雙組聯動紅外連續變焦光學系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及雙組聯動紅外連續變焦光學系統，包括從物方到像方沿光軸依次設置的前固定組、第一變倍組、補償組、第二變倍組和后固定組，第一變倍組和第二變倍組同方向、同速度在光軸上做軸向線性運動，補償組在光軸上以相對方向做軸向非線性運動，以實現像面位移補償；該系統由兩個變倍組及位于兩個變倍組之間的補償組組成，由于兩個變倍組分擔了光焦度，因此在變倍過程中產生的像面位移小，從而減輕了補償組的負擔，使得補償組運動曲線平緩。該光學系統結構簡單，易實現小型化。在不需要增加系統控制難度的同時，可以減少系統鏡片數量、實現小型化，同時能夠提高光學系統的變倍比。
【專利說明】
雙組聯動紅外連續變焦光學系統
技術領域
[0001 ]本實用新型涉及雙組聯動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。光學補償式變焦系統，因移動組同時擔負變倍與補 償的功能，不易實現大變倍比的變焦系統;機械補償式變焦系統，系統組元之間變化的間隔 較少，系統總體長度較長，不易實現小型化。 【實用新型內容】
[0004] 本實用新型的目的是提供一種雙組聯動紅外連續變焦光學系統，用以解決現有的 光學系統不易實現大變倍比的問題。
[0005] 為實現上述目的，本實用新型的方案包括一種雙組聯動紅外連續變焦光學系統， 包括從物方到像方沿光軸依次設置的前固定組、第一變倍組、補償組、第二變倍組和后固定 組，所述第一變倍組和第二變倍組同方向、同速度在光軸上做軸向線性運動，所述補償組在 光軸上以相對方向做軸向非線性運動，以實現連續變焦。
[0006] 所述前固定組為一個前固定透鏡，該前固定透鏡為凸面朝向物方的彎月形正透 鏡;第一變倍組為第一變倍透鏡，該第一變倍透鏡為一個雙凹負透鏡;補償組為一個補償透 鏡，該補償透鏡為一個凸面朝向物方的彎月形正透鏡;第二變倍組為第二變倍透鏡，該第二 變倍透鏡為一個凸面朝向物方的彎月形負透鏡;所述后固定組由依次設置的第一后固定組 和第二后固定組構成，所述第一后固定組由依次設置的第一后固定透鏡和第二后固定透鏡 構成，所述第二后固定組由依次設置的第三后固定透鏡和第四后固定透鏡構成，所述第一 后固定透鏡為一個凹面朝向物方的彎月形正透鏡，所述第二后固定透鏡為一個凹面朝向物 方的彎月正透鏡，所述第三后固定透鏡為凹面朝向物方的彎月形正透鏡，所述第四后固定 透鏡為一個凹面朝向物方的彎月形負透鏡。
[0007] 該光學系統的設計參數指標為：波段:7 · 7μπι~9 · 5μL?;焦距：f' = 33mm~500mm;視 場：20.62°~1.38。
[0008] 所述光學系統還包括一個探測器，所述探測器為像元數:320 X 256，像元尺寸為30 ym，F#為3的長波制冷型探測器。
[0009]所述前固定透鏡的靠近物方的表面、補償透鏡的靠近像方的表面和第三后固定透 鏡的靠近物方的表面為非球面。
[0010]所述前固定透鏡、第一變倍透鏡、第二變倍透鏡、第一后固定透鏡、第三后固定透 鏡和第四后固定透鏡的材料為單晶鍺，所述補償透鏡和第二后固定透鏡的材料為硒化鋅。 [0011]所述前固定透鏡的靠近物方的表面的曲率半徑為148.72_，靠近像方的表面的曲 率半徑為206.69mm;第一變倍透鏡的靠近物方的表面的曲率半徑為-552.84mm，靠近像方的 表面的曲率半徑為122.92mm;補償透鏡的靠近物方的表面的曲率半徑為63.70mm，靠近像方 的表面的曲率半徑為75.84mm;第二變倍透鏡的靠近物方的表面的曲率半徑為40.48mm，靠 近像方的表面的曲率半徑為31.42mm;第一后固定透鏡的靠近物方的表面的曲率半徑為-47.25mm，靠近像方的表面的曲率半徑為-50.22mm;第二后固定透鏡的靠近物方的表面的曲 率半徑為-193.95mm，靠近像方的表面的曲率半徑為-84.76mm;第三后固定透鏡的靠近物方 的表面的曲率半徑為24.15mm，靠近像方的表面的曲率半徑為44.41mm;第四后固定透鏡的 靠近物方的表面的曲率半徑為65.58mm，靠近像方的表面的曲率半徑為26.54_。
[0012]所述前固定透鏡的厚度為14mm，第一變倍透鏡的厚度為3.85mm，補償透鏡的厚度 為10mm，第二變倍透鏡的厚度為8.86mm，第一后固定透鏡的厚度為4mm，第二后固定透鏡的 厚度為3.5mm，第三后固定透鏡的厚度為5.12_，第四后固定透鏡的厚度為5mm;前固定透鏡 與第一變倍透鏡之間的間隔為20mm~93.24mm，第一變倍透鏡與補償透鏡之間的間隔為 0.76mm~135mm，補償透鏡與第二變倍透鏡之間的間隔為2mm~136.23mm，第二變倍透鏡與 第一后固定透鏡之間的間隔為7.04mm~80.29mm，第一后固定透鏡與第二后固定透鏡之間 的間隔為〇. 5mm，第三后固定透鏡與第四后固定透鏡之間的間隔為3mm。
[0013]所述第二后固定透鏡與第三后固定透鏡之間的光路上設置有兩個反射鏡，第二后 固定透鏡射出的光線依次經這兩個反射鏡的反射后射入到第三后固定透鏡中；第二后固定 透鏡與第一反射鏡之間的間隔為20mm，第一反射鏡與第二反射鏡之間的間隔為100mm，第二 反射鏡與第三后固定透鏡之間的間隔為20_。
[0014] 本實用新型提供的光學系統中，兩個變倍組之間設置有一個補償組，在變倍時，這 兩個變倍組同方向、同速度沿著光軸做軸向線性移動，而補償組沿著與變倍組相反的方向、 沿光軸做軸向非線性移動，通過這種運動方式實現連續變焦，實現短焦、中焦和長焦的隨意 變換，所以，該光學系統能夠實現大變倍比;并且，該光學系統中的透鏡個數較少，系統結構 簡單，不復雜，易實現小型化。在不需要增加移動組元及系統控制難度的同時，可以減少系 統鏡片數量、實現小型化同時能夠提高光學系統的變倍比。
【附圖說明】
[0015] 圖1是雙組聯動紅外連續變焦光學系統結構示意圖；
[0016] 圖2是光學系統變倍組和補償組之間的移動過程示意圖；
[0017]圖3是光學系統在短焦狀態下的透鏡位置關系示意圖；
[0018]圖4是光學系統在中焦狀態下的透鏡位置關系示意圖；
[0019]圖5是光學系統在長焦狀態下的透鏡位置關系示意圖；
[0020]圖6是光學系統在短焦狀態下的傳遞函數圖；
[0021 ]圖7是光學系統在中焦狀態下的傳遞函數圖；
[0022]圖8是光學系統在長焦狀態下的傳遞函數圖；
[0023] 圖9是光學系統在短焦狀態下的場曲畸變圖；
[0024] 圖10是光學系統在中焦狀態下的場曲畸變圖；
[0025]圖11是光學系統在長焦狀態下的場曲畸變圖；
[0026] 圖12是光學系統在短焦狀態下的點列圖；
[0027] 圖13是光學系統在中焦狀態下的點列圖；
[0028] 圖14是光學系統在長焦狀態下的點列圖；
[0029]圖15是光學系統變焦曲線圖；
[0030]圖16是光學系統凸輪運動曲線圖。
【具體實施方式】
[0031 ]下面結合附圖對本實用新型做進一步詳細的說明。
[0032] 如圖1所示，雙組聯動紅外連續變焦光學系統包括從物方到像方沿光軸依次設置 的前固定組、第一變倍組、補償組、第二變倍組和后固定組，其中，前固定組為前固定透鏡A， 第一變倍組為變倍透鏡B-I，補償組為補償透鏡C，第二變倍組為變倍透鏡B-2。如圖2所示， 在變焦時，變倍透鏡B-I和變倍透鏡B-2在光軸上做同方向、同速度的軸向線性運動，以實現 系統焦距的變化;補償透鏡C在光軸上沿相對方向做軸向非線性運動，以補償變焦過程中像 面位移，從而保持系統像面穩定，即補償透鏡C與兩個變倍透鏡的運動方向時刻相反，比如： 當變倍透鏡B-I和變倍透鏡B-2向左運動時，補償透鏡C向右運動。另外，為了便于實現變倍 透鏡B-I和變倍透鏡B-2做同方向、同速度的運動，可以將這兩個變倍透鏡固聯在一起。
[0033] 該變焦系統在焦距的變化過程中，變倍組與補償組的相對位置是一一對應的，補 償組的非線性運動取決于決變倍組的線性運動。變倍組線性運動的斜率不同則補償組的非 線性曲線就不同。因此，在變倍組與補償組二者相對位移保持不變的情況下，以及能夠實現 連續變焦的前提下，變倍組和補償組可以有不同的運動曲線。另外，這在系統結構設計時需 要考慮如何降低運動過程中的摩擦力，從而優化出最佳運動曲線。
[0034] 該光學系統實現的技術指標為：波段：7·7μηι~9·5μηι;焦距：f =33mm~500mm;視 場:20.62°~1.38;并且，其適配像元數:320 X 256，像元尺寸為30ym，F#為3的長波制冷型探 測器。
[0035] 在本實施例中，后固定組包括依次設置的后固定組D和后固定組F，其中，后固定組 D包括依次設置的兩個透鏡，后固定透鏡D-I和后固定透鏡D-2;后固定組F包括依次設置的 兩個透鏡，后固定透鏡F-I和后固定透鏡F-2。另外，為了適應機載光電設備對紅外光學系統 結構不能太長的要求，該光學系統中引入兩個折疊反射鏡:反射鏡E-I和反射鏡E-2,這兩個 反射鏡設置在后固定透鏡D-2和后固定透鏡F-I之間，后固定透鏡D-2射出的光線依次經這 兩個反射鏡的反射后射入到后固定透鏡F-I中。這兩個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。
[0036] 本實施例中，透鏡A為一個凸面朝向物方的彎月形正透鏡，透鏡B-I為一個雙凹負 透鏡，透鏡C為一個凸面朝向物方的彎月形正透鏡，透鏡B-2為一個凸面朝向物方的彎月形 負透鏡，透鏡D-I為一個凹面朝向物方的彎月形正透鏡，透鏡D-2為一個凹面朝向物方的彎 月正透鏡。折疊反射鏡E-I與光軸成45°放置，折疊反射鏡E-2與光軸成45°放置，通過這兩個 反射鏡的反射，能夠使光路的方向改變180°。透鏡F-I為一個凹面朝向物方的彎月形正透 鏡，透鏡F-2為一個凹面朝向物方的彎月形負透鏡。
[0037] 光線從正透鏡A、負透鏡B-1、正透鏡C、負透鏡B-2、正透鏡D-1、正透鏡D-2到達折疊 反射鏡E-I，經過反射鏡E-I反射后到達反射鏡E-2,經過反射鏡E-2反射的光線由正透鏡F-1、負透鏡F-2會聚后成像在探測器G。
[0038] 定義:透鏡的前表面為靠近物方的表面，后表面為靠近像方的表面。那么，在本實 施例中，透鏡A的前表面（即靠近物方的表面）、透鏡C的后表面（即靠近像方的表面)和透鏡 F-I的前表面采用非球面，非球面采用CODE V軟件中的Asphere面型，方程為：
[0039]
[0040] 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。
[0041] 前固定組的透鏡A的前表面非球面系數為：
[0042] k = 0；
[0043] A=1.4724E-9
[0044] Β = 5·7347Ε-14
[0045] C = 4.5816E-18
[0046] 移動透鏡C的后表面非球面系數為：
[0047] k = -0.96;
[0048] A = 6.8950E7
[0049] B = 6.3832E-11
[0050] C = 9.1545E-16
[0051] 后固定組的透鏡F-I的前表面非球面系數為：
[0052] k = -0.15；
[0053] Α = 4·8778Ε-7
[0054] Β = 5.9341Ε-10
[0055] C = 3.2438E-12
[0056] 如表1所示，給出了一組該光學系統的光學參數，單位為mm。
[0057] 表 1
[0060]如圖3,4和5所示，該光學系統在連續變焦過程中，當減小系統的焦距時，比如由長 焦或者中焦變為短焦時，透鏡B-I和透鏡B-2等速度向物方所在的方向移動，同時補償組C向 像方所在的方向移動；當增大系統的焦距時，比如由短焦或者中焦變為長焦時，透鏡B-I和 透鏡B-2等速度向像方所在的方向移動，同時補償組C向物方所在的方向移動。如果以附圖 中的方位進行說明的話，當減小系統的焦距時，透鏡B-I和透鏡B-2等速度向左移動，同時補 償組C向右移動；當增大系統的焦距時，透鏡B-I和透鏡B-2等速度向右移動，同時補償組C向 左移動。基于表1給出的數據，變倍透鏡B-I和B-2的行程為73.24mm，補償透鏡C的行程為 61mm〇
[0061] 圖6-8是本實用新型實施例在短焦、中焦、長焦時的調制傳遞函數曲線，和所適配 的分辨率為320 X 256的長波紅外制冷探測器對應的空間分別率為161p/mm時，系統傳遞函 數最低值接近〇. 4，表明光學系統成像優良，滿足要求。
[0062] 圖9-11是本實用新型實施例在短焦、中焦、長焦時的場曲畸變圖，由圖可見，光學 系統在不同焦距時的畸變均小于2.5%，表明系統成像優良，滿足設計要求。
[0063] 圖12-14是本實用新型實施例在短焦、中焦、長焦時的點列圖，由圖可見，光學系統 在不同焦距時的彌散斑直徑均小于紅外探測器像元尺寸，表明系統成像優良，滿足設計要 求。
[0064]圖15是光學系統變焦曲線圖，橫坐標表示不同時刻的焦距值，縱坐標表示為不同 焦距時變倍組與補償組在光軸方向上與前固定組對應的距離。可見，在變焦過程中，變倍組 與補償組運行平滑無拐點，不會出現卡滯現象。
[0065] 變倍組和補償組均可以通過凸輪進行軸向移動，圖16是光學系統凸輪運動曲線 圖，橫坐標表示凸輪圓周角度，縱坐標表示變倍組與補償組在軸向距離。可見，在變焦過程 中，變倍組做線性運動，補償組做如圖所示的非線性運動。
[0066] 另外，該光學系統采用二次成像的方式，光學系統的出瞳位置與制冷探測器自身 的冷光闌重合，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。
[0067] 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. 一種雙組聯動紅外連續變焦光學系統，其特征在于，包括從物方到像方沿光軸依次 設置的前固定組、第一變倍組、補償組、第二變倍組和后固定組，所述第一變倍組和第二變 倍組同方向、同速度在光軸上做軸向線性運動，所述補償組在光軸上以相對方向做軸向非 線性運動，以實現連續變焦。2. 根據權利要求1所述的雙組聯動紅外連續變焦光學系統，其特征在于，所述前固定組 為一個前固定透鏡，該前固定透鏡為凸面朝向物方的彎月形正透鏡;第一變倍組為第一變 倍透鏡，該第一變倍透鏡為一個雙凹負透鏡;補償組為一個補償透鏡，該補償透鏡為一個凸 面朝向物方的彎月形正透鏡;第二變倍組為第二變倍透鏡，該第二變倍透鏡為一個凸面朝 向物方的彎月形負透鏡;所述后固定組由依次設置的第一后固定組和第二后固定組構成， 所述第一后固定組由依次設置的第一后固定透鏡和第二后固定透鏡構成，所述第二后固定 組由依次設置的第三后固定透鏡和第四后固定透鏡構成，所述第一后固定透鏡為一個凹面 朝向物方的彎月形正透鏡，所述第二后固定透鏡為一個凹面朝向物方的彎月正透鏡，所述 第三后固定透鏡為凹面朝向物方的彎月形正透鏡，所述第四后固定透鏡為一個凹面朝向物 方的彎月形負透鏡。3. 根據權利要求1所述的雙組聯動紅外連續變焦光學系統，其特征在于，該光學系統的 設計參數指標為:波段:7.7μπι~9.5μL?;焦距:f' = 33mm~500mm;視場:20.62°~1.38。4. 根據權利要求1所述的雙組聯動紅外連續變焦光學系統，其特征在于，所述光學系統 還包括一個探測器，所述探測器為像元數= 320X256,像元尺寸為30ym，F#為3的長波制冷型 探測器。5. 根據權利要求2所述的雙組聯動紅外連續變焦光學系統，其特征在于，所述前固定透 鏡的靠近物方的表面、補償透鏡的靠近像方的表面和第三后固定透鏡的靠近物方的表面為 非球面。6. 根據權利要求2所述的雙組聯動紅外連續變焦光學系統，其特征在于，所述前固定透 鏡、第一變倍透鏡、第二變倍透鏡、第一后固定透鏡、第三后固定透鏡和第四后固定透鏡的 材料為單晶鍺，所述補償透鏡和第二后固定透鏡的材料為硒化鋅。7. 根據權利要求2所述的雙組聯動紅外連續變焦光學系統，其特征在于，所述前固定透 鏡的靠近物方的表面的曲率半徑為148.72mm，靠近像方的表面的曲率半徑為206.69mm;第 一變倍透鏡的靠近物方的表面的曲率半徑為-552.84mm，靠近像方的表面的曲率半徑為 122.92mm;補償透鏡的靠近物方的表面的曲率半徑為63.70mm，靠近像方的表面的曲率半徑 為75.84mm;第二變倍透鏡的靠近物方的表面的曲率半徑為40.48mm，靠近像方的表面的曲 率半徑為31.42mm;第一后固定透鏡的靠近物方的表面的曲率半徑為-47.25_，靠近像方的 表面的曲率半徑為-50.22_;第二后固定透鏡的靠近物方的表面的曲率半徑為-193.95_， 靠近像方的表面的曲率半徑為-84.76mm;第三后固定透鏡的靠近物方的表面的曲率半徑為 24.15_，靠近像方的表面的曲率半徑為44.41mm;第四后固定透鏡的靠近物方的表面的曲 率半徑為65.58mm，靠近像方的表面的曲率半徑為26.54mm。8. 根據權利要求2所述的雙組聯動紅外連續變焦光學系統，其特征在于，所述前固定透 鏡的厚度為14mm，第一變倍透鏡的厚度為3.85_，補償透鏡的厚度為10_，第二變倍透鏡的 厚度為8.86mm，第一后固定透鏡的厚度為4mm，第二后固定透鏡的厚度為3.5mm，第三后固定 透鏡的厚度為5.12mm，第四后固定透鏡的厚度為5mm;前固定透鏡與第一變倍透鏡之間的間 隔為20mm~93.24mm，第一變倍透鏡與補償透鏡之間的間隔為0.76mm~135mm，補償透鏡與 第二變倍透鏡之間的間隔為2mm~136.23mm，第二變倍透鏡與第一后固定透鏡之間的間隔 為7.04mm~80.29mm，第一后固定透鏡與第二后固定透鏡之間的間隔為0.5mm，第三后固定 透鏡與第四后固定透鏡之間的間隔為3mm。9.根據權利要求8所述的雙組聯動紅外連續變焦光學系統，其特征在于，所述第二后固 定透鏡與第三后固定透鏡之間的光路上設置有兩個反射鏡，第二后固定透鏡射出的光線依 次經這兩個反射鏡的反射后射入到第三后固定透鏡中；第二后固定透鏡與第一反射鏡之間 的間隔為20mm，第一反射鏡與第二反射鏡之間的間隔為100mm，第二反射鏡與第三后固定透 鏡之間的間隔為20mm。
【文檔編號】G02B15/167GK205581386SQ201620201341
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年3月16日
【發明人】吳海清, 李同海, 崔莉, 田海霞, 李萍, 趙新亮
【申請人】凱邁（洛陽）測控有限公司