一种双组联动红外连续变焦光学系统的制作方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及一种双组联动红外连续变焦光学系统。
【背景技术】
[0002]红外成像系统具有全天候工作、无需辅助照明等优点，在告警、侦察和制导等军事 领域中得到了广泛应用。对于军用设备，通常地面上的主要目标为地面掩体、工厂、大坝、坦 克、装甲运输车、汽车与士兵等。这些目标表面温度一般不高，辐射能量小，热辐射的峰值集 中在长波红外波段。此外，在大气传输过程中红外线易被物质所吸收，但对于薄雾来说，长 波红外更容易通过，这样，相对于中波(3μπι~5μπ0红外，长波红外成像系统在探测识别方面 更具优势。
[0003]红外连续变焦系统是通过改变透镜组之间的间隔来实现的，按像面补偿方式的不 同，通常分为光学补偿和机械补偿两种。光学补偿式变焦系统，因移动组同时担负变倍与补 偿的功能，不易实现大变倍比的变焦系统;机械补偿式变焦系统，系统组元之间变化的间隔 较少，系统总体长度较长，不易实现小型化。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种双组联动红外连续变焦光学系统，用以解决现有的光学 系统不易实现大变倍比的问题。
[0005] 为实现上述目的，本发明的方案包括一种双组联动红外连续变焦光学系统，包括 从物方到像方沿光轴依次设置的前固定组、第一变倍组、补偿组、第二变倍组和后固定组， 所述第一变倍组和第二变倍组同方向、同速度在光轴上做轴向线性运动，所述补偿组在光 轴上以相对方向做轴向非线性运动，以实现连续变焦。
[0006] 所述前固定组为一个前固定透镜，该前固定透镜为凸面朝向物方的弯月形正透 镜;第一变倍组为第一变倍透镜，该第一变倍透镜为一个双凹负透镜;补偿组为一个补偿透 镜，该补偿透镜为一个凸面朝向物方的弯月形正透镜;第二变倍组为第二变倍透镜，该第二 变倍透镜为一个凸面朝向物方的弯月形负透镜;所述后固定组由依次设置的第一后固定组 和第二后固定组构成，所述第一后固定组由依次设置的第一后固定透镜和第二后固定透镜 构成，所述第二后固定组由依次设置的第三后固定透镜和第四后固定透镜构成，所述第一 后固定透镜为一个凹面朝向物方的弯月形正透镜，所述第二后固定透镜为一个凹面朝向物 方的弯月正透镜，所述第三后固定透镜为凹面朝向物方的弯月形正透镜，所述第四后固定 透镜为一个凹面朝向物方的弯月形负透镜。
[0007] 该光学系统的设计参数指标为：波段:7 · 7μπι~9 · 5μL?;焦距：f' = 33mm~500mm;视 场：20.62°~1.38。
[0008] 所述光学系统还包括一个探测器，所述探测器为像元数:320 X 256，像元尺寸为30 ym，F#为3的长波制冷型探测器。
[0009]所述前固定透镜的靠近物方的表面、补偿透镜的靠近像方的表面和第三后固定透 镜的靠近物方的表面为非球面。
[0010]所述前固定透镜、第一变倍透镜、第二变倍透镜、第一后固定透镜、第三后固定透 镜和第四后固定透镜的材料为单晶锗，所述补偿透镜和第二后固定透镜的材料为硒化锌。 [0011]所述前固定透镜的靠近物方的表面的曲率半径为148.72_，靠近像方的表面的曲 率半径为206.69mm;第一变倍透镜的靠近物方的表面的曲率半径为-552.84mm，靠近像方的 表面的曲率半径为122.92mm;补偿透镜的靠近物方的表面的曲率半径为63.70mm，靠近像方 的表面的曲率半径为75.84mm;第二变倍透镜的靠近物方的表面的曲率半径为40.48mm，靠 近像方的表面的曲率半径为31.42mm;第一后固定透镜的靠近物方的表面的曲率半径为-47.25mm，靠近像方的表面的曲率半径为-50.22mm;第二后固定透镜的靠近物方的表面的曲 率半径为-193.95mm，靠近像方的表面的曲率半径为-84.76mm;第三后固定透镜的靠近物方 的表面的曲率半径为24.15mm，靠近像方的表面的曲率半径为44.41mm;第四后固定透镜的 靠近物方的表面的曲率半径为65.58mm，靠近像方的表面的曲率半径为26.54_。
[0012]所述前固定透镜的厚度为14mm，第一变倍透镜的厚度为3.85mm，补偿透镜的厚度 为10mm，第二变倍透镜的厚度为8.86mm，第一后固定透镜的厚度为4mm，第二后固定透镜的 厚度为3.5mm，第三后固定透镜的厚度为5.12_，第四后固定透镜的厚度为5mm;前固定透镜 与第一变倍透镜之间的间隔为20mm~93.24mm，第一变倍透镜与补偿透镜之间的间隔为 0.76mm~135mm，补偿透镜与第二变倍透镜之间的间隔为2mm~136.23mm，第二变倍透镜与 第一后固定透镜之间的间隔为7.04mm~80.29mm，第一后固定透镜与第二后固定透镜之间 的间隔为〇. 5mm，第三后固定透镜与第四后固定透镜之间的间隔为3mm。
[0013]所述第二后固定透镜与第三后固定透镜之间的光路上设置有两个反射镜，第二后 固定透镜射出的光线依次经这两个反射镜的反射后射入到第三后固定透镜中；第二后固定 透镜与第一反射镜之间的间隔为20mm，第一反射镜与第二反射镜之间的间隔为100mm，第二 反射镜与第三后固定透镜之间的间隔为20_。
[0014] 本发明提供的光学系统中，两个变倍组之间设置有一个补偿组，在变倍时，这两个 变倍组同方向、同速度沿着光轴做轴向线性移动，而补偿组沿着与变倍组相反的方向、沿光 轴做轴向非线性移动，通过这种运动方式实现连续变焦，实现短焦、中焦和长焦的随意变 换，所以，该光学系统能够实现大变倍比;并且，该光学系统中的透镜个数较少，系统结构简 单，不复杂，易实现小型化。在不需要增加移动组元及系统控制难度的同时，可以减少系统 镜片数量、实现小型化同时能够提高光学系统的变倍比。
【附图说明】
[0015] 图1是双组联动红外连续变焦光学系统结构示意图；
[0016] 图2是光学系统变倍组和补偿组之间的移动过程示意图；
[0017]图3是光学系统在短焦状态下的透镜位置关系示意图；
[0018]图4是光学系统在中焦状态下的透镜位置关系示意图；
[0019]图5是光学系统在长焦状态下的透镜位置关系示意图；
[0020]图6是光学系统在短焦状态下的传递函数图；
[0021 ]图7是光学系统在中焦状态下的传递函数图；
[0022]图8是光学系统在长焦状态下的传递函数图；
[0023] 图9是光学系统在短焦状态下的场曲畸变图；
[0024] 图10是光学系统在中焦状态下的场曲畸变图；
[0025]图11是光学系统在长焦状态下的场曲畸变图；
[0026] 图12是光学系统在短焦状态下的点列图；
[0027] 图13是光学系统在中焦状态下的点列图；
[0028] 图14是光学系统在长焦状态下的点列图；
[0029]图15是光学系统变焦曲线图；
[0030]图16是光学系统凸轮运动曲线图。
【具体实施方式】
[0031]下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
[0032] 如图1所示，双组联动红外连续变焦光学系统包括从物方到像方沿光轴依次设置 的前固定组、第一变倍组、补偿组、第二变倍组和后固定组，其中，前固定组为前固定透镜A， 第一变倍组为变倍透镜B-1，补偿组为补偿透镜C，第二变倍组为变倍透镜B-2。如图2所示， 在变焦时，变倍透镜B-1和变倍透镜B-2在光轴上做同方向、同速度的轴向线性运动，以实现 系统焦距的变化;补偿透镜C在光轴上沿相对方向做轴向非线性运动，以补偿变焦过程中像 面位移，从而保持系统像面稳定，即补偿透镜C与两个变倍透镜的运动方向时刻相反，比如： 当变倍透镜B-1和变倍透镜B-2向左运动时，补偿透镜C向右运动。另外，为了便于实现变倍 透镜B-1和变倍透镜B-2做同方向、同速度的运动，可以将这两个变倍透镜固联在一起。
[0033] 该变焦系统在焦距的变化过程中，变倍组与补偿组的相对位置是一一对应的，补 偿组的非线性运动取决于决变倍组的线性运动。变倍组线性运动的斜率不同则补偿组的非 线性曲线就不同。因此，在变倍组与补偿组二者相对位移保持不变的情况下，以及能够实现 连续变焦的前提下，变倍组和补偿组可以有不同的运动曲线。另外，这在系统结构设计时需 要考虑如何降低运动过程中的摩擦力，从而优化出最佳运动曲线。
[0034] 该光学系统实现的技术指标为：波段：7·7μηι~9·5μηι;焦距：f =33mm~500mm;视 场:20.62°~1.38;并且，其适配像元数:320 X 256，像元尺寸为30ym，F#为3的长波制冷型探 测器。
[0035] 在本实施例中，后固定组包括依次设置的后固定组D和后固定组F，其中，后固定组 D包括依次设置的两个透镜，后固定透镜D-1和后固定透镜D-2;后固定组F包括依次设置的 两个透镜，后固定透镜F-1和后固定透镜F-2。另外，为了适应机载光电设备对红外光学系统 结构不能太长的要求，该光学系统中引入两个折叠反射镜:反射镜E-1和反射镜E-2,这两个 反射镜设置在后固定透镜D-2和后固定透镜F-1之间，后固定透镜D-2射出的光线依次经这 两个反射镜的反射后射入到后固定透镜F-1中。这两个反射镜对光路进行两次转折，形成 "U"型结构，缩短了系统长度。
[0036] 本实施例中，透镜A为一个凸面朝向物方的弯月形正透镜，透镜B-1为一个双凹负 透镜，透镜C为一个凸面朝向物方的弯月形正透镜，透镜B-2为一个凸面朝向物方的弯月形 负透镜，透镜D-1为一个凹面朝向物方的弯月形正透镜，透镜D-2为一个凹面朝向物方的弯 月正透镜。折叠反射镜E-1与光轴成45°放置，折叠反射镜E-2与光轴成45°放置，通过这两个 反射镜的反射，能够使光路的方向改变180°。透镜F-1为一个凹面朝向物方的弯月形正透 镜，透镜F-2为一个凹面朝向物方的弯月形负透镜。
[0037] 光线从正透镜A、负透