專(zhuān)利名稱(chēng)：三組元中波紅外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)成像技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及ー種三組元紅外連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
紅外連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的焦距在一定范圍內(nèi)連續(xù)改變時(shí)，像面穩(wěn)定并且能保持良好的像質(zhì)。像面景物的大小連續(xù)可變，能達(dá)到定焦鏡頭和多檔變焦鏡頭無(wú)法達(dá)到的視覺(jué)效果，從而實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)搜索目標(biāo)，小視場(chǎng)仔細(xì)觀(guān)察目標(biāo)的目的。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于中波紅外連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的研究已有文獻(xiàn)報(bào)道，但多為采用 320X240元焦平面陣列探測(cè)器的設(shè)計(jì)，且長(zhǎng)焦焦距不大于500mm，變倍比均小于20倍。例如楊為錦“中波紅外連續(xù)變焦系統(tǒng)設(shè)計(jì)”，基于制冷型320X240凝視焦平面陣列探測(cè)器， 設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了 11 200mm的連續(xù)變焦 (《中國(guó)光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)》2010，03(2))。郜洪云“中波紅外連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)”，針對(duì)制冷型 320X240元凝視焦平面陣列探測(cè)器，設(shè)計(jì)了ー個(gè)中波紅外連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)50 500mm的連續(xù)變焦(《光學(xué)精密工程》2007，15 (7))。陳呂吉“緊湊中波紅外連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)”，針對(duì)制冷型320X240凝視焦平面探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)27. 5 458mm連續(xù)變焦(《紅外技木》2010，32 (10))。張良“中波紅外變焦距系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)”，介紹了ー種制冷型320X240凝視型焦平面陣列探測(cè)器的中波紅外變焦光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)變焦范圍 13 275mm (《應(yīng)用光學(xué)》2006，27 (I))。對(duì)于采用640X512元凝視焦平面陣列探測(cè)器的設(shè)計(jì)，公開(kāi)的文獻(xiàn)有中國(guó)電子科技集団公司第十一研究所“ー種中波紅外連續(xù)變焦鏡頭”的專(zhuān)利，該發(fā)明公開(kāi)了ー種能夠應(yīng)用于640 X 512元25 m制冷型中波探測(cè)器，焦距范圍50 500mm，變倍比為10倍，移動(dòng)透鏡組行程最大為123mm的中波紅外連續(xù)變焦鏡頭，但該專(zhuān)利的缺點(diǎn)是由于移動(dòng)組最大行程過(guò)長(zhǎng)，因此增加了視場(chǎng)切換時(shí)間，増大了保證寬、窄視場(chǎng)重合精度的難度。國(guó)外對(duì)30倍中波紅外連續(xù)變焦系統(tǒng)的設(shè)計(jì)已有少量文獻(xiàn)報(bào)道，但系統(tǒng)F數(shù)均大于 4。如Yoram Aron等報(bào)道的30倍連續(xù)變焦系統(tǒng)和Mark C. Sanson等報(bào)道的30倍連續(xù)變焦系統(tǒng)，光學(xué)系統(tǒng)F/#分別為4. 7和4. 5。然而，國(guó)內(nèi)中波紅外制冷型探測(cè)器F數(shù)要求不大于 4，因此不能滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)現(xiàn)階段探測(cè)器的應(yīng)用需求。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決國(guó)內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)存在的變倍比小于20倍，長(zhǎng)焦焦距小于500mm，移動(dòng)組最大行程較長(zhǎng)；國(guó)外30倍光學(xué)系統(tǒng)F數(shù)大于4，應(yīng)用國(guó)內(nèi)探測(cè)器存在局限性等問(wèn)題，本發(fā)明提供一種可應(yīng)用于制冷型640X512元15 iim或320 X 240元30 iim凝視型焦平面探測(cè)器，具有恒定F數(shù)4的中波紅外30倍連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用三組元變焦、三次成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)了焦距在25 750mm范圍內(nèi)的連續(xù)可變，由長(zhǎng)焦750mm變焦到短焦25mm時(shí)，變焦I透鏡組、補(bǔ)償透鏡組和變焦II透鏡組的移動(dòng)行程分別為70. 85mm、33. 38mm和16. 29mm，并實(shí)現(xiàn) 100%的冷光闌效率。
本發(fā)明所述的三組元中波紅外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)依次由前固定透鏡組、變焦I透鏡組、補(bǔ)償透鏡組、后固定透鏡組、第一反射鏡、變焦II 透鏡組、二次成像固定透鏡組、第二反射鏡和三次成像透鏡組成，七組透鏡的光焦度分配依次為正、負(fù)、正、正、正、負(fù)、正的結(jié)構(gòu)。其中，前固定透鏡組為一個(gè)凸面朝向物側(cè)的彎月形硅正透鏡，用于會(huì)聚收光，三組元中波紅外連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的焦距H)、三組元中波紅外連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的一次成像焦距Fone、三組元中波紅外連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的二次成像焦距 Ftwo與前固定透鏡組的焦距Fl之間，滿(mǎn)足如下關(guān)系:0. 13 < F0/F1 < 4. 12，0. 15 < Fone/ Fl < I. 5,0. 08 < Ftwo/Fl < 2. 45 ;變焦I透鏡組為一個(gè)雙凹形鍺負(fù)透鏡，用于改變所述的三組元中波紅外連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的焦距和改變變倍倍率；補(bǔ)償透鏡組為一個(gè)雙凸形硅正透鏡，用于補(bǔ)償所述的三組元中波紅外連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)在變焦過(guò)程中的像面位置的偏移；后固定透鏡組為一個(gè)凸面朝向物側(cè)的彎月形硒化鋅正透鏡；變焦II透鏡組包括一個(gè)雙凸形硅正透鏡和一個(gè)雙凹形鍺負(fù)透鏡，用于改變二次成像組的倍率，同時(shí)可進(jìn)行調(diào)焦與溫度補(bǔ)償；二次成像固定透鏡組為一個(gè)凸面朝向第一反射鏡的彎月形鍺負(fù)透鏡；三次成像透鏡組包括一個(gè)凸面朝向第二反射鏡的彎月形硅正透鏡和兩個(gè)凸面朝向第二反射鏡的彎月形鍺負(fù)透鏡。變焦I透鏡組、補(bǔ)償透鏡組和變焦II透鏡組中有非球面，三次成像透鏡組中有一面為非球面疊加衍射面。第一反射鏡位于后固定透鏡組和變焦II透鏡組之間，第二反射鏡位于二次成像固定透鏡組和三次成像透鏡組之間，第一反射鏡和第二反射鏡用于對(duì)光路進(jìn)行折疊，從而縮短光學(xué)系統(tǒng)橫向尺寸，使光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊。本發(fā)明的有益效果為光學(xué)系統(tǒng)具有30倍的大變倍比，變焦組最大行程小于 71mm,系統(tǒng)F數(shù)為4恒定不變，結(jié)構(gòu)緊湊、變焦軌跡平滑、在25 750mm焦距范圍內(nèi)成像質(zhì)量?jī)?yōu)良的優(yōu)點(diǎn)。





圖。
組，150
圖I為本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)在長(zhǎng)焦(F = 750mm)位置的示意圖2為本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)在中焦(F = 320mm)位置的示意圖3為本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)在短焦(F = 25mm)位置的示意圖4為本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)中，變焦透鏡組運(yùn)動(dòng)軌跡圖5至圖7為本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)在長(zhǎng)焦(F = 750mm)位置的成像光學(xué)仿真數(shù)據(jù)圖8至圖10為本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)在中焦(F = 320mm)位置的成像光學(xué)仿真數(shù)據(jù)
圖11至圖13為本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)在短焦(F = 25mm)位置的成像光學(xué)仿真數(shù)據(jù)
圖中，110.前固定透鏡組，120.變焦I透鏡組，130.補(bǔ)償透鏡組，140.后固定透鏡第一反射鏡，160.變焦II透鏡組，162.第五透鏡，164.第六透鏡，170. 二次成像固定透鏡組，180.第二反射鏡，190.三次成像透鏡組，192.第八透鏡，194.第九透鏡，196.第十透鏡，200.物側(cè)端，210.像側(cè)端，SI S22.指示各鏡片的表面。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖，通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)ー步詳細(xì)說(shuō)明。該實(shí)施例是本發(fā)明應(yīng)用于制冷型640 X 512元15 ii m或320 X 240元30 ii m凝視型
焦平面探測(cè)器的例子。圖I、圖2、圖3分別是本發(fā)明所述的三組元中波紅外30倍連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)在長(zhǎng)焦、中焦、短焦位置的示意圖。本發(fā)明由正光焦度的前固定透鏡組110、負(fù)光焦度的變焦I透鏡組120、正光焦度的補(bǔ)償透鏡組130、正光焦度的后固定透鏡組140、第一反射鏡150、正光焦度的變焦II透鏡組160、負(fù)光焦度的二次成像固定透鏡組170、第二反射鏡180和正光焦度的三次成像透鏡組190組成。其中，前固定透鏡組110為ー凸面朝向物側(cè)的彎月形硅正透鏡，三組元中波紅外連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的焦距H)，三組元中波紅外連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的一次成像焦距Fone，三組元中波紅外連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的二次成像焦距Ftwo與前固定透鏡組的焦距Fl之間，滿(mǎn)足如下關(guān)系0. 13 < F0/F1 < 4. 12,0. 15 < Fone/Fl < I. 5,0. 08 < Ftwo/Fl < 2. 45。變焦I透鏡組120由一雙凹形鍺負(fù)透鏡構(gòu)成，用于改變所述的三組元中波紅外30倍連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的焦距，改變變倍倍率。補(bǔ)償透鏡組130由一雙凸形硅正透鏡構(gòu)成，用于補(bǔ)償所述的三組元中波紅外30倍連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)在變焦過(guò)程中的像面位置的偏移。后固定透鏡組140由一凸面朝向物側(cè)的彎月形硒化鋅正透鏡構(gòu)成，其作用是將物側(cè)景物會(huì)聚成成像系統(tǒng)的一次實(shí)像。第一反射鏡150成45度放置于后固定透鏡組140后，其作用是減小光路的橫向尺寸。光學(xué)系統(tǒng)的一次實(shí)像成像在后固定透鏡組140和第一反射鏡150之間。變焦 II透鏡組160包括具有正光焦度的第五透鏡162和具有負(fù)光焦度的第六透鏡164，第五透鏡162為雙凸形硅正透鏡，第六透鏡164為雙凹形鍺負(fù)透鏡，其作用是改變二次成像組的倍率，同時(shí)可進(jìn)行調(diào)焦與溫度補(bǔ)償。二次成像固定透鏡組170由一凸面朝向第五透鏡162的彎月形鍺負(fù)透鏡構(gòu)成，其作用是將一次像面聚焦于二次像面。第二反射鏡180成45度放置于二次成像固定透鏡組170后，其作用是折轉(zhuǎn)光路。光學(xué)系統(tǒng)的二次實(shí)像成像在二次成像固定透鏡組170和第二反射鏡180之間。三次成像透鏡組190包括具有正光焦度的第八透鏡192、具有負(fù)光焦度的第九透鏡194和具有負(fù)光焦度的第十透鏡196。第八透鏡192為凸面朝向第二反射鏡的彎月形硅正透鏡，第九透鏡194為凸面朝向第二反射鏡的彎月形鍺負(fù)透鏡，第十透鏡196為凸面朝向第二反射鏡的彎月形鍺負(fù)透鏡。當(dāng)變焦鏡頭的倍率從長(zhǎng)焦端調(diào)整到短焦端時(shí)，變焦I透鏡組120沿光軸向物側(cè)端 200移動(dòng)，變焦II透鏡組160沿光軸向二次成像固定透鏡組170移動(dòng)，同時(shí)，補(bǔ)償透鏡組130 沿光軸向后固定組透鏡140移動(dòng)，其作用是補(bǔ)償變焦I透鏡組120和變焦II透鏡組160移動(dòng)引起的像面移動(dòng)。圖4為光學(xué)系統(tǒng)光路中不加第一反射鏡150和第二反射鏡180吋，變焦I透鏡組120、補(bǔ)償透鏡組130、變焦II透鏡組160相對(duì)于前固定透鏡組110的位置變化曲線(xiàn)圖。從4中可以看出，焦距=750mm時(shí)，變焦I透鏡組120位置為105. 91mm，補(bǔ)償透鏡組130位置為109. 97mm，變焦II透鏡組160位置為246. 43mm ;在焦距EFL = 600. 73mm時(shí)， 變焦I透鏡組120位置為103. 96mm,補(bǔ)償透鏡組130位置為110. 65mm,變焦II透鏡組160位置為250. 34mm;在焦距EFL = 494. Ilmm時(shí)，變焦I透鏡組120位置為101. 37mm，補(bǔ)償透鏡組130位置為111. 39mm，變焦II透鏡組160位置為252. 70mm ;在焦距EFL = 408. 82mm時(shí)， 變焦I透鏡組120位置為98. 40mm，補(bǔ)償透鏡組130位置為111. 93mm，變焦II透鏡組160位置為254. 55mm ;在焦距EFL = 320mm時(shí)，變焦I透鏡組120位置為94. 43mm,補(bǔ)償透鏡組130位置為112. 31mm，變焦II透鏡組160位置為256. 81mm ;在焦距EFL = 195. 59mm時(shí)，變焦I 透鏡組120位置為88. 51mm,補(bǔ)償透鏡組130位置為115. 82mm,變焦II透鏡組160位置為 260. 40mm ;在焦距EFL = 110. 29mm時(shí)，變焦I透鏡組120位置為81. 94mm，補(bǔ)償透鏡組130 位置為125. 72mm,變焦II透鏡組160位置為262. 68mm ;在焦距EFL = 25mm時(shí)，變焦I透鏡組 120位置為35. 05mm,補(bǔ)償透鏡組130位置為143. 34mm,變焦II透鏡組160位置為264. 40mm。為提高像質(zhì)，改善溫度變化對(duì)像質(zhì)的影響，變焦I透鏡組120、補(bǔ)償透鏡組130和變焦II透鏡組160中的第六透鏡164均采用高次非球面。三次成像透鏡組190中的第十透鏡196采用了非球面疊加衍射面。本發(fā)明實(shí)施中，避免了在口徑較大的前固定透鏡組110上引入非球面，避免了在硅透鏡上加非球面和衍射面，且非球面度均小于0. 15mm，易于光學(xué)加工制造，精度易于保證，因此最大程度降低了生產(chǎn)成本。表一本發(fā)明三組元中波紅外30倍連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)選實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.三組元中波紅外30倍連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于從物側(cè)到像側(cè)依次由正光焦度的前固定透鏡組(110)、負(fù)光焦度的變焦I透鏡組(120)、正光焦度的補(bǔ)償透鏡組(130)、 正光焦度的后固定透鏡組(140)、第一反射鏡(150)、正光焦度的變焦II透鏡組(160)、負(fù)光焦度的二次成像固定透鏡組(170)、第二反射鏡(180)和正光焦度的三次成像透鏡組(190) 組成，其中，前固定透鏡組(110)為一個(gè)凸面朝向物側(cè)的彎月形硅正透鏡，三組元中波紅外連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的焦距H)，三組元中波紅外連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的一次成像焦距Fone，三組元中波紅外連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的二次成像焦距Ftwo與前固定透鏡組的焦距Fl之間，滿(mǎn)足如下關(guān)系0· 13 < F0/F1 < 4. 12，O. 15 < Fone/Fl < I. 5,0. 08 < Ftwo/Fl < 2. 45 ;變焦 I透鏡組(120)由一個(gè)雙凹形鍺負(fù)透鏡構(gòu)成，用于改變所述的三組元中波紅外30倍連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的焦距，改變變倍倍率；補(bǔ)償透鏡組(130)由一個(gè)雙凸形硅正透鏡構(gòu)成，用于補(bǔ)償所述的三組元中波紅外30倍連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)在變焦過(guò)程中的像面位置的偏移；后固定透鏡組(140)由一個(gè)凸面朝向物側(cè)的彎月形硒化鋅正透鏡構(gòu)成，其作用是將物側(cè)景物會(huì)聚成成像系統(tǒng)的一次實(shí)像；第一反射鏡(150)成45度放置于后固定透鏡組后，其作用是減小光路的橫向尺寸，光學(xué)系統(tǒng)的一次實(shí)像成像在后固定透鏡組和第一反射鏡之間；變焦II 透鏡組(160)包括具有正光焦度的第五透鏡(162)和具有負(fù)光焦度的第六透鏡(164)，第五透鏡為雙凸形硅正透鏡，第六透鏡為雙凹形鍺負(fù)透鏡，其作用是改變二次成像組的倍率，同時(shí)可進(jìn)行調(diào)焦與溫度補(bǔ)償；二次成像固定透鏡組(170)由一個(gè)凸面朝向第五透鏡的彎月形鍺負(fù)透鏡構(gòu)成，其作用是將一次像面聚焦于二次像面；第二反射鏡(180)成45度放置于二次成像固定透鏡組后，其作用是折轉(zhuǎn)光路；光學(xué)系統(tǒng)的二次實(shí)像成像在二次成像固定透鏡組和第二反射鏡之間；三次成像透鏡組(190)包括具有正光焦度的第八透鏡(192)、具有負(fù)光焦度的第九透鏡(194)和具有負(fù)光焦度的第十透鏡(196)，第八透鏡為凸面朝向第二反射鏡的彎月形硅正透鏡，第九透鏡為凸面朝向第二反射鏡的彎月形鍺負(fù)透鏡，第十透鏡為凸面朝向第二反射鏡的彎月形鍺負(fù)透鏡；變焦I透鏡組的S3面、補(bǔ)償透鏡組的S5面和變焦 II透鏡組的S12面采用高次非球面，三次成像透鏡組中的S21面為非球面疊加衍射面。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的三組元中波紅外30倍連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于具有30倍的大變倍比，焦距在25mm 750mm范圍內(nèi)連續(xù)可變，由長(zhǎng)焦750mm變焦到短焦 25mm時(shí)，變焦I透鏡組(120)、補(bǔ)償透鏡組(130)和變焦II透鏡組(160)的移動(dòng)行程分別為 70. 85mm、33. 38mm和16. 29mm，光學(xué)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(quán)利要求I所述的三組元中波紅外30倍連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于當(dāng)變焦鏡頭的倍率從長(zhǎng)焦端調(diào)整到短焦端時(shí)，變焦I透鏡組(120)沿光軸向物側(cè)端(200)移動(dòng)， 變焦II透鏡組(160)沿光軸向二次成像固定透鏡組(170)移動(dòng)，同時(shí)，補(bǔ)償透鏡組(130)沿光軸向后固定組透鏡(140)移動(dòng)，其作用是補(bǔ)償變焦I透鏡組和變焦II透鏡組移動(dòng)引起的像面移動(dòng)。
全文摘要
三組元中波紅外30倍連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)，從物側(cè)到像側(cè)依次由正光焦度的前固定透鏡組、負(fù)光焦度的變焦Ⅰ透鏡組、正光焦度的補(bǔ)償透鏡組、正光焦度的后固定透鏡組、第一反射鏡、正光焦度的變焦Ⅱ透鏡組、負(fù)光焦度的二次成像固定透鏡組、第二反射鏡和正光焦度的三次成像透鏡組組成。本發(fā)明采用三組元變焦、三次成像技術(shù)，應(yīng)用于制冷型640×512元15μm或320×240元30μm凝視型焦平面探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)了30倍的大變倍比，焦距在25～750mm范圍內(nèi)連續(xù)可變，由長(zhǎng)焦750mm變焦到短焦25mm時(shí)，變焦Ⅰ透鏡組的最大行程小于71mm，光學(xué)系統(tǒng)F數(shù)為4恒定不變，能實(shí)現(xiàn)100％的冷光闌效率。
文檔編號(hào)G02B15/173GK102590990SQ20121009073
公開(kāi)日2012年7月18日 申請(qǐng)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, 馮曉燕, 曹凌, 李林, 李訓(xùn)牛, 王海洋 申請(qǐng)人:昆明物理研究所