技术领域
[0001] 本
发明涉及红外光学系统，尤其涉及一种适用于高
分辨率中波制冷探测器的超紧凑型连续变焦中波红外光学系统。
背景技术
[0002] 红外热像仪不受雾、雨等不良
气候条件的影响，可全天候工作，且采用被动工作模式，抗干扰能
力强，近年来，在军事和民用领域都有较大的发展。
[0003] 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。
[0004] 随着手持类、吊舱类光电设备的发展和需求，以及光学冷加工、精密
机械加工、
镀膜技术等工艺
水平的不断进步, 红外变焦镜头不断向小体积、紧凑型趋势发展，对中波红外连续变焦光学系统的绝对长度提出了更高要求，由于
硅相比锗阿贝数更大，在硅透镜上加工衍射面可以更好的校正色差，但受限于硅材料脆硬等物理特性，加工过程中刀具和材料之间的振动往往很容易出现崩边等问题，表面光洁度以及面型
精度也很难控制，往往在锗、硒化锌等软材料上制作衍射面。
[0005] 近年来，随着激光辅助加工等精密加工设备的出现，硅衍射面加工问题已逐步解决，利用硅衍射面进行折/衍混合光学系统设计，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。
发明内容
[0006] 本发明的目的是提供一种超紧凑型连续变焦中波红外光学系统，具有超紧凑、小体积、轻重量和高分辨率等特点，全焦段具有良好的成像
质量。
[0007] 为了达到上述目的，本发明的技术方案是：一种超紧凑型连续变焦中波红外光学系统，从物方到像方依次包括前组和后组，光线入射方向为物方，光线出射方向为像方，
光学透镜材料均取红外光学系统常用的材料硅和锗，所述的前组由前组透镜一、变倍镜、补偿镜和调焦镜等共四片透镜组成，所述的后组由后组透镜一和后组透镜二共两片透镜组成；物方成像光束依次经过前组透镜一、变倍镜、补偿镜和调焦镜后一次成像，再经过后组透镜一和后组透镜二后二次成像在探测器上；连续变焦时用变倍镜和补偿镜沿光轴前后相对运动的方式，变倍镜做线性运动，得到全焦段清晰的像。
[0008] 所述的一种超紧凑型连续变焦中波红外光学系统，其前组透镜一为一片凸面向物方的弯月形硅正透镜，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物方的弯月形锗正透镜，后组透镜一为一片凸面向像方的弯月形锗负透镜，后组透镜二为一片凸面向物方的弯月形硅正透镜。
[0009] 所述的一种超紧凑型连续变焦中波红外光学系统，光学系统的镜头焦距范围70～240mm，F数为4。
[0010] 所述的一种超紧凑型连续变焦中波红外光学系统，前组透镜一的第一面为硅基底的非球面衍射面，变倍镜的第二面、调焦镜的第一面和后组透镜一的第二面分别为非球面。
[0011] 所述的一种超紧凑型连续变焦中波红外光学系统，沿光轴方向上变倍镜第一面
顶点距离前组透镜一第二面顶点为35～40mm，变倍镜第二面顶点距离补偿镜第一面顶点为20～5mm，补偿镜第二面顶点距离调焦镜第一面顶点为7～17mm，即在连续变焦的过程中，前组透镜一第二面顶点距离调焦镜第一面顶点的距离不发生改变。
[0012] 所述的一种超紧凑型连续变焦中波红外光学系统，其前组和后组镜头均采用机械补偿变焦的方式。
[0013] 本发明的有益效果是：本发明光学系统前固定组对像差优化贡献最大，采用复杂面型能够获得更好成像效果，使用一片基于硅基底的衍射元件，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，压缩系统长度，绝对长度仅为110mm，光机结构紧凑，重量轻。
[0014] 本发明的光学系统使用了一片硅基底衍射元件，极大简化了系统，使得光学系统绝对长度仅为110mm，光机结构紧凑、重量轻，具有良好的应用前景，尤其适用于手持类、吊舱类光电设备。
[0015] 本发明的全焦段范围内该光学系统的
凸轮变焦曲线平滑无拐点，全焦段的成像质量好，适于加工和装调；镜头的分辨率高，能够适用于高分辨率640×512中波制冷探测器。
[0016] 本发明的光学系统采用机械正组补偿的变焦形式，光学系统能够实现焦距连续变化且保持像面稳定，能达到较大的变倍比和较好的成像质量，随着国内凸轮加工水平逐步提升，机械正组补偿式变焦距系统得到了快速发展和应用。
[0017] 本发明的光学系统在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。
[0018] 本发明的光学系统采用二次成像的结构形式，不仅满足100%冷光阑效率，并且能够压缩前组透镜口径。
[0019] 本发明的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。
附图说明
[0020] 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16lp/mm时MTF图；
图6本发明的光学系统中焦端16lp/mm时MTF图；
图7本发明的光学系统长焦端16lp/mm时MTF图；
图8本发明的光学系统短焦端点列图；
图9本发明的光学系统中焦端点列图；
图10本发明的光学系统长焦端点列图。
[0021] 各附图标记为：1—前组透镜一，2—变倍镜，3—补偿镜，4—调焦镜，5—后组透镜一，6—后组透镜二。
具体实施方式
[0022] 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，对本发明做进一步详细说明，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。
[0023] 如图1所示，本发明实施例超紧凑型连续变焦中波红外光学系统，包括前组和后组，其中前组包括前组透镜一1、变倍镜2、补偿镜3、调焦镜4等共四片透镜，后组包括后组透镜一5、后组透镜二6共两片透镜，物方成像光束依次经过前组透镜一1、变倍镜2、补偿镜3、调焦镜4后一次成像，再经过后组透镜一5、后组透镜二6后二次成像在探测器上，采用变倍镜2和补偿镜3沿光轴方向前后运动的方式变焦，得到全焦段清晰的像，附图1中光学器件实线为短焦
位置，虚线为长焦位置。
[0024] 进一步，光学透镜材料均取红外光学系统常用的材料硅和锗，光线入射方向为物方，光线出射方向为像方，前组透镜一1为一片凸面向物方的弯月形硅正透镜，变倍镜2为一片双凹锗负透镜，补偿镜3为一片双凸硅正透镜，调焦镜4为一片凸面向物方的弯月形锗正透镜，后组透镜一5为一片凸面向像方的弯月形锗负透镜，后组透镜二6为一片凸面向物方的弯月形硅正透镜。
[0025] 本发明的超紧凑型连续变焦中波红外光学系统，焦距70～240mm，在变焦过程中，F数恒定保持为4。
[0026] 物方的成像光束依次经过前组透镜一1、变倍镜2、补偿镜3、调焦镜4后一次成像，再经过后组透镜一5、后组透镜二6后二次成像在探测器上，光学系统从短焦70mm切换到长焦240mm时，变倍镜2沿光轴向远离前组透镜一1的方向做线性运动实现变焦，补偿镜3向靠近前组透镜一1的方向做非线性运动来补偿焦距变化引起的像面移动，实现连续变焦。
[0027] 具体来说，本发明的光学系统包括六片透镜，前组透镜一1为一片凸面向物方的弯月形硅正透镜，第一面为硅基底的非球面衍射面，变倍镜2为一片双凹锗负透镜，第二面为非球面，补偿镜3为一片双凸硅正透镜，调焦镜4为一片凸面向物方的弯月形锗正透镜，第一面为非球面，后组透镜一5为一片凸面向像方的弯月形锗负透镜，第二面为非球面，后组透镜二6为一片凸面向物方的弯月形硅正透镜。
[0028] 进一步地，口径最大的前组透镜一1使用硅基底的衍射元件，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，使得光学系统绝对长度仅为110mm，光机结构紧凑。
[0029] 进一步地，镜头采用二次成像的结构形式，不仅满足100%冷光阑效率，并且能够压缩前组透镜口径。
[0030] 进一步地，沿光轴方向，变倍镜2第一面顶点距离前组透镜一1第二面顶点的距离为35～40mm，变倍镜2第二面顶点距离补偿镜3第一面顶点的距离为20～5mm，补偿镜3第二面顶点距离调焦镜4第一面顶点的距离为7～17mm，即在连续变焦的过程中，前组透镜一1第二面顶点距离调焦镜4第一面顶点的距离不发生改变，光学系统变焦曲线平滑无拐点，适于加工和装调。
[0031] 进一步地，本发明实施例中，前组透镜一1第一面顶点沿光路方向距离一次像点的距离为80.3mm，一次像点距离探测器靶面的距离为29.7mm。
[0032] 附图2为本发明的光学系统短焦二维图，变倍镜2和补偿镜3位于图1实线位置，焦距为70mm。
[0033] 附图3为本发明的光学系统中焦二维图，变倍镜2和补偿镜3相对运动，位于实线和虚线位置之间，焦距为140mm。
[0034] 附图4为本发明的光学系统长焦二维图，变倍镜2和补偿镜3位于图1虚线位置，焦距为240mm。
[0035] 附图5为本发明的光学系统短焦端16lp/mm时MTF图，变倍镜2和补偿镜3位于图1实线位置，焦距70mm各视场的传递函数曲线。
[0036] 附图6为本发明的光学系统中焦端16lp/mm时MTF图，变倍镜2和补偿镜3相对运动，位于实线和虚线位置之间，焦距140mm各视场的传递函数曲线。
[0037] 附图7为本发明的光学系统长焦端16lp/mm时MTF图，变倍镜2和补偿镜3位于图1虚线位置，焦距240mm各视场的传递函数曲线。
[0038] 附图8为本发明的光学系统短焦端点列图，变倍镜2和补偿镜3位于图1实线位置，焦距70mm各视场的弥散斑大小。
[0039] 附图9为本发明的光学系统中焦端点列图，变倍镜2和补偿镜3相对运动，位于实线和虚线位置之间，焦距140mm各视场的弥散斑大小。
[0040] 附图10为本发明的光学系统长焦端点列图，变倍镜2和补偿镜3位于图1虚线位置，焦距240mm各视场的弥散斑大小。
[0041] 本发明的基于硅基底衍射面的超紧凑型连续变焦中波红外光学系统，使用一片硅基底衍射元件，极大简化了系统，使得光学系统绝对长度仅为110mm，采用二次成像的结构形式，系统满足100%冷光阑效率，光机结构紧凑、重量轻，具有良好的应用前景，尤其适用于手持类、吊舱类光电设备。
[0042] 中波红外光学系统常用材料为硅、锗、硒化锌等，对于机械正组补偿变焦形式的光学系统，前固定组口径较大，优先选用密度小的硅材料，同时前固定组对像差优化贡献最大，使用复杂面型能够获得更好成像效果，硅材料的阿贝数在500左右，锗材料的阿贝数在200左右，相比之下在硅透镜上加工衍射面可以更好的校正色差，但受限于硅材料脆硬等物理特性，加工过程中刀具和材料之间的振动往往很容易出现崩边等问题，表面光洁度以及面型精度也很难控制，往往在锗、硒化锌等软材料上制作衍射面，近年来，随着激光辅助加工等精密加工设备的出现，硅衍射面加工问题已逐步解决，利用硅衍射面进行折/衍混合光学系统设计，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。因此，本发明在前固定组采用硅基底非球面和衍射面进行像差校正，获得了良好的成像效果。
[0043] 综上，本发明的超紧凑型连续变焦中波红外光学系统，采用二次成像和正组补偿变焦的结构形式，使用一片基于硅基底的衍射面，压缩前组透镜口径，满足100%冷光阑效率，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2和补偿镜3沿光轴前后运动达到连续变焦的目的，本发明具有超紧凑、小体积、轻重量和高分辨率等特点，全焦段具有良好的成像质量。
[0044] 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。
