带二维摆镜的大靶面中波制冷红外连续变焦光学系统

摘要

本发明公开了一种带二维摆镜的大靶面中波制冷红外连续变焦光学系统，从物方到像方依次包括望远系统、二维摆镜和后组透镜，其中：望远系统包括同光轴的前组望远物镜、拉虚镜，变倍镜、补偿镜、调焦镜、望远目镜；沿光轴方向，变倍镜的第一面为锗基底的非球面衍射面，补偿镜的第一面为硅基底的非球面衍射面；后组透镜包括后组透镜一、后组透镜二、折转反射镜、后组透镜三、后组透镜四；物方的成像光束依次经过望远物镜、拉虚镜、变倍镜、补偿镜、调焦镜后一次成像，再经望远目镜后平行出射到二维摆镜，经二维摆镜再反射到后组透镜一、后组透镜二后二次成像，再经折转反射镜反射后，最后经过后组透镜三、后组透镜四第三次成像。本发明具有透镜数量少、体积小、重量轻和分辨率高等特点，该镜头在在‑40℃～+65℃范围内具有良好的成像质量。

说明书

技术领域

本发明涉及红外光学系统领域，尤其涉及一种带二维摆镜的大靶面高分辨率中波制冷探测器的连续变焦中波红外光学系统。

背景技术

红外连续变焦镜头能很好的兼顾对目标的捕获、跟踪、监视与标定，可以保持图像的稳定性和连续性，目标图像不会丢失，且能够保持清晰，同时兼顾大视场搜索和小视场分辨，在各种光电载荷都有较多的应用。随着现代军事事态的不断恶化和红外光学技术及加工设计技术的不断发展，特别是探测器工艺的不断进步。使红外系统的应用在广度和深度上都有着长远的发展。大靶面1280×1024面阵探测器与常用的640×512面阵列探测器相比，像元数大幅度增加，大大提高了系统对景物的分辨本领，不仅可以看到更多的景物细节，而且画面在感官上也更加舒适。而在探测器一定的情况下，凝视型红外热像仪相较于大视场会降低系统分辨率，扫描型红外热像仪可在不损失分辨率的情况下实现对大视场内目标的搜索及跟踪。

但是现有的扫描型红外热像仪基本结构形式不太适用于大靶面1280×1024面阵探测器，其短焦到长焦过程中像质会逐渐变差。

发明内容

本发明的目的是提供一种带二维摆镜的大靶面中波制冷红外连续变焦光学系统，具有体积小、重量轻和分辨率高等特点，全焦段具有良好的成像质量。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是：

提供一种带二维摆镜的大靶面中波制冷红外连续变焦光学系统，从物方到像方依次包括望远系统、二维摆镜和后组透镜，其中：

望远系统包括同光轴的前组望远物镜、拉虚镜，变倍镜、补偿镜、调焦镜、望远目镜；

后组透镜包括后组透镜一、后组透镜二、折转反射镜、后组透镜三、后组透镜四；其中后组透镜一与后组透镜二同光轴，后组透镜三与后组透镜四同光轴；

物方的成像光束依次经过望远物镜、拉虚镜、变倍镜、补偿镜、调焦镜后一次成像，再经望远目镜后平行出射到二维摆镜，经二维摆镜再反射到后组透镜一、后组透镜二后二次成像，再经折转反射镜反射后，最后经过后组透镜三、后组透镜四第三次成像。

接上述技术方案，前组望远物镜为一片凸面向物方的弯月形硅正透镜，拉虚镜为一片凸面向物方的弯月形锗负透镜，变倍镜为一片双凹锗负透镜，补偿镜为一片双凸硅正透镜，调焦镜为一片凸面向像方的弯月形硒化锌正透镜，望远目镜为一片凸面向像方的弯月形硅正透镜。

接上述技术方案，后组透镜一为一片凸面向像方的弯月形锗负透镜，后组透镜二为凸面朝向物方的弯月形硅正透镜，后组透镜三为凸面朝向像方的弯月形锗正透镜，后组透镜四为凸面朝向像方的弯月形硅正透镜。

接上述技术方案，二维摆镜材料为石英玻璃，折转反射镜材料为K9玻璃。

接上述技术方案，该光学系统的镜头焦距范围为60mm～360mm，F数4。

接上述技术方案，在长短焦时，二维摆镜分别以60°/s，120°/s进行方位旋转。

接上述技术方案，沿光轴方向，拉虚镜的第一面为锗基底的非球面，变倍镜的第一面为锗基底的非球面衍射面，补偿镜的第一面为硅基底的非球面衍射面，调焦镜的第二面为硒化锌基底的非球面。

接上述技术方案，后组透镜一的第一面和后组透镜三的第一面分别为锗基底非球面。

接上述技术方案，沿光轴方向，变倍镜的第一面顶点距离拉虚镜第二面顶点的距离为18.44mm～36.19mm，变倍镜的第二面顶点距离补偿镜第一面顶点的距离为59.45mm～6mm，补偿镜的第二面顶点距离调焦镜第一面顶点的距离为35.52mm～71.22mm，在连续变焦的过程中拉虚镜的第二面顶点距离调焦镜第一面顶点的距离不变。

接上述技术方案，二维摆镜与折转反射镜平行放置，将光轴光线折转为平行光轴，整个光学系统的结构呈“Z”字形分布。

本发明产生的有益效果是：本发明的带二维摆镜的大靶面中波制冷红外连续变焦光学系统，分别使用一片基于锗基底和硅基底的非球面衍射元件。即变倍组采用锗基底的非球面衍射面，补偿组采用硅基底的非球面衍射面，硅密度更小，能够压缩前组透镜口径，对像差进行良好的校正，极大的简化系统，减少光学系统的透镜数量，提高系统透过率。

进一步地，本发明采用机械补偿变焦形式，光学系统能够实现焦距连续变化且保持像面稳定，变焦凸轮曲线平滑无拐点，全焦段的成像质量好。

进一步地，本发明的一种带二维摆镜的大靶面中波制冷红外连续变焦光学系统在长短焦采用二维摆镜快速扫描光路结构形式，使系统在不损失分辨率的情况下，增大长短焦视场，完成大视场内目标的搜索及跟踪。

进一步地，本发明的一种带二维摆镜的大靶面中波制冷红外连续变焦光学系统在近距离及高低温环境下通过调焦镜的轴向移动具有良好的成像质量。

进一步地，本发明的一种带二维摆镜的大靶面中波制冷红外连续变焦光学系统在长焦端采用向后移动拉虚透镜来虚化图像的方式进行光学校正。

进一步地，本发明的一种带二维摆镜的大靶面中波制冷红外连续变焦光学系统采用三次成像的结构形式，不仅满足100％冷光阑效率，并且能够压缩前组望远系统透镜口径。

进一步地，本发明的一种带二维摆镜的大靶面中波制冷红外连续变焦光学系统严格控制冷反射效应，即控制探测器经过透镜各个面反射后最终成像在探测器靶面上的RMS值大小，不会出现鬼像。

进一步地，其光轴在整个系统结构尺寸的水平中间位置，光学系统两次折转，二维摆镜实现方位扫描，垂向精稳，且二维摆镜与后组折转反射镜为平行放置，将光轴光线折转为平行光轴，使镜头呈“Z”字形分布，这样尽可能压缩体积的同时与整机系统完美配合。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明的光学系统示意图；

图2本发明的光学系统短焦二维图；

图3本发明的光学系统中焦二维图；

图4本发明的光学系统长焦二维图；

图5本发明的光学系统短焦端32lp/mm时MTF图；

图6本发明的光学系统短焦端二维摆镜以-120°/s负向扫描时32lp/mm的MTF图；

图7本发明的光学系统短焦端二维摆镜以+120°/s正向扫描时32lp/mm的MTF图；

图8本发明的光学系统中焦端32lp/mm时MTF图；

图9本发明的光学系统长焦端32lp/mm时MTF图；

图10本发明的光学系统长焦端二维摆镜以-60°/s负向扫描时32lp/mm的MTF图；

图11本发明的光学系统长焦端二维摆镜以+60°/s正向扫描时32lp/mm的MTF图；

图1中：1-望远物镜，2-拉虚镜，3-变倍镜，4-补偿镜，5-调焦镜，6-望远目镜，7-二维摆镜，8-后组透镜一，9-后组透镜二，10-折转反射镜，11-后组透镜三，12-后组透镜四。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例带二维摆镜的大靶面中波制冷红外连续变焦光学系统，包括望远系统、二维摆镜和后组，通过前望远系统出瞳与后组入瞳匹配来实现对接。望远系统与后组间由一个二维摆镜连接。其中望远系统包括同光轴的望远物镜1、拉虚镜2、变倍镜3、补偿镜4、调焦镜5、望远目镜6等共六片透镜；二维摆镜7实现二维反扫，从而扩大视场；后组包括后组透镜一8、后组透镜二9、折转反射镜10、后组透镜三11、后组透镜四12共4片透镜。其中后组透镜一8与后组透镜二9同光轴，后组透镜三11与后组透镜四12同光轴。后组加入一片折转反射镜10，以折转光路减小体积。

红外热像仪将背景和目标的红外辐射，通过二维扫描和俯仰视场二级稳定汇聚于中波红外探测器靶面。本发明采用反射镜的快速二维扫描光路结构形式代替常用的转塔整体方位旋转、俯仰实现全景成像。相比转塔形式，该发明中运用二维摆镜扫描光路形式具有控制带宽高，电机转动惯量小，定位精度高，实时响应快等优点，同时大大减小二维回转载荷，提高扫描速度、简化系统结构，对减小系统体积也有很好的帮助。

图1中光学器件实线为短焦位置，虚线为长焦位置。物方的成像光束依次经过望远物镜1、拉虚镜2、变倍镜3、补偿镜4、调焦镜5后一次成像，再经望远目镜6后平行出射到二维摆镜7，反射到后组透镜一8、后组透镜二9后二次成像，再经过折转反射镜10改变路径，最后经过后组透镜三11、后组透镜四12第三次成像在探测器上。在变倍过程中，采用变倍透镜3和补偿透镜4沿光轴前后运动达到连续变焦的目的，本发明光学镜头焦距范围为60mm～360mm，F数为4。采用机械补偿变焦形式，光学系统能够实现焦距连续变化且保持像面稳定，变焦凸轮曲线平滑无拐点，全焦段的成像质量好。

设计之初选择常用的折转光路结构形式，发现在变倍过程中，焦距变化，像质也会随之发生变化。优化中先在变倍镜3使用锗基底的衍射元件，像质有较好改善。但再经过多次优化难以得到满意的像质，尤其色差影响尤为明显。本发明做过两次尝试，一是将变倍镜3由一片分割为两片，二是通过尝试在硅材料的补偿镜表面添加衍射面。多次优化后发现，通过在补偿镜4表面添加硅非球面衍射面形式，能更好解决长短焦像质下降问题，极大简化了系统，可以减少光学系统的透镜片数，进而减轻系统重量，提高系统透过率，光学系统在整个焦段成像优良。本发明在近距离及高低温环境下通过调焦镜的轴向移动具有良好的成像质量。

进一步地，本发明光学系统的光轴在整个系统结构尺寸的水平中间位置，光学系统两次折转，二维摆镜7实现方位扫描，垂向精稳，且二维摆镜7与后组折转反射镜10为平行放置，将光轴光线折转为平行光轴，使镜头呈“Z”字形分布，这样尽可能压缩体积的同时与整机系统完美配合。

进一步地，光学透镜材料均取红外光学系统常用的材料硅和锗、硒化锌，光线入射方向为物方，光线出射方向为像方。本发明实施例中，前组望远物镜1为一片凸面向物方的弯月形硅正透镜，拉虚镜2为一片凸面向物方的弯月形锗负透镜，变倍镜3为一片双凹锗负透镜，补偿镜4为一片双凸硅正透镜，调焦镜5为一片凸面向像方的弯月形硒化锌正透镜，望远目镜为一片凸面向像方的弯月形硅正透镜。后组透镜一8为凸面向像方的弯月形锗负透镜，后组透镜二9为凸面朝向物方的弯月形硅正透镜，后组透镜三11为凸面朝向像方的弯月形锗正透镜，后组透镜四12为凸面朝向像方的弯月形硅正透镜。本发明镜头适用于大靶面高分辨率1280×1064@15μm中波制冷探测器；具有透镜数量少、体积小、重量轻和分辨率高等特点，该镜头在在-40℃～+65℃范围内具有良好的成像质量。

进一步地，光学系统包括2片反射镜，二维摆镜材料可选用石英玻璃，如MY403型二维摆镜。后组折转反射镜材料可选用K9玻璃。

本发明的带二维摆镜的大靶面中波制冷连续变焦中波红外光学系统，焦距60mm～360mm，在变焦过程中，F数恒定保持为4。

从短焦60mm切换到长焦360mm时，变倍镜3沿光轴向远离望远物镜1的方向做非线性运动实现变焦，补偿镜4向靠近望远物镜1的方向做线性运动来补偿焦距变化引起的像面移动，实现连续变焦。

同时光学系统在长短焦采用二维摆镜7快速扫描光路结构形式实现方位旋转、俯仰精稳，使系统在不损失分辨率的情况下，增大长短焦视场，完成大视场内目标的搜索及跟踪。本发明实施例中，光学系统按项目需求在长短焦，二维摆镜7分别以60°/s，120°/s进行方位旋转，俯仰稳定，其探测器积分时间为8ms，从而扩大长短焦视场。

进一步地，光学系统在长短焦采用二维摆镜的快速扫描光路结构形式实现方位旋转、俯仰精稳，使光学系统在不损失分辨率的情况下，增大长短焦视场，完成大视场内目标的搜索及跟踪。

进一步地，光学系统的镜头采用三次成像、两次折转的结构形式，不仅满足100％冷光阑效率，并且能够压缩前组透镜口径。严格控制冷反射效应，即控制探测器经过透镜各个面反射后最终成像在探测器靶面上的RMS值大小，不会出现鬼像。具体地，本发明先通过光学软件中NAR命令来计算透镜表面的YNI值和I/IBAR值，从而判断可能存在冷反射风险的表面，再通过控制透镜曲率以及光线在透镜表面入射角来控制冷反射效应。

进一步地，沿光轴方向，变倍镜3第一面顶点距离拉虚镜2第二面顶点的距离为18.44mm～36.19mm，变倍镜3第二面顶点距离补偿镜4第一面顶点的距离为59.45mm～6mm，补偿镜4第二面顶点距离调焦镜5第一面顶点的距离为35.52mm～71.22mm，即在连续变焦的过程中，拉虚镜2第二面顶点距离调焦镜5第一面顶点的距离不发生改变。光学系统在长焦端采用向后移动拉虚透镜2来虚化图像的方式进行光学校正。光学系统变焦曲线平滑无拐点，适于加工和装调。

进一步地，本发明实施例中，沿光轴方向，望远物镜1的第一面顶点沿光路方向距离一次像点的距离为200mm，一次像点距离探测器靶面的距离为150mm。

图2为本发明的光学系统短焦二维图，变倍镜和补偿镜位于图1实线位置，焦距为60mm。

图3为本发明的光学系统中焦二维图，变倍镜和补偿镜相对运动，位于实线和虚线位置之间，焦距为160mm。

图4为本发明的光学系统长焦二维图，变倍镜和补偿镜位于图1虚线位置，焦距为360mm。

图5为本发明的光学系统短焦端32lp/mm时MTF图，变倍镜和补偿镜位于图1实线位置，焦距60mm各视场的传递函数曲线。

图6为本发明的光学系统短焦端32lp/mm时MTF图，变倍镜和补偿镜位于图1实线位置，焦距60mm二维摆镜以-120°/s负向扫描时各视场的传递函数曲线。

图7为本发明的光学系统短焦端32lp/mm时MTF图，变倍镜和补偿镜位于图1实线位置，焦距60mm二维摆镜以+120°/s正向扫描时各视场的传递函数曲线。

图8为本发明的光学系统中焦端32lp/mm时MTF图，变倍镜和补偿镜相对运动，位于实线和虚线位置之间，焦距160mm各视场的传递函数曲线。

图9为本发明的光学系统长焦端32lp/mm时MTF图，变倍镜和补偿镜位于图1虚线位置，焦距360mm各视场的传递函数曲线。

图10为本发明的光学系统长焦端32lp/mm时MTF图，变倍镜和补偿镜位于图1虚线位置，焦距360mm二维摆镜以-60°/s负向扫描时各视场的传递函数曲线。

图11为本发明的光学系统长焦端32lp/mm时MTF图，变倍镜和补偿镜位于图1虚线位置，焦距360mm二维摆镜以+60°/s正向扫描时各视场的传递函数曲线。

从以上图中可以看出：(1)本发明从短焦60mm到360mm焦段范围内，轴外MTF在32Lp/mm时基本保持在0.1及以上；(2)本发明在长短焦焦位，二维摆镜扫描时，其像质基本与未扫描时保持一致，具有良好像质。进一步说明，通过在补偿镜表面添加硅非球面衍射面形式，能很好地矫正像差，保持整个焦段良好像质。同时，二维摆镜结构形式既能增大长短焦视场，又能保持良好像质。

本发明的带二维摆镜的大靶面中波制冷红外连续变焦光学系统，使用一片锗基底衍射元件、硅基底衍射元件，减少透镜数量，极大简化了系统，使得在大靶面成像中，系统在整个焦段成像质量优良，采用三次成像和机械补偿变焦、二维摆镜快速扫描光路结构形式，系统满足100％冷光阑效率，光机结构简单、体积小、重量轻，具有良好的应用前景，尤其适用于桅杆类、吊舱类光电设备。本发明创造性在变倍组和补偿组分别使用特殊面型，系统在整个焦段成像清晰，且在-40℃～+65℃温度范围内实现清晰成像。

综上，本发明的带二维摆镜的大靶面中波制冷红外连续变焦光学系统，采用三次成像和机械补偿变焦、二维摆镜快速扫描光路结构形式。变倍组采用一片锗基底的衍射面，补偿组使用一片基于硅基底的衍射面，减少前组透镜数、压缩前组透镜口径，满足100％冷光阑效率，整个焦段像差得到良好的校正。系统包括前组和后组，在变倍过程中，采用变倍镜和补偿镜沿光轴前后运动达到连续变焦的目的。本发明具有透镜数量少、体积小、重量轻和分辨率高等特点，全焦段具有良好的成像质量。同时系统在长短焦采用二维摆镜的快速扫描光路结构形式实现方位旋转、俯仰精稳，使系统在不损失分辨率的情况下，增大长短焦视场，完成大视场内目标的搜索及跟踪。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。