專利名稱：U型折疊式中波紅外30倍連續(xù)變焦光學系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于光學技術領域，尤其涉及應用于中波制冷型紅外焦平面探測器的U型折疊式中波紅外30倍連續(xù)變焦光學系統(tǒng)。
背景技術：
紅外變焦成像系統(tǒng)分為連續(xù)變焦和定檔變焦兩種，連續(xù)變焦的紅外光學系統(tǒng)用于機載光電偵察系統(tǒng)，既能為飛行員在巡航和搜索時提供最好的態(tài)勢了解，又能在發(fā)現(xiàn)目標時，調到小視場瞄準跟蹤。目前國內對于中波紅外連續(xù)變焦光學系統(tǒng)的研究已有文獻報道，如許照東“機載高分辨率連續(xù)變焦紅外熱像儀設計”，針對中波640X512元紅外焦平面探測器設計了一套 I 20小型高分辨率連續(xù)變焦熱像儀，可用于機載光電探測和跟蹤系統(tǒng)(《紅外與激光工程》2007,36(5)) ο楊為錦“中波紅外連續(xù)變焦系統(tǒng)設計”，基于制冷型320X240凝視焦平面陣列探測器，設計了一套高變倍比(18倍)中波紅外連續(xù)變焦光學系統(tǒng)，用于機載光電探測和跟蹤設備，該系統(tǒng)由變焦物鏡系統(tǒng)、二次成像系統(tǒng)和兩個反射鏡構成，介紹了二次成像系統(tǒng)光瞳銜接的方法，實現(xiàn)了 11 200mm的連續(xù)變焦(《中國光學與應用光學》2010，
03(2))。郜洪云“中波紅外連續(xù)變焦光學系統(tǒng)”，針對制冷式320 X 240凝視焦平面陣列探測器，設計了一個中波紅外連續(xù)變焦光學系統(tǒng)，該系統(tǒng)由變焦物鏡系統(tǒng)和二次成像系統(tǒng)構成， 可以實現(xiàn)50 500mm的連續(xù)變焦(《光學精密工程》2007，15 (7))。陳呂吉“緊湊中波紅外連續(xù)變焦光學系統(tǒng)設計”，針對制冷型320X240凝視焦平面探測器，實現(xiàn)27. 5 458mm連續(xù)變焦(《紅外技術》2010,32(10))。尹娜“中波紅外連續(xù)變焦光學系統(tǒng)設計”，針對中波紅外制冷式凝視焦平面陣列探測器，設計了機械補償5倍連續(xù)變焦光學系統(tǒng)，該系統(tǒng)工作波段3 5μπι，F(xiàn)#為2.0，變焦范圍30 150mm (《紅外技術》2009，31 (12))。張良“中波紅外變焦距系統(tǒng)的光學設計”，介紹了一種采用凝視型焦平面陣列探測器的中波紅外變焦光學系統(tǒng)的設計，該系統(tǒng)利用了反射鏡的折疊光路，其工作波長范圍為3 5μπι，變倍比為 I 20 (《應用光學》2006，27 (I))。中國電子科技集團公司第十一研究所“一種中波紅外連續(xù)變焦鏡頭”，該發(fā)明公開了一種能夠應用于640X512元或更大面陣制冷型中波探測器，變倍比為10倍中波紅外連續(xù)變焦鏡頭。專利“三組元中波紅外30倍連續(xù)變焦光學系統(tǒng)”雖然同為30倍，但通過三組元進行變焦，系統(tǒng)就需要三個電機進行帶動，而且第三組是兩片透鏡，這樣增加了電機的負擔，影響精度，增加了裝調的難度，增加了生產成本。專利“超短中波紅外30倍連續(xù)變焦光學系統(tǒng)”雖為兩組元變焦，但其焦距較短，且該系統(tǒng)為直桶式，結構不夠緊湊，該系統(tǒng)的變倍組為兩片透鏡，補償組為三片透鏡，這無疑增加了電機的負擔。 “Topaz-A novel design of a high magnification, athermalized I ； 30 zoomin the MWIR”(SPIE，Bellingham，WA，2004)，此文也介紹了一種三組元變倍的，變倍比為I : 30的中波紅外光學系統(tǒng)，該系統(tǒng)F數(shù)偏小，為4. 7，三組元就需要三個電機，這樣增加了電機的負擔，影響精度，增加了裝調的難度。

發(fā)明內容
為了解決現(xiàn)有技術存在的問題，本發(fā)明提供一種可應用于制冷型640X512元 15 μ m或320 X 240元30 μ m凝視型焦平面探測器提供一種恒定F數(shù)為4的中波紅外30倍連續(xù)變焦光學系統(tǒng)，采用二組元變焦、三次成像技術實現(xiàn)焦距在23mm 701mm范圍內的連續(xù)可變，并實現(xiàn)100%的冷光闌效率。本發(fā)明所述的U型折疊式中波紅外30倍連續(xù)變焦光學系統(tǒng)的技術方案是從物側到像側依次由前固定組、變倍組、補償組、后固定組、第一反射鏡、二次成像組、第二反射鏡和三次成像組組成，光焦度分配依次為正、負、正、負、正、正的結構，其中，前固定組為一個凸面朝向物側的彎月形硅正透鏡，用于會聚收光，U型折疊式中波紅外30倍連續(xù)變焦光學系統(tǒng)的焦距H)與所述前固定組的焦距Fl滿足如下關系0. 076 < F0/F1 < 2. 32 ;變倍組為一個雙凹形鍺負透鏡，用于改變U型折疊式中波紅外30倍連續(xù)變焦光學系統(tǒng)的焦距，改變變倍倍率；補償組為一個雙凸形硅正透鏡，用于補償所述的U型折疊式中波紅外30倍連續(xù)變焦光學系統(tǒng)在變焦過程中的像面位置的偏移，變倍組和補償組同時還起到溫度補償?shù)淖饔茫缓蠊潭ńM為一個凸面朝向物側的彎月形硒化鋅正透鏡；第一反射鏡位于后固定組和二次成像組之間；二次成像組包括一個雙凸形硅正透鏡、一個雙凹形鍺負透鏡和一個雙凸形硅正透鏡；第二反射鏡位于二次成像組和三次成像組之間；三次成像組包括一個凸面朝向像側的彎月形鍺正透鏡、一個凸面朝向第二反射鏡的彎月形硅正透鏡和一個凸面朝向第二反射鏡的彎月形鍺負透鏡。變倍組、補償組和二次成像組中有非球面。三次成像組中有一面為非球面疊加衍射面。第一反射鏡和第二反射鏡用于對光路進行U型折疊，從而縮短光學系統(tǒng)橫向尺寸。本發(fā)明的有益效果為采用二組元變焦原理、三次成像技術，變倍組行程194mm， 補償組行程39mm，實現(xiàn)了 30倍連續(xù)變焦且系統(tǒng)光學總長僅為559mm，總長/焦距比為O. 79， 系統(tǒng)整體外形尺寸為345mmX176mmX224mm(長X寬X高)，具有大變倍比、光學總長小、 整個變焦軌跡平滑、在全焦距范圍內成像質量優(yōu)良像的優(yōu)點。


圖I為本發(fā)明的光學系統(tǒng)在焦距為701mm時的示意圖；圖2為本發(fā)明的光學系統(tǒng)在焦距為350mm時的示意圖；圖3為本發(fā)明的光學系統(tǒng)在焦距為23mm時的示意圖；圖4至圖6為本發(fā)明的光學系統(tǒng)在焦距為701mm時的成像光學仿真數(shù)據(jù)圖；圖7至圖9為本發(fā)明的光學系統(tǒng)在焦距為350mm時的成像光學仿真數(shù)據(jù)圖；圖10至圖12為本發(fā)明的光學系統(tǒng)在焦距為23mm時的成像光學仿真數(shù)據(jù)圖。圖中，I.前固定組，11.第一透鏡，2.變倍組，21.第二透鏡，3.補償組，31.第三透鏡，4.后固定組，41.第四透鏡，5.第一反射鏡，6. 二次成像組，61.第五透鏡，62.第六透鏡,63.第七透鏡，7.第二反射鏡，8.三次成像組，81.第八透鏡，82.第九透鏡，83.第十透鏡，9.探測器保護窗口，10.冷光闌，12.探測器保護玻璃，13.像面。
具體實施例方式以下結合附圖，通過實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明。
實施例一實施例一是本發(fā)明應用于制冷型640X512元15 μ m凝視型焦平面探測器的例子。圖I、圖2、圖3分別是本發(fā)明U型折疊式中波紅外30倍連續(xù)變焦光學系統(tǒng)在焦距為701mm、350mm、23mm時的示意圖。如圖所示，光學系統(tǒng)從物側到像側依次由具有正光焦度的前固定組1，具有負光焦度的變倍組2，具有正光焦度的補償組3，具有負光焦度的后固定組4，用于折轉光路的第一反射鏡5，具有正光焦度的二次成像組6，用于折轉光路的第二反射鏡7，具有正光焦度的三次成像組8組成，其中，前固定組I由第一透鏡11 一個透鏡構成， 是一凸面朝向物側的彎月形硅正透鏡，用于會聚收光，U型折疊式中波紅外30倍連續(xù)變焦光學系統(tǒng)的焦距H)與所述第一透鏡11的焦距Fl滿足如下關系0. 076 < F0/F1 < 2. 32 ； 變倍組2由第二透鏡21 —個透鏡構成，是一雙凹形鍺負透鏡，用于改變U型折疊式中波紅外30倍連續(xù)變焦光學系統(tǒng)的焦距，改變變倍倍率；補償組3由第三透鏡31 —個透鏡構成， 是一雙凸形硅正透鏡，用于補償所述的U型折疊式中波紅外30倍連續(xù)變焦光學系統(tǒng)在變焦過程中的像面位置的偏移，變倍組2和補償組3同時還起到溫度補償?shù)淖饔?；后固定組4 由第四透鏡41 一個透鏡構成，是一凸面朝向物側的彎月形硒化鋅正透鏡，其作用是將物側景物會聚成成像系統(tǒng)的一次實像；第一反射鏡5成45度放置于后固定組4和二次成像組6 之間，其作用是減小折轉光路，減小光路的橫向尺寸，成像系統(tǒng)的一次實像在第一反射鏡5 和二次成像組6之間；二次成像組6由第五透鏡61、第六透鏡62、第七透鏡63三個透鏡構成，依次是雙凸形硅正透鏡、雙凹形鍺負透鏡和雙凸形硅正透鏡，其作用是將一次像面聚焦于二次像面；第二反射鏡7成45度放置于二次成像組6和三次成像組8之間，其作用是折轉光路；三次成像組8由第八透鏡81、第九透鏡82、第十透鏡83三個透鏡構成，依次是凸面朝向像側的彎月形鍺正透鏡、凸面朝向第二反射鏡的彎月形硅正透鏡和凸面朝向第二反射鏡的彎月形鍺負透鏡；成像系統(tǒng)的二次實像在第二反射鏡7和三次成像組8之間。變倍組2和補償組3能在前固定組I和后固定組4之間移動，具體來說，當需要將變焦鏡頭的倍率自長焦端調整到短焦端時，變倍組2向物側移動，同時，補償組3則向后固定組4 一側移動，從而補償變倍組2移動引起的像面移動。為提高像質，改善溫度變化對像質的影響，變倍組2的第二透鏡21、補償組3的第三透鏡31、二次成像組6中的第五透鏡61、第七透鏡63均采用高次非球面。三次成像組8 中的第十透鏡83采用了非球面疊加衍射面。本實施中，避免在口徑較大的第一透鏡11上引入非球面，避免在硅透鏡上加衍射面，且非球面度均小于O. 04mm，易于光學加工制造，精度易于保證，最大程度降低了生產成本。表一本發(fā)明U型折疊式中波紅外30倍連續(xù)變焦光學系統(tǒng)的優(yōu)選實施例。
權利要求
1.U型折疊式中波紅外30倍連續(xù)變焦光學系統(tǒng)，其特征在于從物側到像側依次由具有正光焦度的前固定組(I)，具有負光焦度的變倍組(2)，具有正光焦度的補償組(3)，具有負光焦度的后固定組(4)，用于折轉光路的第一反射鏡(5)，具有正光焦度的二次成像組 (6)，用于折轉光路的第二反射鏡(7)，具有正光焦度的三次成像組(8)組成，其中，前固定組(I)由第一透鏡(11) 一個透鏡構成，是凸面朝向物側的彎月形硅正透鏡，用于會聚收光， U型折疊式中波紅外30倍連續(xù)變焦光學系統(tǒng)的焦距H)與所述第一透鏡的焦距Fl滿足如下關系0. 076 < F0/F1 < 2. 32 ;變倍組(2)由第二透鏡(21) —個透鏡構成，是雙凹形鍺負透鏡，用于改變U型折疊式中波紅外30倍連續(xù)變焦光學系統(tǒng)的焦距，改變變倍倍率；補償組(3)由第三透鏡(31) —個透鏡構成，是雙凸形硅正透鏡，用于補償所述的U型折疊式中波紅外30倍連續(xù)變焦光學系統(tǒng)在變焦過程中的像面位置的偏移，變倍組和補償組同時還起到溫度補償?shù)淖饔?；后固定組⑷由第四透鏡(41) 一個透鏡構成，是凸面朝向物側的彎月形硒化鋅正透鏡，其作用是將物側景物會聚成成像系統(tǒng)的一次實像；第一反射鏡(5)成45 度放置于后固定組和二次成像組之間，其作用是減小折轉光路，減小光路的橫向尺寸，成像系統(tǒng)的一次實像在第一反射鏡和二次成像組之間；二次成像組(6)由第五透鏡(61)、第六透鏡(62)、第七透鏡￠3)三個透鏡構成，依次是雙凸形硅正透鏡、雙凹形鍺負透鏡和雙凸形硅正透鏡，其作用是將一次像面聚焦于二次像面；第二反射鏡(7)成45度放置于二次成像組和三次成像組(8)之間，其作用是折轉光路；三次成像組(8)由第八透鏡(81)、第九透鏡(82)、第十透鏡(83)三個透鏡構成，依次是凸面朝向像側的彎月形鍺正透鏡、凸面朝向第二反射鏡的彎月形硅正透鏡和凸面朝向第二反射鏡的彎月形鍺負透鏡；成像系統(tǒng)的二次實像在第二反射鏡和三次成像組之間。變倍組第二透鏡的表面S3、補償組第三透鏡的表面 S5、二次成像組第五透鏡的表面S10、第七透鏡的表面S14均采用高次非球面。三次成像組第十透鏡的表面S21采用了非球面疊加衍射面。
2.根據(jù)權利要求I所述的U型折疊式中波紅外30倍連續(xù)變焦光學系統(tǒng)，其特征在于 焦距在23mm 701mm范圍內連續(xù)可變，變倍組(2)行程194臟，補償組(3)行程39mm，光學系統(tǒng)30倍連續(xù)變焦且其光學總長為559mm，總長/焦距比為O. 79，光學系統(tǒng)整體外形尺寸為345mmX176mmX224mm，光學系統(tǒng)F數(shù)為4恒定不變，具有100%的冷光闌效率。
3.根據(jù)權利要求I所述的U型折疊式中波紅外30倍連續(xù)變焦光學系統(tǒng)，其特征在于 變倍組(2)和補償組(3)能在前固定組(I)和后固定組(4)之間移動，當將光學系統(tǒng)的倍率自長焦端調整到短焦端時，變倍組(2)向物側移動，同時，補償組(3)則向后固定組(4) 一側移動，從而補償變倍組(2)移動引起的像面移動。
全文摘要
U型折疊式中波紅外30倍連續(xù)變焦光學系統(tǒng)，從物側到像側依次由前固定組、變倍組、補償組、后固定組、第一反射鏡、二次成像組、第二反射鏡和三次成像組組成，光焦度分配依次為正、負、正、負、正、正的結構。本發(fā)明采用二組元變焦原理、三次成像技術，焦距在23mm～701mm范圍內連續(xù)可變，變倍組行程194mm，補償組行程39mm，實現(xiàn)了30倍連續(xù)變焦且系統(tǒng)光學總長僅為559mm，總長/焦距比為0.79，系統(tǒng)整體外形尺寸為345mm×176mm×224mm(長×寬×高)，光學系統(tǒng)F數(shù)為4恒定不變，具有大變倍比、光學總長小、整個變焦軌跡平滑、在全焦距范圍內成像質量優(yōu)良像的優(yōu)點。
文檔編號G02B15/173GK102590991SQ20121009412
公開日2012年7月18日 申請日期2012年4月1日 優(yōu)先權日2012年4月1日
發(fā)明者付艷鵬, 曹凌, 李林, 李訓牛, 王海洋, 賈星蕊, 陳津津 申請人:昆明物理研究所