超长焦距高分辨率连续变焦中波红外光学系统

摘要

本发明公开了一种超长焦距高分辨率中波红外连续变焦光学系统，该系统从物体侧依次包括：变倍时固定的正光焦度前固定透镜组群(G1)、变倍时从像侧向物体侧移动的负光焦度变倍透镜组(G2)、变倍时从物体侧向像侧移动的正光焦度补偿透镜组(G3)、变倍时固定的负光焦度后固定透镜组(G4)和变倍时固定的正光焦度二次成像透镜组群(G5)。所述系统适配1024×76810微米制冷型中外红外探测器，相对孔径1:4，焦距110mm～1500mm连续变焦。本发明解决了超长焦距大口径系统固有的二级光谱、高级球差、色差等难以校正问题，光学系统分辨率显著提升。机械补偿两组元变焦形式结构简单，保证了整个光学系统的简洁性和稳定性。

说明书

技术领域

本发明属于光学技术领域，尤其涉及一种超长焦距高分辨率连续变焦中外红外光学系统设计。

背景技术

红外热成像技术是一种被动红外夜视技术，其利用自然界物体红外辐射强度的不同成像，根据目标与背景或目标各部分之间的温差(热辐射差异)发现、识别目标。红外热成像技术具有不受昼夜限制，能全天时全天候工作、穿透烟雾能力强、抗电磁干扰、防伪装和探测隐蔽性好等优点，逐渐成为了各国科学家竞相研究的前沿热点。近些年来，随着边海防等远距离观瞄红外设备需求的日益增长，国内外陆续开始了对超长焦距连续变焦红外成像系统的研究，各种形式的红外变焦设计层出不穷。超长焦距连续变焦系统最大的优势在于可在变换视场的同时对同一目标进行连续跟踪，不会造成目标的丢失，既可大视场捜索目标区域，又可小视场对远距离目标观察细节。

在现有技术中，中国专利申请《具有超长焦距的30倍中波红外变焦光学系统》(专利公布号CN207636838U)提出了一种焦距40mm～1200mm连续变焦，适配640×512 15微米F4制冷型中波红外探测器；中国专利申请《具有超长焦距的连续变焦中波红外光学系统》(专利公布号CN103823294B)提出了一种光圈F4，工作波段3μm～5μm，焦距88mm～1100mm连续变焦中波红外光学系统，适配640×512 15微米制冷型中波红外探测器。为了提高红外设备发现和识别目标的能力，往往希望光学系统具有更长的焦距和更高的分辨率。焦距的增加伴随光学系统口径的急剧增大，除固有二级光谱色差外，引入大量高级球差、色差等，光学系统像差校正困难；高分辨率需求，要求光学系统像差平衡校正良好。超长焦距变焦与高分辨率成像需求相互制约，现有公开技术中，焦距大多在1200mm以下，探测器分辨率集中在640×512 15μm，尚未完全满足超长焦连续变焦高分辨率探测需求。在此背景下，亟需开发一种超长焦距高分辨率连续变焦光学系统。

发明内容

本发明的目的是，克服现有技术的缺点，提出一种具有超长焦距的高分辨率连续变焦中波红外光学系统。

为达上述目的，本发明提供一种超长焦距高分辨率连续变焦中波红外光学系统，该光学系统由物体侧至像侧方向依次包括：

变倍时固定的正光焦度前固定透镜组群；

变倍透镜组，用于从广角端向望远端变倍时，从物体侧向像侧移动；

补偿透镜组，用于从广角端向望远端变倍时，从像侧向物体侧移动；以及

变倍时固定的负光焦度后固定透镜组，用于调焦，并补偿高低温工作环境下光学系统的热离焦；

变倍时固定的正光焦度二次成像透镜组群，用于实现红外制冷型探测器冷光阑前置；

其中，从广角端向望远端变倍时，变倍透镜组和补偿透镜组相向运动，两组元间间隔满足以下条件：

(d

其中：

f

d

d

接上述技术方案，该光学系统的工作波段为3.7～4.8μm，F#为4。

接上述技术方案，该光学系统适配中波红外F数为4，像素数1024×768，像素大小为10μm或以上的探测器。

接上述技术方案，变倍时固定的正光焦度前固定透镜组群包括具有正光焦度的透镜和具有负光焦度的透镜，两个透镜均至少有一面为弯月形，且朝探测器靶面方向弯曲。

接上述技术方案，具有正光焦度的透镜的另一面为非球面。

接上述技术方案，变倍透镜组和补偿透镜组中的透镜均为非球面透镜，其中至少一个面为非球面衍射面。

接上述技术方案，变倍时固定的负光焦度后固定透镜组包括一弯月形的透镜，透镜弯曲方向朝物体侧，其第一面为非球面。

接上述技术方案，正光焦度二次成像透镜组群从物体侧至像侧方向依次包括具有正光焦度双凸透镜、负光焦度弯月形透镜和正光焦度弯月形透镜，其中至少一个透镜的一个面是非球面。

本发明的光学系统焦距连续可变，短焦端用于搜索发现目标，长焦端用于跟踪识别目标，长短焦切换不丢失目标。长焦端超长焦成像和系统高分辨率成像的特性，大幅提升了光学系统作用距离，增强了远距离目标细节观测能力。

进一步地，整个红外光学系统中的透镜组群G1、G2、G3、G4和G5中均采用非球面设计平衡光学系统高级像差。其中，变倍透镜组G2为非球面基底的衍射面透镜，用于校正光学系统色差和二级光谱。透镜组群G1、G2、G3、G4和G5光焦度分配为正-负-正-负-正结构，材料搭配除常规硅、锗材料搭配外，在透镜组群G5中透镜L53采用硒化锌材料，进一步平衡光学系统残余色差。光学整个变焦行程成像质量良好，图像清晰锐利，其中，长焦端焦距达1500mm，光学系统弥散斑小于1个像元(10μm)，具有良好成像质量。

附图说明

图1为本发明实施例超长焦距高分辨率连续变焦中波红外光学系统的结构示意图；

图2为本发明实施例的光学系统长短焦调节示意图；

图3为本发明实施例的短焦端传递函数曲线；

图4为本发明实施例中焦端传递函数曲线；

图5为本发明实施例的长焦端传递函数曲线。

具体实施方式

以下，参照附图对于本发明的具体实施方式详细地加以说明。图1为本发明光路示意，对应后述光学系统实施例1的透镜构成。图2～图4对应本发明长焦端、中焦端和短焦端传递函数曲线。

图1所示超长焦距高分辨率连续变焦中波红外光学系统光路示意图中，顺着光线走向左侧为物体侧，右侧为像侧。该光学系统，从物方到像方依次包括变倍时固定的正光焦度前固定透镜组群G1、变倍时从像侧向物体侧移动的负光焦度变倍透镜组G2、变倍时从物体侧向像侧移动的正光焦度变倍透镜组G3、变倍时固定的负光焦度后固定透镜组G4和变倍时固定的正光焦度二次成像透镜组群G5。

变倍时固定的正光焦度前固定透镜组群G1由具有正光焦度的透镜L11和具有负光焦度的透镜L12构成。透镜L11和透镜L12均为弯月形，透镜朝探测器靶面方向弯曲。

前固定透镜组群G1为摄远结构形式，拉长前固定组后截距，快速压缩光束口径，减小后续透镜组群口径。

如图2所示，从短焦端向长焦端变倍时，变倍透镜组G2与补偿透镜组G3相向运动，两组元间间隔满足以下条件：(d

后固定透镜组(G4)具备调焦功能，补偿高低温工作环境下光学系统热离焦。

成像光线经透镜组群G1、G2、G3和G4折射后汇聚，在透镜组群G4和G5空气间隔处形成一次像点。二次成像透镜组群G5将一次像点成像到探测器靶面上，构成二次成像光路结构。

二次成像透镜组群(G5)从物体侧依次由具有正光焦度双凸透镜(L51)、负光焦度弯月形透镜(L52)和正光焦度弯月形透镜(L53)构成。二次成像透镜组群(G5)中的透镜至少一个透镜的一个面是非球面。二次成像透镜组群用于实现红外制冷型探测器冷光阑前置，100％冷光阑效率匹配。

上述光学系统适配1024×768 10微米制冷型中外红外探测器，相对孔径1:4，焦距110mm～1500mm连续变焦。

该光学系统实施例1具体设计参数如表1。

表1具体实施例1的光学系统设计参数表

表1中，曲率半径是指每个镜片表面的曲率半径，厚度或间隔是指镜片厚度或相邻镜片表面距离，材料是镜片所用材料，空气是指两个透镜之间介质为空气。

为使系统或得较好成像质量，光学系统采用非球面设计，表中透镜表面带“*”号标记的为非球面。

整个红外光学系统中的透镜组群G1、G2、G3、G4和G5中均可采用非球面设计平衡光学系统高级像差。其中，变倍透镜组G2为非球面基底的衍射面透镜，用于校正光学系统色差和二级光谱。透镜组群G1、G2、G3、G4和G5光焦度分配为正-负-正-负-正结构，材料搭配除常规硅、锗材料搭配外，在透镜组群G5中透镜L53采用硒化锌材料，进一步平衡光学系统残余色差。光学整个变焦行程成像质量良好，图像清晰锐利，其中，长焦端焦距达1500mm，光学系统弥散斑小于1个像元(10μm)，具有良好成像质量。

图3～图5为本发明专利光学系统的光学传递函数仿真数据图。其中：图3为本专利光学系统短焦端在50lp/mm时的传递函数曲线图；图4为本专利光学系统中焦端在50lp/mm时的传递函数曲线图；图5为本专利光学系统长焦端在50lp/mm时的传递函数曲线图。

综上，通过合理的光路布局和巧妙的材料搭配，加之在像差敏感面上引入非球面、衍射面设计校正像差，本发明的光学系统解决了超长焦距大口径系统固有的二级光谱、高级球差、色差等难以校正问题，光学系统分辨率显著提升。机械补偿两组元变焦形式结构简单，保证了整个光学系统的简洁性和稳定性。

最后应当说明的是：本发明并不仅限于上述实施方式，在本领域的技术人员应当理解，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下进行修改或者等同替换。