一种长焦距大靶面红外连续变焦光学系统的制作方法

本发明涉及非制冷红外光学系统领域，具体涉及一种长焦距、大靶面非制冷红外连续变焦光学系统。

背景技术：

非制冷红外探测器具有价格低廉、体积小、重量轻、功耗低、可靠性高等优点，因此，越来越广泛应用于安防监控、车载等军事及民用领域。

当前，随着非制冷红外技术的不断进步，非制冷红外探测器也在朝着高性能、低成本两个方向突飞猛进的发展，主要用于满足军事装备中高灵敏度、高分辨率、高帧频以及替代部分制冷探测器的需要；国内非制冷红外探测器已经量产的为1024×768、像元尺寸14μm的长波非制冷红外探测器，但目前国内尚没有能够适配1024×768非制冷型探测器的长焦连续变焦光学系统。

技术实现要素：

为了克服背景技术中的不足，本发明公开了一种长焦距大靶面红外连续变焦光学系统，包括第一弯月形正透镜、双凹负透镜、双凸正透镜、弯月形负透镜、第二弯月形正透镜、第三弯月形正透镜、探测器；所述以上透镜采用折衍混合系统，通过不同透镜光焦度的合理分配，有效减少了系统镜片数量、减小了系统的体积、降低了系统重量；该系统的变焦曲线平滑连续，不存在突变点，可有效避免系统在变焦过程中出现卡滞现象；采用轴向微调移动第三弯月形正透镜的方式，实现系统在-40℃～+60℃温度范围内的像面离焦补偿、及由于被观察物体的距离变化所引起的系统离焦补偿，从而保证对不同距离物体的清晰成像，避免了由于无制冷设计所造成的系统复杂化；本发明的长焦距大靶面红外连续变焦光学系统，填补了国内适配于1024×768非制冷型探测器的长焦连续变焦光学系统的空白。

为了实现所述发明目的，本发明采用如下技术方案：一种长焦距大靶面红外连续变焦光学系统，包括第一弯月形正透镜、双凹负透镜、双凸正透镜、弯月形负透镜、第二弯月形正透镜、第三弯月形正透镜、探测器；所述第一弯月形正透镜为前固定镜；所述双凹负透镜为变焦镜；所述双凸正透镜为变焦补偿镜；所述弯月形负透镜、第二弯月形正透镜为后固定组；所述第三弯月形正透镜为温度补偿镜；所述探测器为为非制冷红外探测器；所述以上各透镜及红外探测器依序从左至右、共光轴设置；在由长焦向短焦变焦过程中，双凹负透镜向第一弯月形正透镜方向移动，双凸正透镜向弯月形负透镜方向移动，第一弯月形正透镜、弯月形负透镜、第二弯月形正透镜、第三弯月形正透镜位置保持原位；第三弯月形正透镜在光轴上微调移动，用于系统在-40℃～+60℃温度范围内的像面离焦补偿、及被观察物体的距离变化所引起的系统离焦补偿。

进一步的，在变焦过程中，双凹负透镜、双凸正透镜按照各自的运动规律沿光轴移动；双凹负透镜、双凸正透镜运动规律由凸轮控制实现，凸轮上设置的包络线为双凹负透镜、双凸正透镜运动规律曲线。

进一步的，所述的第一弯月形正透镜、双凹负透镜、双凸正透镜、第三弯月形正透镜的材质均为单晶锗(ge)；所述弯月形负透镜的材质均为硫化锌(zns)，第二弯月形正透镜组成的材质为硒化锌(znse)。

进一步的，所述以上各透镜焦距需满足以下条件：

4.6≤f1/f≤4.9，-1.8≤f2/f≤-1.5，2.5≤f3/f≤2.7，-31.0≤f4/f≤-28.0，17.0≤f5/f≤20.0，1.4≤f6/f≤1.6；

其中，f为光学系统短焦状态的焦距，

f1为第一弯月形正透镜的有效焦距，

f2为双凹负透镜的有效焦距，

f3为双凸正透镜的有效焦距，

f4为弯月形负透镜的有效焦距，

f5为第二弯月形正透镜的有效焦距，

f6为第三弯月形正透镜的有效焦距。

进一步的，双凸正透镜、弯月形负透镜、第三弯月形正透镜入光侧表面均采用偶次非球面面型。

进一步的，所述双凸正透镜、弯月形负透镜、第三弯月形正透镜入光侧的面型方程为：

其中，z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距非球面顶点的距离矢高，c为曲率，c＝1/r，r表示透镜表面的曲率半径，r为垂直光轴方向的径向坐标，k为二次曲线常数，a为四阶非球面系数、b六阶非球面系数、c为八阶非球面系数、d为十阶非球面系数。

进一步的，所述第二弯月形正透镜入光侧表面采用衍射非球面，非球面上设置有衍射光栅，衍射光栅通过金刚石车床加工得到。

进一步的，所述第二弯月形正透镜入光侧表面面型方程为：

其中，z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距非球面顶点的距离矢高，c为曲率，c＝1/r，r表示透镜表面的曲率半径，r为垂直光轴方向的径向坐标，k为二次曲线常数，a为四阶非球面系数、b六阶非球面系数、c为八阶非球面系数；hor为衍射级次，c1、c2、c3为衍射面系数，λ0为设计中心波长；n为第三弯月形正透镜的折射率，n0为空气折射率。

由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下有益效果：本发明公开的一种长焦距大靶面红外连续变焦光学系统，包括第一弯月形正透镜、双凹负透镜、双凸正透镜、弯月形负透镜、第二弯月形正透镜、第三弯月形正透镜、探测器；所述以上透镜采用折衍混合系统，通过不同透镜光焦度的合理分配，有效减少了系统镜片数量、减小了系统的体积、降低了系统重量；该系统的变焦曲线平滑连续，不存在突变点，可有效避免系统在变焦过程中出现卡滞现象；采用轴向微调移动第三弯月形正透镜的方式，实现系统在-40℃～+60℃温度范围内的像面离焦补偿、及由于被观察物体的距离变化所引起的系统离焦补偿，从而保证对不同距离物体的清晰成像，避免了由于无制冷设计所造成的系统复杂化；本发明的长焦距大靶面红外连续变焦光学系统，填补了国内适配于1024×768非制冷型探测器的长焦连续变焦光学系统的空白。

附图说明

图1为光学系统在长焦状态时的光路图；

图2为光学系统在中焦状态时的光路图；

图3为光学系统在短焦状态时的光路图；

图4光学系统在长焦状态时的传递函数图；

图5光学系统在中焦状态时的传递函数图；

图6光学系统在短焦状态时的传递函数图；

图7光学系统在长焦状态时的点列图；

图8光学系统在中焦状态时的点列图；

图9光学系统在短焦状态时的点列图；

图10光学系统在长焦状态时的场曲、畸变图；

图11光学系统在中焦状态时的场曲、畸变图；

图12光学系统在短焦状态时的场曲、畸变图；

图13光学系统衍射面的相位图；

图14光学系统衍射元件相位周期与径向距离的关系示意图。

图中：1、第一弯月形正透镜；2、双凹负透镜；3、双凸正透镜；4、弯月形负透镜；5、第二弯月形正透镜；6、第三弯月形正透镜；7、探测器。

具体实施方式

通过下面的实施例可以详细的解释本发明，公开本发明的目的旨在保护本发明范围内的一切技术改进。

一种长焦距大靶面红外连续变焦光学系统，包括第一弯月形正透镜1、双凹负透镜2、双凸正透镜3、弯月形负透镜4、第二弯月形正透镜5、第三弯月形正透镜6、探测器7；所述第一弯月形正透镜1为前固定镜；所述双凹负透镜2为变焦镜；所述双凸正透镜3为变焦补偿镜；所述弯月形负透镜4、第二弯月形正透镜5为后固定组；所述第三弯月形正透镜6为温度补偿镜；所述探测器7为为非制冷红外探测器；所述以上各透镜及红外探测器7依序从左至右、共光轴设置；在由长焦向短焦变焦过程中，双凹负透镜2向第一弯月形正透镜1方向移动，双凸正透镜3向弯月形负透镜4方向移动，第一弯月形正透镜1、弯月形负透镜4、第二弯月形正透镜5、第三弯月形正透镜6位置保持原位；第三弯月形正透镜6在光轴上微调移动，用于系统在-40℃～+60℃温度范围内的像面离焦补偿及被观察物体的距离变化所引起的系统离焦补偿；

在变焦过程中，双凹负透镜2、双凸正透镜3按照各自的运动规律沿光轴移动；双凹负透镜2、双凸正透镜3运动规律由凸轮控制实现，凸轮上设置的包络线为双凹负透镜2、双凸正透镜3运动规律曲线；

所述的第一弯月形正透镜1、双凹负透镜2、双凸正透镜3、第三弯月形正透镜6的材质均为单晶锗(ge)；所述弯月形负透镜4的材质均为硫化锌(zns)，第二弯月形正透镜组成5的材质为硒化锌(znse)；

所述以上各透镜焦距需满足以下条件：

4.6≤f1/f≤4.9，-1.8≤f2/f≤-1.5，2.5≤f3/f≤2.7，-31.0≤f4/f≤-28.0，17.0≤f5/f≤20.0，1.4≤f6/f≤1.6；

其中，f为光学系统短焦状态的焦距，

f1为第一弯月形正透镜1的有效焦距，

f2为双凹负透镜2的有效焦距，

f3为双凸正透镜3的有效焦距，

f4为弯月形负透镜4的有效焦距，

f5为第二弯月形正透镜5的有效焦距，

f6为第三弯月形正透镜6的有效焦距；

双凸正透镜(3)、弯月形负透镜(4)、第三弯月形正透镜(6)入光侧表面均采用偶次非球面面型，面型方程为：

其中，z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距非球面顶点的距离矢高，c为曲率，c＝1/r，r表示透镜表面的曲率半径，r为垂直光轴方向的径向坐标，k为二次曲线常数，a为四阶非球面系数、b六阶非球面系数、c为八阶非球面系数、d为十阶非球面系数；

所述第二弯月形正透镜5入光侧表面采用衍射非球面，非球面上设置有衍射光栅，面型方程为：

其中，z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距非球面顶点的距离矢高，c为曲率，c＝1/r，r表示透镜表面的曲率半径，r为垂直光轴方向的径向坐标，k为二次曲线常数，a为四阶非球面系数、b六阶非球面系数、c为八阶非球面系数；hor为衍射级次，c1、c2、c3为衍射面系数，λ0为设计中心波长；n为第三弯月形正透镜的折射率，n0为空气折射率。

基于以上长焦距大靶面红外连续变焦光学系统的各光学镜片和器件配置、光路设计、光学镜片焦距及各镜片面型的设计准则的技术特征，给出了以下较佳的具体实施例：

该系统实现的具体技术指标见表1：

表1

其中，f^#(光学系统f数)计算公式为f/d，f为光学系统的焦距，d为入射光瞳直径。

本发明的光学系统在焦距为30mm～150mm时的详细数据见表2：

表2

表2列出了各透镜的面型、曲率半径、厚度、口径、材料；其中，透镜的曲率半径、厚度、口径的单位为mm，重量的单位为g，球面及非球面的曲率半径指的是透镜表面与光轴交点处的曲率半径；其中，表2中的“表面序号”是沿光线传播方向计数，如第一弯月形正透镜1的光束入射面为序号s1，光束出射面为序号s2，其它镜面序号以此类推；表2中的“半径”表示该面的曲率半径，其正负断定原则是：以该面与主光轴的交点作为起点，该面的曲面中心作为终点；若连线方向与光线传播方向相同则为正，反之为负；若该面为平面，该面曲率半径为无穷大；表2中的“厚度”给出了相邻两个面在光轴上的距离；其正负判定原则是：以当前面顶点作为起点，下一面顶点作为终点；若连线方向与光线传播方向相同则为正，反之为负；若两个面之间的材料为红外材料，则该厚度表示透镜厚度，若两个面之间的没有材料，则表示两个透镜之间的空间间隔；表2中的“口径”是各个光学元件的直径值；

本发明双凸正透镜3入光侧表面s5、弯月形负透镜4入光侧表面s7、第三弯月形正透镜6入光侧表面s11的非球面系数见表3：

表3

本发明第二弯月形正透镜5入光侧表面s9的衍射非球面系数见表4：

表4

经过光学设计软件仿真，选用像元尺寸为14μm，像素数为1024×768的非制冷探测器对应空间频率为36lp/mm时，长焦、中焦及短焦状态下的传递函数均大于0.3，具体见图4、图5、图6；光学系统弥散斑直径与探测器像元尺寸相当，在长焦、中焦及短焦状态下的点列图具体见图7、图8、图9；光学系统在长焦、中焦状态时畸变均小于2.2％，在短焦状态时畸变小于3.5％，具体见图10、图11、图12；衍射非球面相位周期如图13所示；光学系统的变焦曲线图见图14，横坐标为连续变焦光学系统的焦距，纵坐标为变倍组和补偿组相对于前固定组的轴向距离，由图可见，该系统的变焦曲线平滑连续，不存在突变点，可保证光学系统在变焦过程中始终清晰成像，同时有效避免系统在变焦过程中出现卡滞现象。

长焦距大靶面红外连续变焦光学系统在工作时，具体光线传输过程如下：由物面反射自然光所发出的光线经第一弯月形正透镜1会聚后到达双凹负透镜2，经双凹负透镜2发散后到达双凸正透镜3，经双凸正透镜3会聚后到达弯月形负透镜4，经弯月形负透镜4发散后到达第二弯月形正透镜5，经第二弯月形正透镜5会聚到达第三弯月形正透镜6，经第三弯月形正透镜6会聚后成像在探测器7。

长焦距大靶面红外连续变焦光学系统在工作时，通过轴向移动双凹负透镜2及双凸正透镜3实现光学系统焦距的改变，当双凹负透镜2靠近第一弯月形正透镜1、双凸正透镜3靠近弯月形负透镜4时，光学系统处于短焦、大视场状态；在大视场到小视场变化过程中，所述双凹负透镜2向像方方向移动、双凸正透镜3向物方方向移动；当双凹负透镜2与双凸正透镜3距离最近时，光学系统处于长焦、小视场状态；通过轴向微调移动第三弯月形正透镜6的方式实现系统在-40℃～+60℃温度范围内的像面离焦补偿、及由于被观察物体的距离变化所引起的系统离焦补偿，从而保证对不同距离物体的清晰成像。本发明未详述部分为现有技术。