中红外波段消热差光学补偿连续变焦光学系统

摘要

本发明提出的一种中红外波段消热差光学补偿连续变焦光学系统，旨在提供一种能够在-45℃~60℃实现光学被动消热差和焦距从60mm到150mm连续变化的适用于中红外波段的变焦光学结构。本发明通过以下述技术方案予以实现：在镜筒光学系统中，物面（10）与前固定镜组（8）之间设置有一热压氟化镁MgF2材料的球罩（9）；中间固定镜组（6）设置在所述变焦镜组（7）间距保持不变的负透镜（701）和负透镜（702）之间，该两镜片负透镜以固联在镜筒上的电机作为驱动源，通过齿轮-导轨机构驱动变焦镜组在光学系统光轴方向前后直线移动，沿光轴方向前后移动实现连续变焦，变焦镜组与前固定镜组、中间固定镜组和后固定镜组（5）共同构成完整的成像系统。

说明书

技术领域

本发明涉及一种主要用于中波红外波段的消热差连续变焦光学系统。具体 而言，本发明涉及一种使用光学补偿连续变焦且具有光学被动消热差功能的光 学系统。

背景技术

光学仪器在较大温度范围内使用时，镜筒材料、光学材料的热胀冷缩以及 光学材料的温度折射率系数会使镜头光焦度发生变化，产生离焦现象，而镜筒 材料的热胀冷缩也会造成光学系统离焦，使成像质量下降。为了降低温度变化 对红外光学系统成像质量的影响，需要进行无热化设计，或称为消热差设计， 即通过一定的机械、光学及电子等技术，补偿因温度变化产生的离焦，使红外 光学系统在一个变化范围较大的温度区间内保持成像质量的稳定。目前的消热 差方式主要有：机电主动式消热差、机械被动式消热差和光学被动式消热差。 其中，光学被动式消热差是通过合理分配光焦度和光学材料，在温度变化时实 现焦面位置与镜筒长度变化的匹配，从而在规定温度范围内保证镜头的成像质 量。

在同一光学系统中为了实现大小视场的兼容，需要进行变焦系统设计，主要 有基于光学补偿和机械补偿的两种方式。前者的变焦镜组间距固定，在变焦过 程中同时同向等速运动，不同的运动位置对应不同的焦距。但由于变焦镜组的 间距不变，无法补偿变焦过程中的像差平衡等问题，其焦距变化过程离散，变 焦镜组仅能移动到少数几个位置时成清晰像，而不能像机械补偿式变焦系统那 样能通过变焦镜组和补偿组在轴上按不同速率和方向的运动实现连续变焦。

美国专利US3294471公开了一种基于光学补偿原理的光学镜头，该光学镜头 通过适当的变焦镜组的间距实现了连续变焦，但其设计的使用范围仅为可见光 波段，没有考虑光学被动消热差，在不同温度环境下的使用中需要通过人工或 机械调焦以解决成像清晰度的问题。

美国专利No7092150也公开了一种技术方案大致相同的中波红外光学系统， 通过光学补偿的内变焦原理实现了连续变焦，但该方案同样没有实现无热化设 计。

2008年刊载于中国文献《红外技术》杂志，第30卷第4期，第210~213 页，名称为《5×光学补偿长波红外连续变焦物镜系统》，其中公开的光学镜头， 波段为长波红外（如7.7～10.3μm），也是通过确定适当的变焦镜组间距实现了 光学补偿变焦原理的连续变焦，但同样没有实现光学被动消热差功能，在温度 有较大变化时需要人工或机械调焦。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术存在的不足之处，提供一种变焦方式简 单，能自动适应环境温度变化的中红外波段无热化连续变焦光学系统。 为了实现上述发明目的，本发明提供的一种中红外波段消热差光学补偿连续变 焦光学系统，包括：在镜筒光学系统中，从物面10到焦面1依次排列固联的球 罩9、前固定镜组8、变焦镜组7和后固定镜组5，其特征在于：所述物面10与 所述前固定镜组8之间设置有一热压氟化镁MgF2材料的球罩9；中间固定镜组 6设置在所述变焦镜组7间距保持不变的负透镜701和负透镜702之间，该两镜 片负透镜701、702以固联在镜筒上的电机作为驱动源，通过齿轮-导轨机构驱 动变焦镜组在光学系统光轴方向前后直线移动，沿光轴方向前后移动实现连续 变焦，在向长焦变化时，变焦镜组7朝向焦面1一侧运动；在向短焦变化时， 变焦镜组7朝向物面10一侧运动，运动过程中焦距连续变化，并与前固定镜组 8、中间固定镜组6和后固定镜组5共同构成完整的成像系统。

为消热差和色差，每块透镜需满足以下条件：

式中为每块透镜的光焦度，为光学系统光焦度，ν_i为每块透镜的色散系 数，为透镜材料因折射率/温度系数dn/dT和材料线膨胀系数α_i引起的焦距 变化，α_L为镜筒材料的线膨胀系数，L为镜筒长度。

为消热差和色差，所述前固定镜组8由采用色散系数ν_i为所选透镜材料中 较大，折射率/温度系数dn/dT为所选透镜材料中适中，线膨胀系数α_i为所选透 镜材料中较小的硅Silicon材料的正透镜801和色散系数ν为所选透镜材料中 较小，折射率/温度系数dn/dT为所选透镜材料中较大，线膨胀系数α_i为所选透 镜材料中较小的锗Germanium材料的负透镜802组成。

为消热差和色差并实现光学补偿的连续变焦，所述变焦镜组由采用色散系 数ν_i为所选透镜材料中较小，折射率/温度系数dn/dT为所选透镜材料中较大， 线膨胀系数α_i为所选透镜材料中较小的锗Germanium材料的负透镜701和色散 系数ν_i为所选透镜材料中较大，折射率/温度系数dn/dT为所选透镜材料中适中， 线膨胀系数α_i为所选透镜材料中较小的硅Silicon材料的负透镜702组成，以 固联在镜筒上的电机作为驱动源，通过齿轮-导轨机构驱动变焦镜组在光学系统 光轴方向前后直线移动，沿光轴方向前后移动实现连续变焦。

为消热差和色差，所述变焦镜组的中间距固定，所述中间固定镜组6为采 用色散系数ν_i为所选透镜材料中适中，折射率/温度系数dn/dT为所选透镜材料 中较小，线膨胀系数α_i为所选透镜材料中较大的硒化锌ZnSe材料的正透镜。

所述后固定镜组5为采用色散系数ν_i较大，折射率/温度系数dn/dT为所选 透镜材料中适中，线膨胀系数α_i为所选透镜材料中较小的硅Silicon材料的正 透镜。

通过透镜材料按以上规律的配对组合，配合铝合金镜筒的线膨胀系数α_L和 长度L，并基于光学补偿变焦结构，实现了同时消热差和色差的光学补偿连续变 焦的功能。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

本发明基于光学被动消热差原理，在中波红外（3.7μm~4.8μm）波段， 采用光学补偿变焦方式，在-45℃～60℃温度变化范围内，焦距能从60mm到150mm 连续变化。在-45℃~60℃的温度范围内，在60~150焦距的连续变化时，对同一 景物成像，无需调焦，所有焦距所有视场的调制传递函数MTF都能保持截止频 率为17lp/mm时在0.4以上。由间距保持不变的负透镜701和负透镜702组成 的变焦镜组7，在内变焦过程中始终在光轴上前后移动，变倍时光圈F数恒定， 总长固定不变，质心变化较小，系统体积小，结构紧凑，变焦方式简单。

本发明采用与镜筒材料线膨胀系数相匹配的透镜材料和-45℃~60℃全温度 范围内光学补偿的变焦方式，补偿了因镜筒材料温度变化造成的热胀冷缩而导 致的离焦。

本发明的镜筒材料为普通的铝合金镜筒材料而无需其它热膨胀系数更低的 镜筒材料。当然，采用其他热膨胀系数更低的镜筒材料，采用本光学结构对镜 片的曲率半径、厚度、镜片间隔和镜片的非球面系数进行简单修改，则可在高 低温环境下获得更为优良的光学性能。同时，由于本发明仅采用了六片透镜， 具有较好的公差特性和冷反射。

本发明可以作为各类军警民用监控、搜索与跟踪瞄准等的光学系统。

附图说明

图1是本发明的中红外波段消热差光学补偿连续变焦光学系统透镜模型示 意图。

图2是图1的构造示意图，

图3~图5为不同焦距时的示意图，其中图3为110mm焦距，图4为80mm 焦距，图5为60mm焦距。

图中：1焦面，2探测器滤光片，3探测器窗口，4光阑，5后固定镜组，6 中间固定镜组，7变焦镜组，8前固定镜组，9球罩，10物面。

具体实施方式

为了进一步清楚阐述本发明，下面将提供具体实施方式并与附图相结合， 对本技术方案进行说明，但是不应当将其理解为对本发明的限定。

图1描述了中红外波段消热差光学补偿连续变焦光学系统和光学补偿变焦 原理。从物面到焦面依次排列固联的球罩、前固定镜组、变焦镜组和后固定镜 组。在变焦镜组两片负透镜之间设有硒化锌正透镜作为中间固定镜组，后固定 组为硅材料的正透镜。变焦镜组与前固定镜组、中间固定镜组和后固定镜组共 同构成完整的成像系统，光学系统在焦距的变化过程中系统总长不变，其中， 物面10与所述前固定镜组8之间设置有一热压氟化镁MgF2材料的球罩9。前固 定镜组8、中央固定组、6后固定镜组5和像面1的位置恒定；变焦镜组7的中 央间距也保持恒定。在变焦过程中，变焦镜组7在光轴上等距等速等方向前后 联动。窄视场时，变焦镜组7往靠近像面方向一侧平移；在从窄视场向宽视场 变化过程中，变焦镜组7向物面方向一侧移动。前固定镜组由两片间距恒定的 硅正透镜和锗负透镜组成。在变焦过程中始终在光轴上前后移动的变焦镜组由 两片间距保持不变的锗负透镜和硅负透镜组成，以固联在镜筒上的电机作为驱 动源，通过齿轮-导轨机构驱动变焦镜组在光学系统光轴方向前后直线移动，沿 光轴方向前后移动实现连续变焦。在探测器光窗附近还设有一个限制轴外光束 的孔径光阑。

在图2所描述的中红外波段消热差光学补偿连续变焦光学系统中，从物面 10到焦面1依次排列固联的球罩9、前固定镜组8、变焦镜组7和后固定镜组5。 在探测器光窗3附近还设有一个限制轴外光束的孔径光阑4。前固定镜组8由两 片间距恒定的硅正透镜801和锗负透镜802组成。光学系统分为前固定组8、变 焦组7、中间固定组6和后固定组5，其中，在变焦过程中始终在光轴上前后移 动的变焦镜组7由间距保持不变的负透镜701和负透镜702组成。变焦组7采 用了两个透镜701和702组合的形式，这两个透镜的中央间距固定，在光轴上 等距、等速、等方向前后联动，并在移动到不同位置都对应有不同的焦距。在 负透镜701靠近焦面1和负透镜702靠近物面10一侧设有中间固定镜组6；中 间固定组镜6固定放置在联动的变焦组镜701和702之间；前固定组8、中间固 定组6和后固定组5在变焦过程中固定不动。变焦镜组7与前固定镜组8、中间 固定镜组6和后固定镜组5共同构成完整的成像系统，光学系统焦距从60mm到 150mm光学补偿连续变化而系统总长不变，在对同一景物成像时，在-45℃~60℃ 温度范围不经调焦都具有较好的成像质量。

光学系统除球罩外共四个镜组，此时焦距为150mm，从物面10到焦面1依 次排列固联的球罩9、前固定镜组8、变焦镜组7、中间固定镜组6和后固定镜 组5，以及光阑4、探测器窗口3、探测器的滤光片2和焦面1。所述物面10与 所述前固定镜组8之间设置有一热压氟化镁MgF2材料的球罩9；中间固定镜组 6放置于所述变焦镜组7两镜片负透镜701和负透镜702之间，负透镜701和负 透镜702两镜片的间距保持不变，可在光轴方向前后移动实现变焦：在向长焦 变化时，变焦镜组7朝向焦面1一侧运动；在向短焦变化时，变焦镜组7朝向 物面10一侧运动；运动过程中焦距连续变化，变焦镜7组在光轴上不同的运动 距离可对应不同的焦距。变焦镜组7在变倍过程中，前固定镜组8、中间固定镜 组6和后固定镜组5是光学系统中位置保持不变的镜组,光阑4、探测器窗口3、 探测器的滤光片2和焦面1也保持固定。变焦过程中变焦镜组在光轴上前后移 动的变焦镜组7与前固定镜组8、后固定镜组5、中间固定镜组6共同构成完整 的成像系统，焦距随变焦镜组7光轴上的连续移动而连续变化。

系统至少含有两片非球面，其中一片为中间固定镜组6靠近物面10一侧， 另一片为后固定组5靠近物面10一侧。

前固定镜组8是由光焦度为84.25mm采用硅Silicon材料的正透镜801和 光焦度为-210.39mm采用锗Germanium材料的负透镜802组成的两片式透镜组。

变焦镜组7由两个负透镜组成，其中负透镜701为锗Germanium材料，光焦 度为-17.18mm；负透镜702为硅Silicon材料，光焦度为-17.04mm。负透镜701 和负透镜702的间距固定为21.7mm，在变焦过程中始终在光轴上前后移动，在 长焦150mm焦距时，负透镜701朝向物面一侧的面顶点距离透镜802朝向焦面 一侧面的顶点距离为30.9mm；在短焦50mm焦距时，负透镜701朝向物面一侧的 面顶点距离透镜802朝向焦面一侧面的顶点距离为22.1mm。

中间固定镜组6放在变焦镜组7的负透镜701之后，负透镜702之前，位置 固定不变。中间固定镜组6采用了光焦度为17.98mm的硒化锌ZnSe材料的正透 镜，其中靠近物面一侧的面为高次非球面。

后固定镜组5为硅Silicon材料的正透镜，其中靠近物面一侧的面为高次 非球面。

当不便于在硅材料上加工非球面时，可选择在后固定组5靠近物面一侧前 面增加一块锗的负透镜，在锗透镜靠近物面一侧的面上加工非球面。

镜筒材料为线膨胀系数为23.6×10-6/K的普通的铝合金，即可保证光学系 统在-45℃~60℃的温度范围的成像质量。为了获得更加优异的设计结果，可以采 用其它热膨胀系数更小的如钛合金、不锈钢等材料，根据所选镜筒材料的热膨 胀系数对光学系统适当调整镜片曲率、厚度和间隔以及非球面系数即可。

本实施例中将该光学设计结构应用于光圈F#2.5的中波红外制冷型探测器 上，波段范围为3.7～4.8μm，像元尺寸为30μm×30μm，像元数为320×256， 其中F#即为光圈数是入瞳口径与焦距之比的倒数，即F=f/D。

鉴于本实施例中所采用的探测器光圈为F#2，而光圈F数只有2.5，因此在 探测器光窗3附近增加了一个孔径光阑4作为虚拟光阑以限制轴外光束，使之 代替探测器的实际冷光阑。该虚拟光阑4的采用使冷光阑没有达到100%匹配， 从焦面1反向光线追迹会“看”到虚拟光阑的一部分，为此虚拟光阑采用“温 阑”的设计原则，即光阑4面向焦面1的面为凹球面，抛光并镀高反射膜。光 阑4凹球面的曲率半径小于从焦面中心到虚拟光阑中心的距离，以减小外界辐 射进入探测器。当然，本设计还可以用于F#2.5的探测器，需要对光学系统的 镜片曲率、厚度和间隔以及非球面系数做一定调整。

探测器的滤光片2为探测器内部的滤光片，保证3.7μm~4.8μm的波段进入。

本实施例中，从球罩9靠近物面10一侧的面到像面1的总长为135mm，最 大口径小于86mm，焦距范围60mm~150mm，变倍比为2.5×。具有较小的体积， 且属于内变焦，变倍过程中质心变化不大，系统总长恒定，F数恒定。

图3为焦距110mm时的光路图，由图可知，相对150mm焦距时的镜片位置， 除变焦镜组7整体向物面10方向移动了约2.99mm外，其他镜片都固定不变。

图4为焦距为80mm时的光路图，由图可知，相对110mm焦距时的镜片位置， 除变焦镜组7整体向物面10方向移动了约3.05mm外，其他镜片都固定不变。

图5为焦距为60mm时的光路图，由图可知，相对80mm焦距时的镜片位置， 除变焦镜组7整体向物面10方向移动了约2.76mm外，其他镜片都固定不变。