定组二包括前组透镜三，调焦组包括调焦透镜，后固定组包括后组透镜一、后组透镜二、后组透镜三和后组透镜四，折转反射组一和折转反射组二分别包括为反射镜一和反射镜二。

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，前组透镜一为凸面向物方的弯月形硅正透镜，前组透镜二为凸面向像方的弯月形锗负透镜，变倍透镜为双凹锗负透镜，补偿透镜一为双凸硅正透镜，补偿透镜二为凸面向物方的弯月形硅负透镜，前组透镜三为凸面向像方的弯月形锗负透镜，调焦透镜为凸面向物方的弯月形锗正透镜，后组透镜一为凸面向像方的弯月形锗正透镜，后组透镜二为凸面向像方的弯月形锗负透镜，后组透镜三为双凸硅正透镜，后组透镜四为凸面向像方的弯月形锗正透镜。

接上述技术方案，前组透镜二前表面为非球面，变倍透镜前表面为非球面衍射面，补偿透镜一前表面为非球面，补偿透镜二前表面为非球面，前组透镜三前表面为非球面，调焦透镜前表面为非球面，后组透镜二前表面为非球面，后组透镜三前表面为非球面衍射面，后组透镜四后表面为非球面；其中，光线入射方向为物方，光线出射方向为像方，前表面指光线入射面，后表面指光线出射向。

接上述技术方案，折转反射组一和折转反射组二将成像光路折转180°，整个光学***形成“U型”布局结构。

接上述技术方案，整个光学***包络在350mm×260mm以内。

接上述技术方案，光圈F数为5.5。

接上述技术方案，采用机械补偿变焦的方式，驱动变倍组按线性曲线移动，往像面方向移动行程为138.8mm，同时驱动补偿组按五阶多项式曲线移动，往物方方向移动行程为33.7mm。

本实用新型还提供一种中波制冷探测器，用于感知上述技术方案所述的大靶面超长焦紧凑型大变倍比连续变焦中波红外光学***的出射光。

接上述技术方案，该中波制冷探测器的像元为15μm，分辨率为1280×1024，F数5.5。

本实用新型产生的有益效果是：本实用新型的大靶面超长焦紧凑型大变倍比连续变焦中波红外光学***，最长焦可达到1100mm，最短焦距53mm，变倍比接近21倍；且实现了紧凑型设计，填补了大靶面超长焦紧凑型大变倍比连续变焦中波红外光学***的空白。

本实用新型的大靶面超长焦紧凑型大变倍比连续变焦中波红外光学***通过前固定组、变倍组、补偿组、前固定组二、折转反射组一和调焦组后一次成像，再经过折转反射组二和后固定组，完成光阑匹配和二次成像到探测器靶面上，最长焦可达到1100mm，最短焦距53mm，采用了两个非球面衍射面，其中一个为锗非球面衍射面，一个为硅非球面衍射面，非球面衍射面的使用，能有效校正***轴外色差，极大的提升整个焦段的像质。

进一步地，本实用新型的光学***可匹配像元15μm的1280×1024中波红外制冷探测器，具有极高的分辨率，同时短焦时兼具20.6°×16.6°的水平俯仰视场，可同时适用于搜索、跟瞄和识别等多种使用环境。

进一步地，本实用新型的大靶面超长焦紧凑型大变倍比连续变焦中波红外光学***通过两个折转反射镜将成像光路折转180°，结构形式为“U型”布局，便于减小***轴向尺寸，使得***包络在350mm×260mm以内，极大的减小了***体积，实现了紧凑型设计。

当然，实施本实用新型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实用新型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实用新型的一些实施例，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为本实用新型实施例的光学***示意图；

图中，1-前固定组一，2-变倍组，3-补偿组，4-前固定组二，5-折转反射组一，6-调焦组，7-折转反射组二，8-后固定组；

图2本实用新型实施例的各镜片示意图；

图中：L1-前组透镜一，L2-前组透镜二，L3-变倍透镜，L4-补偿透镜一，L5-补偿透镜二，L6-前组透镜三，L7-调焦透镜，L8-后组透镜一，L9-后组透镜二，L10-后组透镜三，L11-后组透镜四；

图3本实用新型实施例的光学***短焦二维图；

图4本实用新型实施例的光学***中焦二维图；

图5本实用新型实施例的光学***长焦二维图；

图6本实用新型实施例的光学***短焦端16p/mm时MTF图；

图7本实用新型实施例的光学***中焦端16p/mm时MTF图；

图8本实用新型实施例的光学***长焦端16lp/mm时MTF图；

图9本实用新型实施例的光学***短焦端点列图；

图10本实用新型实施例的光学***中焦端点列图；

图11本实用新型实施例的光学***长焦端点列图；

图12本实用新型实施例的变倍组和补偿组凸轮曲线。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。

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

在本实用新型中，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。

如图1所示，本实用新型实施例大靶面超长焦紧凑型大变倍比连续变焦中波红外光学***，包括前固定组1、变倍组2、补偿组3、前固定组二4、折转反射组一5、调焦组6、折转反射组二7和后固定组8。物方成像光束依次经过前固定组1、变倍组2、补偿组3、前固定组二4、折转反射组一5和调焦组6后一次成像，再经过折转反射组二7和后固定组8，完成光阑匹配和二次成像到探测器靶面上。该光学***焦距范围为53mm～1100mm，F数5.5，变倍比接近21倍。

连续变焦时，用变倍组2和补偿组3沿光轴前后相对运动的方式，变倍组2做线性运动，补偿组3做非线性运动，使得全焦段清晰成像。图1中光学器件实线为短焦位置，虚线为长焦位置。

本实用新型的一个实施例中，如图2所示，前固定组1包括前组透镜一L1和前组透镜二L2两片透镜，变倍组2包括一片变倍透镜L3，补偿组3包括补偿透镜一L4和补偿透镜二L5两片透镜，前固定组二4包括一片前组透镜三L6，调焦组6包括一片调焦透镜L7，后固定组8包括后组透镜一L8、后组透镜二L9、后组透镜三L10和后组透镜四L11，折转反射组一5和折转反射组二7分别包括为反射镜一M1和反射镜二M2。物方成像光束依次经过前固定组1、变倍组2、补偿组3、前固定组二4、折转反射组一5和调焦组6后一次成像，再经过折转反射组二7和后固定组8，完成光阑匹配和二次成像到探测器靶面上。

具体来说，光线入射方向为物方，光线出射方向为像方，前组透镜一L1为片凸面向物方的弯月形硅正透镜，前组透镜二L2为一片凸面向像方的弯月形锗负透镜，变倍透镜L3为一片双凹锗负透镜，补偿透镜一L4为一片双凸硅正透镜，补偿透镜二L5为一片凸面向物方的弯月形硅负透镜，前组透镜三L6为一片凸面向像方的弯月形锗负透镜，调焦透镜L7为一片凸面向物方的弯月形锗正透镜，后组透镜一L8为一片凸面向像方的弯月形锗正透镜，后组透镜二L9为一片凸面向像方的弯月形锗负透镜，后组透镜三L10为一片双凸硅正透镜，后组透镜四L11为一片凸面向像方的弯月形锗正透镜，共计11片红外透镜。其中，光学透镜材料均为红外光学***常用的材料硅和锗。表1为本实用新型的焦距分别为53mm和1100mm时的光学结构参数。

表1焦距53mm和1100mm时的光学结构参数

进一步地，光学***镜头使用了九片非球面，其中两个为非球面衍射面(后文中前表面指光线入射面，后表面指光线出射向)：前组透镜二L2前表面为非球面，变倍透镜L3前表面为非球面衍射面，补偿透镜一L4前表面为非球面，补偿透镜二L5前表面为非球面，前组透镜三L6前表面为非球面，调焦透镜L7前表面为非球面，后组透镜二L9前表面为非球面，后组透镜三L10前表面为非球面衍射面，后组透镜四L11后表面为非球面。

表2非球面系数

	K	A4	A6	A8	A10
						L2前表面	0	-5.4743e-10	1.6676e-14	0	0
L4前表面	0	-1.6986e-7	-1.7351e-11	5.5409e-15	0
						L5前表面	0	-1.6491e-8	2.5868e-12	1.4779e-14	0
L6前表面	0	2.1628e-6	1.1280e-9	6.9410e-12	1.3453e-14
						L7前表面	0	6.0330e-7	2.6811e-9	-5.9821e-12	2.0303e-14
L9后表面	0	-6.9453e-7	1.4833e-8	-1.5693e-11	2.5322e-14
						L11后表面	0	2.1084e-6	-2.1909e-8	8.0123e-11	-4.9426e-14

表3非球面衍射面系数

本实用新型采用机械补偿变焦的方式，如图12所示，驱动变倍组2按线性曲线移动，往像面方向移动行程为138.8mm，同时驱动补偿组3按五阶多项式曲线移动，往物方方向移动行程为33.7mm，五阶多项式系数如表4所示。

表4补偿组凸轮曲线高阶多项式系数

图3为本实用新型的光学***短焦二维图，变倍镜和补偿镜位于图1实线位置，焦距为53mm。

图4为本实用新型的光学***中焦二维图，变倍镜和补偿镜相对运动，位于实线和虚线位置之间，焦距为640mm。

图5为本实用新型的光学***长焦二维图，变倍镜和补偿镜位于图1虚线位置，焦距为1100mm。

图6为本实用新型的光学***短焦端16lp/mm时MTF图，变倍镜和补偿镜位于图1实线位置，焦距53mm各视场的传递函数曲线。

图7为本实用新型的光学***中焦端16lp/mm时MTF图，变倍镜和补偿镜相对运动，位于实线和虚线位置之间，焦距640mm各视场的传递函数曲线。

图8为本实用新型的光学***长焦端16lp/mm时MTF图，变倍镜和补偿镜位于图1虚线位置，焦距1100mm各视场的传递函数曲线。

图9为本实用新型的光学***短焦端点列图，变倍镜和补偿镜位于图1实线位置，焦距53mm各视场的弥散斑大小。

图10为本实用新型的光学***中焦端点列图，变倍镜和补偿镜相对运动，位于实线和虚线位置之间，焦距640mm各视场的弥散斑大小。

图11为本实用新型的光学***长焦端点列图，变倍镜和补偿镜位于图1虚线位置，焦距1100mm各视场的弥散斑大小。

图12为本实用新型的光学***变倍组和补偿组运动的凸轮曲线。

本实用新型公开的大靶面超长焦紧凑型大变倍比连续变焦中波红外光学***可匹配像元15μm的1280×1024中波红外制冷探测器，通过使用两片衍射元件，简化了***，提高了各焦段像质，并通过两个折转反射镜将成像光路折转180°，减小***轴向尺寸，使得整个光学***包络在350mm×260mm以内，极大的减小了***体积，实现了紧凑型设计，具有良好的应用前景。

本实用新型的设计难点在于实现了1K大靶面连续变焦中波红外***的像差校正，光学***最长焦可到1100mmm，变倍比接近21倍，且整体包络在350mm×260mm以内，实现了紧凑型设计。

综上，本实用新型的大靶面超长焦紧凑型大变倍比连续变焦中波红外光学***，具有小体积、大变倍比和高分辨率等特点，全焦段具有良好的成像质量，可实现大视场搜索以及小视场跟踪或识别，广泛应用于搜索跟踪设备。

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，以实现本实用新型的目的。

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实用新型所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种大靶面超长焦紧凑型大变倍比连续变焦中波红外光学***，其特征在于，从物方到像方依次包括前固定组(1)、变倍组(2)、补偿组(3)、前固定组二(4)、折转反射组一(5)、调焦组(6)、折转反射组二(7)和后固定组(8)；

其中变倍组(2)包括一变倍透镜，其光线入射面为非球面衍射面；后固定组(8)中的一透镜的光线入射面也为非球面衍射面；

物方成像光束依次经过前固定组(1)、变倍组(2)、补偿组(3)、前固定组二(4)、折转反射组一(5)和调焦组(6)后一次成像，再经过折转反射组二(7)和后固定组(8)，完成光阑匹配和二次成像到探测器靶面上；

连续变焦时，变倍组(2)和补偿组(3)沿光轴前后相对运动，其中变倍组(2)做线性运动，补偿组(3)做非线性运动，全焦段清晰成像，焦距范围为53mm～1100mm。

2.根据权利要求1所述的大靶面超长焦紧凑型大变倍比连续变焦中波红外光学***，其特征在于，前固定组(1)包括前组透镜一(L1)和前组透镜二(L2)，变倍组(2)包括变倍透镜(L3)，补偿组(3)包括补偿透镜一(L4)和补偿透镜二(L5)，前固定组二(4)包括前组透镜三(L6)，调焦组(6)包括调焦透镜(L7)，后固定组(8)包括后组透镜一(L8)、后组透镜二(L9)、后组透镜三(L10)和后组透镜四(L11)，折转反射组一(5)和折转反射组二(7)分别包括为反射镜一(M1)和反射镜二(M2)。

3.根据权利要求2所述的大靶面超长焦紧凑型大变倍比连续变焦中波红外光学***，其特征在于，光线入射方向为物方，光线出射方向为像方，前组透镜一(L1)为凸面向物方的弯月形硅正透镜，前组透镜二(L2)为凸面向像方的弯月形锗负透镜，变倍透镜(L3)为双凹锗负透镜，补偿透镜一(L4)为双凸硅正透镜，补偿透镜二(L5)为凸面向物方的弯月形硅负透镜，前组透镜三(L6)为凸面向像方的弯月形锗负透镜，调焦透镜(L7)为凸面向物方的弯月形锗正透镜，后组透镜一(L8)为凸面向像方的弯月形锗正透镜，后组透镜二(L9)为凸面向像方的弯月形锗负透镜，后组透镜三(L10)为双凸硅正透镜，后组透镜四(L11)为凸面向像方的弯月形锗正透镜。

4.根据权利要求2所述的大靶面超长焦紧凑型大变倍比连续变焦中波红外光学***，其特征在于，前组透镜二(L2)前表面为非球面，变倍透镜(L3)前表面为非球面衍射面，补偿透镜一(L4)前表面为非球面，补偿透镜二(L5)前表面为非球面，前组透镜三(L6)前表面为非球面，调焦透镜(L7)前表面为非球面，后组透镜二(L9)前表面为非球面，后组透镜三(L10)前表面为非球面衍射面，后组透镜四(L11)后表面为非球面；其中，光线入射方向为物方，光线出射方向为像方，前表面指光线入射面，后表面指光线出射向。

5.根据权利要求1所述的大靶面超长焦紧凑型大变倍比连续变焦中波红外光学***，其特征在于，折转反射组一(5)和折转反射组二(7)将成像光路折转180°，整个光学***形成“U型”布局结构。

6.根据权利要求1所述的大靶面超长焦紧凑型大变倍比连续变焦中波红外光学***，其特征在于，整个光学***包络在350mm×260mm以内。

7.根据权利要求1所述的大靶面超长焦紧凑型大变倍比连续变焦中波红外光学***，其特征在于，光圈F数为5.5。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的大靶面超长焦紧凑型大变倍比连续变焦中波红外光学***，其特征在于，采用机械补偿变焦的方式，驱动变倍组(2)按线性曲线移动，往像面方向移动行程为138.8mm，同时驱动补偿组(3)按高阶多项式曲线移动，往物方方向移动行程为33.7mm。

9.一种中波制冷探测器，其特征在于，用于感知权利要求1-8中任一项所述的大靶面超长焦紧凑型大变倍比连续变焦中波红外光学***的出射光。

10.根据权利要求9所述的中波制冷探测器，其特征在于，该中波制冷探测器的像元为15μm，分辨率为1280×1024，F数为5.5。