專利名稱：無后固定組中波紅外30倍連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及應(yīng)用于中波制冷型紅外焦平面探測器的無后固定組中波紅外30倍連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
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(xué)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極佳的態(tài)勢感知，又能在發(fā)現(xiàn)目標時，調(diào)到小視場瞄準、跟蹤。在視場轉(zhuǎn)換過程中能夠保持圖像的連續(xù)性，對搜索和跟蹤高速運動目標非常有利。連續(xù)變焦解決了定檔變焦中兩檔與多檔鏡頭在視場切換的時間間隔內(nèi)對快速運動的目標丟失這一缺陷，因此，連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于機載光電偵察設(shè)備中。目前國內(nèi)對于中波紅外連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的研究已有文獻報道，但在大于20倍的系統(tǒng)中多針對320X240凝視焦平面陣列探測器，分辨率較低。楊為錦“中波紅外連續(xù)變焦系統(tǒng)設(shè)計”，基于制冷型320X240凝視焦平面陣列探測器，設(shè)計了一套高變倍比(18倍) 中波紅外連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)，實現(xiàn)了 Ilmm 200mm的連續(xù)變焦(《中國光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)》 2010,03(2)) ο陳呂吉“緊湊中波紅外連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計”，針對制冷型320X240凝視焦平面探測器，實現(xiàn)27. 5mm 458mm連續(xù)變焦(《紅外技術(shù)》2010，32 (10))。張良“中波紅外變焦距系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計”，介紹了一種制冷型320X240凝視型焦平面陣列探測器的中波紅外變焦光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計，該系統(tǒng)變焦范圍13mm 275mm(《應(yīng)用光學(xué)》2006，27 (I))。在國內(nèi)針對640X512凝視焦平面陣列探測器的中波紅外連續(xù)變焦系統(tǒng)中，南京航空航天大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，中國一航光電所，中國航天二院25所許照東，劉欣，尉鐘等發(fā)表了 “采用640X512元探測器的機載紅外系統(tǒng)設(shè)計”，針對中波640X512元紅外焦平面凝視探測器設(shè)計了一套I : 20，焦距范圍14mm 280mm小型高分辨率連續(xù)變焦紅外系統(tǒng)。其系統(tǒng)焦距較小，探測距離較近。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”的專利，該發(fā)明公開了一種能夠應(yīng)用于640 X 512元25 μ m制冷型中波探測器，焦距范圍 50 500mm，變倍比為10倍，移動透鏡組行程最大為123mm的中波紅外連續(xù)變焦鏡頭，但該專利的缺點是由于移動組最大行程過長，因此增加了視場切換時間，增大了保證寬、窄視場重合精度的難度。國外的連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)大于30倍的系統(tǒng)也較少。Yoram Aron等人設(shè)計了一種針對制冷型中波紅外探測器的30倍連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)，其光學(xué)系統(tǒng)采用三組元移動、三次成像實現(xiàn)連續(xù)變焦，焦距范圍23 701mm，系統(tǒng)F數(shù)4. 7，其系統(tǒng)采用三組元移動實現(xiàn)變焦， 機構(gòu)較復(fù)雜，且目前國內(nèi)很難采購F數(shù)4以上的探測器。Mark C. Sanson等人設(shè)計了一款大變倍比中波紅外連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)，其光學(xué)系統(tǒng)采用二組元變焦，二次成像技術(shù)，焦距范圍15. 2 456_，系統(tǒng)F數(shù)4. 5，使用了 11片玻璃，其中8片非球面和一個衍射面，設(shè)計針對的探測器國內(nèi)難以采購，且部分材料國內(nèi)批量生產(chǎn)和采購困難。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決國內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)存在的變倍比小于20倍，移動組行程較長；國外中波紅外 30倍光學(xué)系統(tǒng)F數(shù)大于4，國內(nèi)探測器應(yīng)用存在局限性和部分材料采購困難等問題，本發(fā)明提供一種可應(yīng)用于制冷型320X256元30 iim或640X 512元15 y m凝視型焦平面探測器， 具有恒定F數(shù)為4的無后固定組中波紅外30倍連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用二組元、無后固定組機械補償理論變焦，二次成像技術(shù)，僅使用硅、鍺，硒化鋅三種國內(nèi)常用材料，實現(xiàn)了焦距在17. 5mm 525mm范圍內(nèi)的連續(xù)可變，變倍組行程最大為106mm，補償組行程最大為 50mm，系統(tǒng)光學(xué)總長350mm，并實現(xiàn)100%的冷光闌效率。本發(fā)明所述的無后固定組中波紅外30倍連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的技術(shù)方案是從物側(cè)到像側(cè)依次由變焦物鏡和中繼組組成。變焦物鏡由前固定組透鏡、變倍組和補償組組成，三組透鏡的光焦度分配依次為正、負、正的結(jié)構(gòu)，通過變倍組和補償組的軸向移動來實現(xiàn)所述無后固定組中波紅外30倍連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的變焦功能，其中，前固定組透鏡為一個凸面朝向物側(cè)的彎月形硅正透鏡，用于會聚收光，無后固定組中波紅外30倍連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的焦距H)、無后固定組中波紅外30倍連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的一次成像焦距Fone與前固定組透鏡的焦距Fl之間，滿足如下關(guān)系:0. 0861 < F0/F1 < 2. 5857,0. 0753 < Fone/Fl < 2. 2617 ;變倍組由第二透鏡和第三透鏡組成，第二透鏡為一個凸面朝向物側(cè)一個表面接近平面的彎月形鍺正透鏡，第三透鏡為雙凹鍺負透鏡，變倍組在前固定組透鏡和補償組之間軸向移動以改變所述無后固定組中波紅外30倍連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的焦距，改變變倍倍率，同時可以利用該組的軸向微量移動實現(xiàn)所述無后固定組中波紅外30倍連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的溫度補償；補償組由第四、第五和第六透鏡組成，第四透鏡為雙凸正透鏡，第五透鏡為凸面朝向物側(cè)的彎月形硅正透鏡，第六透鏡為凸面朝向物側(cè)的彎月形鍺負透鏡，補償組在變倍組和中繼組之間軸向移動，用于補償所述無后固定組中波紅外30倍連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)在變焦過程中的像面位置的移動。中繼組由第七、第八、第九和第十透鏡組成，第七透鏡為雙凸硅正透鏡，第八、第九透鏡為朝向像側(cè)的彎月形鍺負透鏡，第十透鏡為凸面朝向像側(cè)的硒化鋅正透鏡，用于實現(xiàn)所述無后固定組中波紅外30倍連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)在變焦過程中的像中繼和穩(wěn)定像面。前固定組透鏡、變倍組、補償組中有非球面，中繼組中有一面為非球面疊加衍射面。本發(fā)明的有益效果為采用二組元、無后固定組機械補償變焦原理，二次成像技術(shù)，具有恒定F數(shù)4，變倍組透鏡行程106mm，補償組透鏡行程50mm，實現(xiàn)了 30倍連續(xù)變焦， 系統(tǒng)光學(xué)總長僅為350mm，具有大變倍比、光學(xué)總長短、變焦行程短、結(jié)構(gòu)緊湊、變焦軌跡平滑、成像質(zhì)量優(yōu)良、易于光學(xué)加工制造的優(yōu)點。


圖I為本發(fā)明無后固定組中波紅外30倍連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)在長焦(F = 525mm) 位置的示意圖；圖2為本發(fā)明無后固定組中波紅外30倍連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)在中焦(F = 300mm) 位置的示意圖；圖3為本發(fā)明無后固定組中波紅外30倍連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)在短焦(F = 17. 5mm) 位置的示意圖4至圖6為本發(fā)明無后固定組中波紅外30倍連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)在長焦(F = 525mm)位置的成像光學(xué)仿真數(shù)據(jù)圖；圖7至圖9為本發(fā)明無后固定組中波紅外30倍連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)在中焦(F = 300mm)位置的成像光學(xué)仿真數(shù)據(jù)圖；圖10至圖12為本發(fā)明無后固定組中波紅外30倍連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)在短焦(F = 17. 5mm)位置的成像光學(xué)仿真數(shù)據(jù)圖；圖中，I.變焦物鏡，110.前固定組透鏡，120.變倍組，122.第二透鏡，124.第三透鏡，130.補償組，132.第四透鏡，134.第五透鏡，136.第六透鏡，2.中繼組，21.第七透鏡， 22.第八透鏡，23.第九透鏡，24.第十透鏡，3.光闌，O.物側(cè)，I.像側(cè)，SI S20.表示各鏡片的表面。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖，通過實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明。該實施例是本發(fā)明應(yīng)用于制冷型320X256元30 μ m或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)明所述無后固定組中波紅外30倍連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)在長焦焦距525mm、中焦焦距300mm、短焦焦距17. 5mm位置的光學(xué)系統(tǒng)示意圖。從物側(cè)O到像側(cè)I依次由變焦物鏡I和中繼組2組成。變焦物鏡I由前固定組透鏡110、變倍組120 和補償組130組成，這三組透鏡的光焦度分配依次為正、負、正的結(jié)構(gòu)，變焦物鏡依靠變倍組和補償組的軸向移動來實現(xiàn)所述無后固定組中波紅外30倍連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的變焦功能，其中，前固定組透鏡110為一個凸面朝向物側(cè)的彎月形硅正透鏡，用于會聚收光，無后固定組中波紅外30倍連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的焦距H)、無后固定組中波紅外30倍連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的一次成像焦距Fone與前固定組透鏡的焦距Fl之間，滿足如下關(guān)系0. 0861 < FO/ Fl < 2. 5857，O. 0753 < Fone/Fl < 2. 2617 ;變倍組120由具有正光焦度的第二透鏡122和具有負光焦度的第三透鏡124組成，第二透鏡為凸面彎向物側(cè)、凹面接近平面并凹向物側(cè)的鍺正透鏡，第三透鏡為雙凹形鍺負透鏡，變倍組在前固定組透鏡和補償組之間軸向移動以改變所述無后固定組中波紅外30倍連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的焦距，改變變倍倍率，同時可以利用該組的軸向微量移動實現(xiàn)所述無后固定組中波紅外30倍連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的溫度補償；補償組130由具有正光焦度的第四透鏡132、具有正光焦度的第五透鏡134和具有負光焦度的第六透鏡136組成，第四透鏡132為雙凸硅正透鏡，第五透鏡134為凸面朝向物側(cè)的彎月形硅正透鏡，第六透鏡136為凸面朝向物側(cè)的彎月形鍺負透鏡，補償組在變倍組和中繼組之間軸向移動，用于補償所述無后固定組中波紅外30倍連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)在變焦過程中的像面位置的偏移；中繼組2由具有正光焦度的第七透鏡21、具有負光焦度的第八透鏡22、具有負光焦度的第九透鏡23和具有正光焦度的第十透鏡24組成，第七透鏡為雙凸型硅正透鏡，第八透鏡為凸面朝向像側(cè)的彎月形鍺負透鏡，第九透鏡為凸面朝向像側(cè)的彎月形鍺負透鏡，第十透鏡為凸面朝向像側(cè)的彎月形硒化鋅正透鏡，中繼組的作用是一次成像面中繼成像到像方位置，保證100%冷光闌效率。本實施例避免了在硅透鏡上加衍射面，且所有非球面的非球面度均小于O. 1mm，易于光學(xué)加工制造，精度易于保證。
表一本發(fā)明無后固定組中波紅外30倍連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)選實施例。
權(quán)利要求
1.無后固定組中波紅外30倍連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于從物側(cè)(0)到像側(cè)(I) 依次由變焦物鏡(I)和中繼組(2)組成。變焦物鏡(I)由前固定組透鏡(110)、變倍組 (120)和補償組(130)組成，這三組透鏡的光焦度分配依次為正、負、正的結(jié)構(gòu)，變焦物鏡依靠變倍組和補償組的軸向移動來實現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)的變焦功能，其中，前固定組透鏡(110)為一個凸面朝向物側(cè)的彎月形硅正透鏡，用于會聚收光，無后固定組中波紅外30倍連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的焦距H)、無后固定組中波紅外30倍連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的一次成像焦距Fone與前固定組透鏡的焦距Fl之間，滿足如下關(guān)系:0. 0861 < F0/F1 < 2. 5857,0. 0753 < Fone/ Fl < 2. 2617 ;變倍組(120)由具有正光焦度的第二透鏡(122)和具有負光焦度的第三透鏡(124)組成，第二透鏡為凸面彎向物側(cè)、凹面接近平面并凹向物側(cè)的鍺正透鏡，第三透鏡為雙凹形鍺負透鏡，變倍組在前固定組透鏡和補償組之間軸向移動以改變光學(xué)系統(tǒng)的焦距，改變變倍倍率，同時可以利用該組的軸向微量移動實現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)的溫度補償；補償組 (130)由具有正光焦度的第四透鏡(132)、具有正光焦度的第五透鏡(134)和具有負光焦度的第六透鏡(136)組成，第四透鏡為雙凸硅正透鏡，第五透鏡為凸面朝向物側(cè)的彎月形硅正透鏡，第六透鏡為凸面朝向物側(cè)的彎月形鍺負透鏡，補償組在變倍組和中繼組之間軸向移動，用于補償光學(xué)系統(tǒng)在變焦過程中的像面位置的偏移；中繼組(2)由具有正光焦度的第七透鏡(21)、具有負光焦度的第八透鏡(22)、具有負光焦度的第九透鏡(23)和具有正光焦度的第十透鏡(24)組成，第七透鏡為雙凸型硅正透鏡，第八透鏡為凸面朝向像側(cè)的彎月形鍺負透鏡，第九透鏡為凸面朝向像側(cè)的彎月形鍺負透鏡，第十透鏡為凸面朝向像側(cè)的彎月形硒化鋅正透鏡；中繼組的作用是實現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)在變焦過程中的像中繼和穩(wěn)定像面，保證100%冷光闌效率。前固定組透鏡的S2面、變倍組的S3面、補償組的Sll面為非球面，中繼組中的S19面為非球面疊加衍射面。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于采用二組元機械補償、無后固定組的結(jié)構(gòu)，具有30倍的大變倍比，焦距在17. 5mm 525mm范圍內(nèi)連續(xù)可變，變倍組(120)行程最大為106mm,補償組(130)行程最大為50mm,光學(xué)系統(tǒng)F數(shù)為4恒定不變,光學(xué)總長350mm, 并具有100%的冷光闌效率。
全文摘要
無后固定組中波紅外30倍連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)，從物側(cè)到像側(cè)依次由變焦物鏡和中繼組組成；變焦物鏡由前固定組透鏡、變倍組和補償組組成，三組透鏡的光焦度分配依次為正、負、正的結(jié)構(gòu)，通過變倍組和補償組的軸向移動實現(xiàn)變焦功能；中繼組由四片透鏡組成，第一片為雙凸硅正透鏡，第二、第三片為朝向像側(cè)的彎月形鍺負透鏡，第四片為凸面朝向像側(cè)的硒化鋅正透鏡，用于實現(xiàn)變焦過程中的像中繼和穩(wěn)定像面。本發(fā)明采用二組元、無后固定組機械補償變焦，二次成像技術(shù)，實現(xiàn)了30倍的大變倍比，焦距在17.5mm～525mm范圍內(nèi)連續(xù)可變，變倍組行程最大為106mm，補償組行程最大為50mm，系統(tǒng)光學(xué)總長350mm，實現(xiàn)100％的冷光闌效率。
文檔編號G02B15/20GK102608734SQ20121008996
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月30日
發(fā)明者付艷鵬, 戴賦貴, 曹凌, 李林, 李訓(xùn)牛, 王海洋, 陳津津 申請人:昆明物理研究所