专利名称：U型折叠式中波红外30倍连续变焦光学系统的制作方法
技术领域：
本发明属于光学技术领域，尤其涉及应用于中波制冷型红外焦平面探测器的U型折叠式中波红外30倍连续变焦光学系统。
背景技术：
红外变焦成像系统分为连续变焦和定档变焦两种，连续变焦的红外光学系统用于机载光电侦察系统，既能为飞行员在巡航和搜索时提供最好的态势了解，又能在发现目标时，调到小视场瞄准跟踪。目前国内对于中波红外连续变焦光学系统的研究已有文献报道，如许照东“机载高分辨率连续变焦红外热像仪设计”，针对中波640X512元红外焦平面探测器设计了一套 I 20小型高分辨率连续变焦热像仪，可用于机载光电探测和跟踪系统(《红外与激光工程》2007,36(5)) ο杨为锦“中波红外连续变焦系统设计”，基于制冷型320X240凝视焦平面阵列探测器，设计了一套高变倍比(18倍)中波红外连续变焦光学系统，用于机载光电探测和跟踪设备，该系统由变焦物镜系统、二次成像系统和两个反射镜构成，介绍了二次成像系统光瞳衔接的方法，实现了 11 200mm的连续变焦(《中国光学与应用光学》2010，
03(2))。郜洪云“中波红外连续变焦光学系统”，针对制冷式320 X 240凝视焦平面阵列探测器，设计了一个中波红外连续变焦光学系统，该系统由变焦物镜系统和二次成像系统构成， 可以实现50 500mm的连续变焦(《光学精密工程》2007，15 (7))。陈吕吉“紧凑中波红外连续变焦光学系统设计”，针对制冷型320X240凝视焦平面探测器，实现27. 5 458mm连续变焦(《红外技术》2010,32(10))。尹娜“中波红外连续变焦光学系统设计”，针对中波红外制冷式凝视焦平面阵列探测器，设计了机械补偿5倍连续变焦光学系统，该系统工作波段3 5μπι，F#为2.0，变焦范围30 150mm (《红外技术》2009，31 (12))。张良“中波红外变焦距系统的光学设计”，介绍了一种采用凝视型焦平面阵列探测器的中波红外变焦光学系统的设计，该系统利用了反射镜的折叠光路，其工作波长范围为3 5μπι，变倍比为 I 20 (《应用光学》2006，27 (I))。中国电子科技集团公司第十一研究所“一种中波红外连续变焦镜头”，该发明公开了一种能够应用于640X512元或更大面阵制冷型中波探测器，变倍比为10倍中波红外连续变焦镜头。专利“三组元中波红外30倍连续变焦光学系统”虽然同为30倍，但通过三组元进行变焦，系统就需要三个电机进行带动，而且第三组是两片透镜，这样增加了电机的负担，影响精度，增加了装调的难度，增加了生产成本。专利“超短中波红外30倍连续变焦光学系统”虽为两组元变焦，但其焦距较短，且该系统为直桶式，结构不够紧凑，该系统的变倍组为两片透镜，补偿组为三片透镜，这无疑增加了电机的负担。 “Topaz-A novel design of a high magnification, athermalized I ； 30 zoomin the MWIR”(SPIE，Bellingham，WA，2004)，此文也介绍了一种三组元变倍的，变倍比为I : 30的中波红外光学系统，该系统F数偏小，为4. 7，三组元就需要三个电机，这样增加了电机的负担，影响精度，增加了装调的难度。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供一种可应用于制冷型640X512元 15 μ m或320 X 240元30 μ m凝视型焦平面探测器提供一种恒定F数为4的中波红外30倍连续变焦光学系统，采用二组元变焦、三次成像技术实现焦距在23mm 701mm范围内的连续可变，并实现100%的冷光阑效率。本发明所述的U型折叠式中波红外30倍连续变焦光学系统的技术方案是从物侧到像侧依次由前固定组、变倍组、补偿组、后固定组、第一反射镜、二次成像组、第二反射镜和三次成像组组成，光焦度分配依次为正、负、正、负、正、正的结构，其中，前固定组为一个凸面朝向物侧的弯月形硅正透镜，用于会聚收光，U型折叠式中波红外30倍连续变焦光学系统的焦距H)与所述前固定组的焦距Fl满足如下关系0. 076 < F0/F1 < 2. 32 ;变倍组为一个双凹形锗负透镜，用于改变U型折叠式中波红外30倍连续变焦光学系统的焦距，改变变倍倍率；补偿组为一个双凸形硅正透镜，用于补偿所述的U型折叠式中波红外30倍连续变焦光学系统在变焦过程中的像面位置的偏移，变倍组和补偿组同时还起到温度补偿的作用；后固定组为一个凸面朝向物侧的弯月形硒化锌正透镜；第一反射镜位于后固定组和二次成像组之间；二次成像组包括一个双凸形硅正透镜、一个双凹形锗负透镜和一个双凸形硅正透镜；第二反射镜位于二次成像组和三次成像组之间；三次成像组包括一个凸面朝向像侧的弯月形锗正透镜、一个凸面朝向第二反射镜的弯月形硅正透镜和一个凸面朝向第二反射镜的弯月形锗负透镜。变倍组、补偿组和二次成像组中有非球面。三次成像组中有一面为非球面叠加衍射面。第一反射镜和第二反射镜用于对光路进行U型折叠，从而缩短光学系统横向尺寸。本发明的有益效果为采用二组元变焦原理、三次成像技术，变倍组行程194mm， 补偿组行程39mm，实现了 30倍连续变焦且系统光学总长仅为559mm，总长/焦距比为O. 79， 系统整体外形尺寸为345mmX176mmX224mm(长X宽X高)，具有大变倍比、光学总长小、 整个变焦轨迹平滑、在全焦距范围内成像质量优良像的优点。
图I为本发明的光学系统在焦距为701mm时的示意图；图2为本发明的光学系统在焦距为350mm时的示意图；图3为本发明的光学系统在焦距为23mm时的示意图；图4至图6为本发明的光学系统在焦距为701mm时的成像光学仿真数据图；图7至图9为本发明的光学系统在焦距为350mm时的成像光学仿真数据图；图10至图12为本发明的光学系统在焦距为23mm时的成像光学仿真数据图。图中，I.前固定组，11.第一透镜，2.变倍组，21.第二透镜，3.补偿组，31.第三透镜，4.后固定组，41.第四透镜，5.第一反射镜，6. 二次成像组，61.第五透镜，62.第六透镜,63.第七透镜，7.第二反射镜，8.三次成像组，81.第八透镜，82.第九透镜，83.第十透镜，9.探测器保护窗口，10.冷光阑，12.探测器保护玻璃，13.像面。
具体实施例方式以下结合附图，通过实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例一实施例一是本发明应用于制冷型640X512元15 μ m凝视型焦平面探测器的例子。图I、图2、图3分别是本发明U型折叠式中波红外30倍连续变焦光学系统在焦距为701mm、350mm、23mm时的示意图。如图所示，光学系统从物侧到像侧依次由具有正光焦度的前固定组1，具有负光焦度的变倍组2，具有正光焦度的补偿组3，具有负光焦度的后固定组4，用于折转光路的第一反射镜5，具有正光焦度的二次成像组6，用于折转光路的第二反射镜7，具有正光焦度的三次成像组8组成，其中，前固定组I由第一透镜11 一个透镜构成， 是一凸面朝向物侧的弯月形硅正透镜，用于会聚收光，U型折叠式中波红外30倍连续变焦光学系统的焦距H)与所述第一透镜11的焦距Fl满足如下关系0. 076 < F0/F1 < 2. 32 ； 变倍组2由第二透镜21 —个透镜构成，是一双凹形锗负透镜，用于改变U型折叠式中波红外30倍连续变焦光学系统的焦距，改变变倍倍率；补偿组3由第三透镜31 —个透镜构成， 是一双凸形硅正透镜，用于补偿所述的U型折叠式中波红外30倍连续变焦光学系统在变焦过程中的像面位置的偏移，变倍组2和补偿组3同时还起到温度补偿的作用；后固定组4 由第四透镜41 一个透镜构成，是一凸面朝向物侧的弯月形硒化锌正透镜，其作用是将物侧景物会聚成成像系统的一次实像；第一反射镜5成45度放置于后固定组4和二次成像组6 之间，其作用是减小折转光路，减小光路的横向尺寸，成像系统的一次实像在第一反射镜5 和二次成像组6之间；二次成像组6由第五透镜61、第六透镜62、第七透镜63三个透镜构成，依次是双凸形硅正透镜、双凹形锗负透镜和双凸形硅正透镜，其作用是将一次像面聚焦于二次像面；第二反射镜7成45度放置于二次成像组6和三次成像组8之间，其作用是折转光路；三次成像组8由第八透镜81、第九透镜82、第十透镜83三个透镜构成，依次是凸面朝向像侧的弯月形锗正透镜、凸面朝向第二反射镜的弯月形硅正透镜和凸面朝向第二反射镜的弯月形锗负透镜；成像系统的二次实像在第二反射镜7和三次成像组8之间。变倍组2和补偿组3能在前固定组I和后固定组4之间移动，具体来说，当需要将变焦镜头的倍率自长焦端调整到短焦端时，变倍组2向物侧移动，同时，补偿组3则向后固定组4 一侧移动，从而补偿变倍组2移动引起的像面移动。为提高像质，改善温度变化对像质的影响，变倍组2的第二透镜21、补偿组3的第三透镜31、二次成像组6中的第五透镜61、第七透镜63均采用高次非球面。三次成像组8 中的第十透镜83采用了非球面叠加衍射面。本实施中，避免在口径较大的第一透镜11上引入非球面，避免在硅透镜上加衍射面，且非球面度均小于O. 04mm，易于光学加工制造，精度易于保证，最大程度降低了生产成本。表一本发明U型折叠式中波红外30倍连续变焦光学系统的优选实施例。
权利要求
1.U型折叠式中波红外30倍连续变焦光学系统，其特征在于从物侧到像侧依次由具有正光焦度的前固定组(I)，具有负光焦度的变倍组(2)，具有正光焦度的补偿组(3)，具有负光焦度的后固定组(4)，用于折转光路的第一反射镜(5)，具有正光焦度的二次成像组 (6)，用于折转光路的第二反射镜(7)，具有正光焦度的三次成像组(8)组成，其中，前固定组(I)由第一透镜(11) 一个透镜构成，是凸面朝向物侧的弯月形硅正透镜，用于会聚收光， U型折叠式中波红外30倍连续变焦光学系统的焦距H)与所述第一透镜的焦距Fl满足如下关系0. 076 < F0/F1 < 2. 32 ;变倍组(2)由第二透镜(21) —个透镜构成，是双凹形锗负透镜，用于改变U型折叠式中波红外30倍连续变焦光学系统的焦距，改变变倍倍率；补偿组(3)由第三透镜(31) —个透镜构成，是双凸形硅正透镜，用于补偿所述的U型折叠式中波红外30倍连续变焦光学系统在变焦过程中的像面位置的偏移，变倍组和补偿组同时还起到温度补偿的作用；后固定组⑷由第四透镜(41) 一个透镜构成，是凸面朝向物侧的弯月形硒化锌正透镜，其作用是将物侧景物会聚成成像系统的一次实像；第一反射镜(5)成45 度放置于后固定组和二次成像组之间，其作用是减小折转光路，减小光路的横向尺寸，成像系统的一次实像在第一反射镜和二次成像组之间；二次成像组(6)由第五透镜(61)、第六透镜(62)、第七透镜￠3)三个透镜构成，依次是双凸形硅正透镜、双凹形锗负透镜和双凸形硅正透镜，其作用是将一次像面聚焦于二次像面；第二反射镜(7)成45度放置于二次成像组和三次成像组(8)之间，其作用是折转光路；三次成像组(8)由第八透镜(81)、第九透镜(82)、第十透镜(83)三个透镜构成，依次是凸面朝向像侧的弯月形锗正透镜、凸面朝向第二反射镜的弯月形硅正透镜和凸面朝向第二反射镜的弯月形锗负透镜；成像系统的二次实像在第二反射镜和三次成像组之间。变倍组第二透镜的表面S3、补偿组第三透镜的表面 S5、二次成像组第五透镜的表面S10、第七透镜的表面S14均采用高次非球面。三次成像组第十透镜的表面S21采用了非球面叠加衍射面。
2.根据权利要求I所述的U型折叠式中波红外30倍连续变焦光学系统，其特征在于 焦距在23mm 701mm范围内连续可变，变倍组(2)行程194臟，补偿组(3)行程39mm，光学系统30倍连续变焦且其光学总长为559mm，总长/焦距比为O. 79，光学系统整体外形尺寸为345mmX176mmX224mm，光学系统F数为4恒定不变，具有100%的冷光阑效率。
3.根据权利要求I所述的U型折叠式中波红外30倍连续变焦光学系统，其特征在于 变倍组(2)和补偿组(3)能在前固定组(I)和后固定组(4)之间移动，当将光学系统的倍率自长焦端调整到短焦端时，变倍组(2)向物侧移动，同时，补偿组(3)则向后固定组(4) 一侧移动，从而补偿变倍组(2)移动引起的像面移动。
全文摘要
U型折叠式中波红外30倍连续变焦光学系统，从物侧到像侧依次由前固定组、变倍组、补偿组、后固定组、第一反射镜、二次成像组、第二反射镜和三次成像组组成，光焦度分配依次为正、负、正、负、正、正的结构。本发明采用二组元变焦原理、三次成像技术，焦距在23mm～701mm范围内连续可变，变倍组行程194mm，补偿组行程39mm，实现了30倍连续变焦且系统光学总长仅为559mm，总长/焦距比为0.79，系统整体外形尺寸为345mm×176mm×224mm(长×宽×高)，光学系统F数为4恒定不变，具有大变倍比、光学总长小、整个变焦轨迹平滑、在全焦距范围内成像质量优良像的优点。
文档编号G02B15/173GK102590991SQ20121009412
公开日2012年7月18日 申请日期2012年4月1日 优先权日2012年4月1日
发明者付艳鹏, 曹凌, 李林, 李训牛, 王海洋, 贾星蕊, 陈津津 申请人:昆明物理研究所