光學補償式長波紅外連續變焦光學系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及光學補償式長波紅外連續變焦光學系統，包括從物方到像方依次設置的前固定鏡組、前移動鏡組、中固定鏡組、后移動鏡組和后固定鏡組，前移動鏡組由依次設置的第一移動透鏡和第二移動透鏡組成，后移動鏡組由依次設置的第三移動透鏡和第四移動透鏡組成，前移動鏡組和后移動鏡組在光軸上做等間距、等速度、同方向的前后聯動以實現光學補償式連續變焦。光學補償式系統，結構簡單容易制造，對控制系統的精度要求較低。克服機械補償系統需要復雜的凸輪結構或雙絲杠的精密配合才能保證變焦過程中圖像保持清晰的缺點。
【專利說明】
光學補償式長波紅外連續變焦光學系統
技術領域
[0001] 本實用新型涉及光學補償式長波紅外連續變焦光學系統。
【背景技術】
[0002] 紅外成像系統具有全天候工作、無需輔助照明等優點，在告警、偵察和制導等軍事 領域中得到了廣泛應用。對于軍用設備，通常地面上的主要目標為地面掩體、工廠、大壩、坦 克、裝甲運輸車、汽車與士兵等。這些目標表面溫度一般不高，輻射能量小，熱輻射的峰值集 中在長波紅外波段。此外，在大氣傳輸過程中紅外線易被物質所吸收，但對于薄霧來說，長 波紅外更容易通過，這樣，相對于中波(3μπι~5μπ0紅外，長波紅外成像系統在較低溫度下能 夠進行最有效的探測，并且在彌漫著灰塵和煙霧的戰場上占據有利地位，在探測識別方面 更具優勢。
[0003]紅外連續變焦系統是通過改變透鏡組之間的間隔來實現的，按像面補償方式的不 同，通常分為光學補償和機械補償兩種。目前紅外連續變焦大多采用機械補償式，通過變倍 組和補償組的相對移動，各運動組份按不同的運動規律作較復雜的移動，達到完全防止像 面移動。比如申請號為201210535594.7的中國專利申請公開了一種軸向變焦三視場紅外光 學系統，包括變倍透鏡組和補償透鏡組，通過變倍透鏡組和補償透鏡組的軸向移動實現三 視場的轉換。由于變倍組與補償在運動時需要一一對應，對控制精度的要求較高，否則會出 現在視場切換過程中出現某個視場圖像模糊的現象。 【實用新型內容】
[0004] 本實用新型的目的是提供一種光學補償式長波紅外連續變焦光學系統，用以解決 機械補償方式的光學系統在變焦過程中易出現某些點圖像模糊的問題。
[0005] 為實現上述目的，本實用新型的方案包括一種光學補償式長波紅外連續變焦光學 系統，包括從物方到像方依次設置的前固定鏡組、前移動鏡組、中固定鏡組、后移動鏡組和 后固定鏡組，所述前移動鏡組由依次設置的第一移動透鏡和第二移動透鏡組成，所述后移 動鏡組由依次設置的第三移動透鏡和第四移動透鏡組成，所述前移動鏡組和后移動鏡組在 光軸上做等間距、等速度、同方向的前后聯動以實現連續變焦;所述第一移動透鏡為凸面朝 向物方的彎月形負透鏡，所述第二移動透鏡為雙凹負透鏡，所述第三移動透鏡為凸面朝向 物方的彎月形負透鏡，所述第四移動透鏡為凹面朝向物方的彎月形負透鏡。
[0006] 所述前固定鏡組由第一固定透鏡組成，所述第一固定透鏡為凸面朝向物方的彎月 形正透鏡;所述中固定鏡組由第二固定透鏡組成，所述第二固定透鏡為雙凸正透鏡;所述后 固定鏡組包括四個透鏡:第三固定透鏡、第四固定透鏡、第五固定透鏡和第六固定透鏡，其 中，第三固定透鏡為凸面朝向物方的彎月形正透鏡，第四固定透鏡為凹面朝向物方的彎月 形正透鏡，第五固定透鏡為凹面朝向物方的彎月形正透鏡，第六固定透鏡為凹面朝向物方 的彎月形正透鏡。
[0007] 所述前移動鏡組和后移動鏡組固聯設置，以實現所述在光軸上做等距、等速、同向 的如后聯動。
[0008]該連續變焦光學系統實現的技術指標為:波段為7.7μπι~9.5μπι;焦距為f =33mm ~500mm;視場為20 · 62° ~1 · 38; F#S3。
[0009]所述第二固定透鏡的靠近像方的表面、第五固定透鏡的靠近物方的表面和第六固 定透鏡的靠近物方的表面為非球面。
[0010] 所述第一固定透鏡的材料為單晶鍺，第一移動透鏡的材料為硒化鋅，第二移動透 鏡的材料為單晶鍺，第二固定透鏡的材料為單晶鍺，第三移動透鏡的材料為單晶鍺，第四移 動透鏡的材料為硒化鋅，第三固定透鏡的材料為單晶鍺，第四固定透鏡的材料為單晶鍺，第 五固定透鏡的材料為單晶鍺，第六固定透鏡的材料為單晶鍺。
[0011] 所述光學系統在短焦時，前移動鏡組和后移動鏡組組成的變焦鏡組在靠近物方的 位置，在從短焦到長焦變化過程中，所述變焦鏡組向像方方向移動。
[0012] 所述第一移動透鏡與第一固定透鏡的間隔范圍為2~90.4mm，所述第一移動透鏡 與第二移動透鏡的間隔為6.78mm，所述第二移動透鏡與第二固定透鏡之間的間隔范圍為 12.8~101mm，所述第三移動透鏡與第二固定透鏡之間的間隔范圍為13~101.45mm，所述第 三移動透鏡與第四移動透鏡之間的間隔為4.58mm，所述第四移動透鏡與第三固定透鏡之間 的間隔范圍為0.5~88.9mm。
[0013] 所述第一固定透鏡的靠近物方的表面的曲率半徑為153.84mm，第一固定透鏡的靠 近像方的表面的曲率半徑為237.06mm;第一移動透鏡的靠近物方的表面的曲率半徑為 145.47mm，第一移動透鏡的靠近像方的表面的曲率半徑為77.06mm;第二移動透鏡的靠近物 方的表面的曲率半徑為-277.97mm，第二移動透鏡的靠近像方的表面的曲率半徑為 260.06mm;第二固定透鏡的靠近物方的表面的曲率半徑為326.11_，第二固定透鏡的靠近 像方的表面的曲率半徑為-242.3 Imm;第三移動透鏡的靠近物方的表面的曲率半徑為 25.09mm，第三移動透鏡的靠近像方的表面的曲率半徑為22. Olmm;第四移動透鏡的靠近物 方的表面的曲率半徑為785.4mm，第四移動透鏡的靠近像方的表面的曲率半徑為50.13mm; 第三固定透鏡的靠近物方的表面的曲率半徑為34.93mm，第三固定透鏡的靠近像方的表面 的曲率半徑為25.91_;第四固定透鏡的靠近物方的表面的曲率半徑為28.09_，第四固定 透鏡的靠近像方的表面的曲率半徑為155.52_;第五固定透鏡的靠近物方的表面的曲率半 徑為36.05mm，第五固定透鏡的靠近像方的表面的曲率半徑為-305.74mm;第六固定透鏡的 靠近物方的表面的曲率半徑為-166.05mm，第六固定透鏡的靠近像方的表面的曲率半徑為 123.56mm；
[0014] 所述第一固定透鏡的厚度為8.80mm，第一移動透鏡的厚度為10mm，第二移動透鏡 的厚度為l〇mm，第二固定透鏡的厚度為5.7392mm，第三移動透鏡的厚度為4.71mm，第四移 動透鏡的厚度為3mm，第三固定透鏡的厚度為3mm，第四固定透鏡的厚度為3mm，第五固定透 鏡的厚度為5.74mm，第六固定透鏡的厚度為5mm。
[0015] 所述第四固定透鏡與第五固定透鏡之間的光線傳播路徑上設置有第一反射鏡和 第二反射鏡，通過所述第一反射鏡和第二反射鏡使第四固定透鏡的出射光線與第五固定透 鏡的入射光線之間的夾角為180°。
[0016] 本實用新型提供的光學補償式長波紅外連續變焦光學系統中，中固定鏡組的前方 和后方均設置有移動鏡組，這兩個移動鏡組之間的間距恒定，并且在光軸上做等速度、同方 向的前后聯動，通過前后聯動實現連續變焦。并且，由于兩個移動鏡組等間距、等速度、同方 向移動，所以，對控制精度的要求較低，在變焦過程中不會出現某些點圖像模糊的現象，保 證了成像的清晰和穩定。并且，該光學系統焦距長，變倍比大，能夠適用于航空機載設備的 遠距離目標探測、識別。
【附圖說明】
[0017] 圖1是光學補償式長波紅外連續變焦光學系統結構示意圖；
[0018] 圖2是光學系統在短焦下的變焦鏡組的位置圖；
[0019]圖3是光學系統在中焦下的變焦鏡組的位置圖；
[0020]圖4是光學系統在長焦下的變焦鏡組的位置圖；
[0021 ]圖5是變焦鏡組的運動過程示意圖；
[0022] 圖6是短焦光學系統場曲畸變圖；
[0023] 圖7是中焦光學系統場曲畸變圖；
[0024]圖8是長焦光學系統場曲畸變圖；
[0025]圖9是短焦光學系統點列圖；
[0026] 圖10是中焦光學系統點列圖；
[0027] 圖11是長焦光學系統點列圖。
【具體實施方式】
[0028] 下面結合附圖對本實用新型做進一步詳細的說明。
[0029] 本實用新型提供的光學補償式長波紅外連續變焦光學系統包括從物方到像方依 次設置的前固定鏡組、前移動鏡組、中固定鏡組、后移動鏡組和后固定鏡組。前固定鏡組、中 固定鏡組和后固定鏡組的位置恒定，前移動鏡組和后移動鏡組之間的間距也保持恒定。在 變焦過程中，前移動鏡組和后移動鏡組在光軸上做等間距、等速度、同方向的前后聯動。
[0030] 前移動鏡組和后移動鏡組均由兩個透鏡組成，其中，前移動鏡組由依次設置的第 一移動透鏡和第二移動透鏡組成，后移動鏡組由依次設置的第三移動透鏡和第四移動透鏡 組成。
[0031]如圖1所示，該光學補償式長波紅外連續變焦光學系統包括從物方沿光線入射方 向依次為：前固定組A、移動組B、中固定組C、移動組D、后固定組E、后固定組G和探測器H，其 中，后固定組E和后固定組G共同構成后固定鏡組。
[0032]該連續變焦光學系統的設計技術指標為:波段為7.7μπι~9.5μπι;焦距為f =33mm ~500mm;視場為20.62°~1.38小#為3;適配像元數為320 X 256;像元尺寸為30μπι的長波制 冷探測器。
[0033] 移動組B和移動組D構成變焦鏡組，且移動組B和移動組D固聯設置，即該光學系統 中，移動組B和移動組D采用聯動的方式，可采用普通電機作為驅動源，該電機安裝在鏡筒 上，通過齒輪-導軌機構驅動變焦鏡組在光學系統光軸方向前后直線移動，使這兩個移動組 在光軸上一起前后移動，以實現移動組B和移動組D在光軸上做等距、等速、同向的前后聯 動。
[0034] 移動組B由依次設置的移動組物鏡B-I和移動組物鏡Β-2組成，移動組D由依次設置 的移動組物鏡D-I和移動組物鏡D-2組成。其中，移動組物鏡B-I為凸面朝向物方的彎月形負 透鏡，移動組物鏡B-2為雙凹負透鏡，移動組物鏡D-I為凸面朝向物方的彎月形負透鏡，移 動組物鏡D-2為凹面朝向物方的彎月形負透鏡。
[0035] 前固定組A由一個固定透鏡組成，稱為前固定組物鏡A，前固定組物鏡A為凸面朝向 物方的彎月形正透鏡；中固定組C由一個固定透鏡組成，稱為中固定組物鏡C，中固定組物鏡 C為雙凸正透鏡；后固定組E包括依次設置的后固定組物鏡E-I和后固定組物鏡E-2,其中，后 固定組物鏡E-I為凸面朝向物方的彎月形正透鏡，后固定組物鏡E-2為凹面朝向物方的彎月 形正透鏡；后固定組G包括依次設置的后固定組物鏡G-I和后固定組物鏡G-2,其中，后固定 組物鏡G-1為凹面朝向物方的彎月形正透鏡，后固定組物鏡G-2為凹面朝向物方的彎月形正 透鏡。
[0036] 由于從物方傳輸來的光線在穿過一個透鏡時，先穿過透鏡的前表面，再穿過透鏡 的后表面，所以，對于該透鏡，前表面為靠近物方的表面，后表面為靠近像方的表面。那么， 該實施例中，中固定組物鏡C的后表面(靠近像方的表面）、后固定組物鏡G-I的前表面(靠近 物方的表面)和后固定組物鏡G-2的前表面(靠近物方的表面)為非球面。
[0037] 這三個非球面采用CODE V軟件中的Asphere面型，方程為：
[0038]
[0039]其中，c為曲率，r為垂直光軸方向的徑向坐標，k為二次曲線常數，A為四階非球面 系數、B六階非球面系數、C為八階非球面系數、D為十階非球面系數。
[0040] 而且，
[0041] 中固定組的透鏡C的后表面非球面系數為：
[0042] k = 7.69；
[0043] A=1.4914E-7；
[0044] B = 4.6826E-12；
[0045] C=1.6105E-15；
[0046] 后固定組的透鏡G-I的前表面非球面系數為：
[0047] k = -1.1144；
[0048] A=1.5236E-6；
[0049] B = -3.7171E-9；
[0050] C = -3.5521E-11；
[0051] 后固定組的透鏡G-2的前表面非球面系數為：
[0052] k = 5 ；
[0053] A=1.6414E-7；
[0054] B = 1.2337E-8；
[0055] C=1.299E-ll〇
[0056] 表1給出了該光學系統的一組具體的光學系數，單位為mm。
[0057] 表 1
[0060] 移動組B和移動組D能夠沿著光軸前后直線移動，所以，在兩者的移動范圍內，如圖 2至圖4所示，該光學系統在短焦時，移動組B和移動組D在靠近物方的位置，在從短焦到長焦 變化過程中，移動組B和移動組D逐漸遠離物方運動，即向像方方向移動。如圖5所示，為移動 組B和移動組D的移動過程示意圖，以圖中的方位來看，當光學系統由短焦向長焦變化時，移 動組B與D固聯在一起向右做等速度線性移動來實現系統焦距的變化。而且，在該實施例中， 由于移動組B和D的前后移動，那么，前固定組物鏡A與移動組物鏡B-I之間會有一定的間隔， 其間隔范圍為2~90.4mm;而移動組物鏡B-I與移動組物鏡B-2之間的間隔恒定，為6.78mm; 移動組物鏡B-2與中固定組物鏡C之間會有一定的間隔，其間隔范圍為12.8~10 Imm;移動組 物鏡D-I與中固定組物鏡C之間的間隔范圍為13~101.45mm;而移動組物鏡D-I與移動組物 鏡D-2之間的間隔恒定，為4.58mm;移動組物鏡D-2與后固定組物鏡E-I之間的間隔會有一定 的間隔，其間隔范圍為0.5~88.9mm。通過控制調節移動組B和移動組D的位置，實現焦距的 調節。
[0061] 該光學系統采用二次成像的方式，使得光學系統的光闌與探測器的冷光闌完全重 合，實現了冷光闌效率100 %。避免了光線被切割從而減少通光量，使得系統的靈敏度降低； 同時，對熱輻射的雜光進行抑制，提高了系統的信噪比。
[0062]另外，為了縮短光學系統的長度，在后固定組物鏡E-2與后固定組物鏡G-I之間的 傳播光路中設置有兩個反射鏡，反射鏡F-I和反射鏡F-2,其中，反射鏡F-I與光軸成45°放 置，反射鏡F-2也與光軸成45°放置，通過這兩個反射鏡能夠使后固定組物鏡E-2的出射光線 與后固定組物鏡G-I的入射光線之間的夾角為180°，即兩個光線的方向相反。引入了兩個折 疊反射鏡，對光路進行兩次轉折，形成"U"型結構，縮短了系統長度，適應了機載光電設備對 紅外光學系統結構不能太長的要求。
[0063] 所以，在本實施例中，如圖1所示，正透鏡A、負透鏡B-I、負透鏡B-2、正透鏡C、負透 鏡D-I、負透鏡D-2、正透鏡E-I、正透鏡E-2同軸放置，其光線與正透鏡G-I和正透鏡G-2的光 線平行。光線從正透鏡A、負透鏡B-I、負透鏡B-2、正透鏡C、負透鏡D-I、負透鏡D-2、正透鏡E-1、正透鏡E-2到達折疊反射鏡F-I，經過反射鏡F-I反射后到達反射鏡F-2,經過反射鏡F-2反 射的光線由正透鏡G-I、正透鏡G-2會聚后成像在探測器H。
[0064]如圖6-8所不，分別為光學系統在短焦、中焦、長焦時的場曲畸變圖，可知畸變在大 小視場均小于1%，表明系統成像優良，滿足設計要求。
[0065] 如圖9-11所示，分別是光學系統在短焦、中焦、長焦時的點列圖，由圖可見，在不同 焦距時的點斑直徑均小于像元尺寸，表明系統成像優良，滿足設計要求。
[0066] 以上給出了具體的實施方式，但本實用新型不局限于所描述的實施方式。本實用 新型的基本思路在于上述基本方案，對本領域普通技術人員而言，根據本實用新型的教導， 設計出各種變形的模型、公式、參數并不需要花費創造性勞動。在不脫離本實用新型的原理 和精神的情況下對實施方式進行的變化、修改、替換和變型仍落入本實用新型的保護范圍 內。
【主權項】
1. 一種光學補償式長波紅外連續變焦光學系統，其特征在于，包括從物方到像方依次 設置的前固定鏡組、前移動鏡組、中固定鏡組、后移動鏡組和后固定鏡組，所述前移動鏡組 由依次設置的第一移動透鏡和第二移動透鏡組成，所述后移動鏡組由依次設置的第三移動 透鏡和第四移動透鏡組成，所述前移動鏡組和后移動鏡組在光軸上做等間距、等速度、同方 向的前后聯動以實現連續變焦;所述第一移動透鏡為凸面朝向物方的彎月形負透鏡，所述 第二移動透鏡為雙凹負透鏡，所述第三移動透鏡為凸面朝向物方的彎月形負透鏡，所述第 四移動透鏡為凹面朝向物方的彎月形負透鏡。2. 根據權利要求1所述的光學補償式長波紅外連續變焦光學系統，其特征在于，所述前 固定鏡組由第一固定透鏡組成，所述第一固定透鏡為凸面朝向物方的彎月形正透鏡;所述 中固定鏡組由第二固定透鏡組成，所述第二固定透鏡為雙凸正透鏡;所述后固定鏡組包括 四個透鏡:第三固定透鏡、第四固定透鏡、第五固定透鏡和第六固定透鏡，其中，第三固定透 鏡為凸面朝向物方的彎月形正透鏡，第四固定透鏡為凹面朝向物方的彎月形正透鏡，第五 固定透鏡為凹面朝向物方的彎月形正透鏡，第六固定透鏡為凹面朝向物方的彎月形正透 鏡。3. 根據權利要求1所述的光學補償式長波紅外連續變焦光學系統，其特征在于，所述前 移動鏡組和后移動鏡組固聯設置，以實現所述在光軸上做等距、等速、同向的前后聯動。4. 根據權利要求2所述的光學補償式長波紅外連續變焦光學系統，其特征在于，該連續 變焦光學系統實現的技術指標為:波段為7.7μπι~9.5μπι ;焦距為f = 33mm~500mm;視場為 20.62° ~1.38##為3。5. 根據權利要求2所述的光學補償式長波紅外連續變焦光學系統，其特征在于，所述 第二固定透鏡的靠近像方的表面、第五固定透鏡的靠近物方的表面和第六固定透鏡的靠近 物方的表面為非球面。6. 根據權利要求2所述的光學補償式長波紅外連續變焦光學系統，其特征在于，所述第 一固定透鏡的材料為單晶鍺，第一移動透鏡的材料為硒化鋅，第二移動透鏡的材料為單晶 鍺，第二固定透鏡的材料為單晶鍺，第三移動透鏡的材料為單晶鍺，第四移動透鏡的材料為 硒化鋅，第三固定透鏡的材料為單晶鍺，第四固定透鏡的材料為單晶鍺，第五固定透鏡的材 料為單晶鍺，第六固定透鏡的材料為單晶鍺。7. 根據權利要求2所述的光學補償式長波紅外連續變焦光學系統，其特征在于，所述光 學系統在短焦時，前移動鏡組和后移動鏡組組成的變焦鏡組在靠近物方的位置，在從短焦 到長焦變化過程中，所述變焦鏡組向像方方向移動。8. 根據權利要求7所述的光學補償式長波紅外連續變焦光學系統，其特征在于，所述第 一移動透鏡與第一固定透鏡的間隔范圍為2~90.4mm，所述第一移動透鏡與第二移動透鏡 的間隔為6.78mm，所述第二移動透鏡與第二固定透鏡之間的間隔范圍為12.8~101mm，所述 第三移動透鏡與第二固定透鏡之間的間隔范圍為13~101.45mm，所述第三移動透鏡與第四 移動透鏡之間的間隔為4.58mm，所述第四移動透鏡與第三固定透鏡之間的間隔范圍為0.5 ~88·9mm〇9. 根據權利要求8所述的光學補償式長波紅外連續變焦光學系統，其特征在于，所述第 一固定透鏡的靠近物方的表面的曲率半徑為153.84_，第一固定透鏡的靠近像方的表面的 曲率半徑為237.06mm;第一移動透鏡的靠近物方的表面的曲率半徑為145.47mm，第一移動 透鏡的靠近像方的表面的曲率半徑為77.06mm;第二移動透鏡的靠近物方的表面的曲率半 徑為-277.97mm，第二移動透鏡的靠近像方的表面的曲率半徑為260.06mm;第二固定透鏡的 靠近物方的表面的曲率半徑為326.11_，第二固定透鏡的靠近像方的表面的曲率半徑為-242.31mm;第三移動透鏡的靠近物方的表面的曲率半徑為25.09mm，第三移動透鏡的靠近像 方的表面的曲率半徑為22.01mm;第四移動透鏡的靠近物方的表面的曲率半徑為785.4mm， 第四移動透鏡的靠近像方的表面的曲率半徑為50.13mm;第三固定透鏡的靠近物方的表面 的曲率半徑為34.93mm，第三固定透鏡的靠近像方的表面的曲率半徑為25.91mm;第四固定 透鏡的靠近物方的表面的曲率半徑為28.09mm，第四固定透鏡的靠近像方的表面的曲率半 徑為155.52mm;第五固定透鏡的靠近物方的表面的曲率半徑為36.05mm，第五固定透鏡的靠 近像方的表面的曲率半徑為-305.74mm;第六固定透鏡的靠近物方的表面的曲率半徑為-166.05mm，第六固定透鏡的靠近像方的表面的曲率半徑為123.56mm; 所述第一固定透鏡的厚度為8.80mm，第一移動透鏡的厚度為10mm，第二移動透鏡的厚 度為10mm，第二固定透鏡的厚度為5.7392mm，第三移動透鏡的厚度為4.71mm，第四移動透鏡 的厚度為3mm，第三固定透鏡的厚度為3mm，第四固定透鏡的厚度為3mm，第五固定透鏡的厚 度為5.74mm，第六固定透鏡的厚度為5_。10.根據權利要求4所述的光學補償式長波紅外連續變焦光學系統，其特征在于，所述 第四固定透鏡與第五固定透鏡之間的光線傳播路徑上設置有第一反射鏡和第二反射鏡，通 過所述第一反射鏡和第二反射鏡使第四固定透鏡的出射光線與第五固定透鏡的入射光線 之間的夾角為180°。
【文檔編號】G03B17/17GK205581385SQ201620201386
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年3月16日
【發明人】吳海清, 趙新亮, 李萍, 田海霞, 崔莉, 李同海
【申請人】凱邁（洛陽）測控有限公司