阅读说明：本技术 一种小型化负补偿式中波制冷红外连续变焦光学系统 (Miniaturized negative compensation type medium-wave refrigeration infrared continuous zooming optical system ) 是由 吴海清 赵新亮 李同海 崔莉 田海霞 谈大伟 于 2019-10-30 设计创作，主要内容包括：一种小型化负补偿式中波制冷红外连续变焦光学系统,采用负组机械补偿、二次成像、连续变焦、三反射镜设计,减小了光学系统长度,同时具有较大的系统最小焦距；经光学及镜头设计,在满足系统成像质量的前提下,得到仅采用9片镜头的组合,具有较高的透过率,提高了系统灵敏度；增加视场光阑结构,降低了杂散光对系统成像的影响,提高了系统信噪比；采用冷光阑,且实现效率100％,减少了光束能量损失,抑制了系统噪声,提高了系统灵敏度及信噪比；通过三个平面反射镜三次改变系统光轴方向,有效缩短光学系统总长度,满足了对光学系统体积、重量、成像质量都有严苛要求的机载光电吊舱系统的需求,处于国内同类产品的领先水平。(A miniaturized negative compensation type medium wave refrigeration infrared continuous zooming optical system adopts negative group mechanical compensation, secondary imaging, continuous zooming and three-reflector design, reduces the length of the optical system, and has larger minimum focal length of the system; through optical and lens design, on the premise of meeting the imaging quality of the system, the combination of only 9 lenses is obtained, the transmittance is high, and the sensitivity of the system is improved; the field diaphragm structure is added, so that the influence of stray light on system imaging is reduced, and the signal-to-noise ratio of the system is improved; the cold diaphragm is adopted, the efficiency is realized by 100%, the energy loss of light beams is reduced, the system noise is inhibited, and the system sensitivity and the signal-to-noise ratio are improved; the direction of the optical axis of the system is changed three times by the three plane reflectors, the total length of the optical system is effectively shortened, the requirement of an airborne photoelectric pod system which has strict requirements on the volume, weight and imaging quality of the optical system is met, and the system is in the leading level of domestic similar products.)

一种小型化负补偿式中波制冷红外连续变焦光学系统

技术领域

本发明涉及机载光电吊舱红外热像仪技术领域，具体涉及一种小型化负补偿式中波制冷红外连续变焦光学系统。

背景技术

机载光电吊舱系统要求红外热像仪既能够实现大视场的目标搜索，又能够实现远距离目标的小视场跟踪、识别，因此红外热像仪的光学系统需要设计为连续变焦光学系统来实现这一功能；

连续变焦红外光学系统在变焦过程中目标图像能够始终保持清晰，能够实现变焦范围内任意视场的变换；应用在机载光电吊舱时，系统在连续变焦过程中保证不会丢失跟踪目标，而且能够根据场景和目标特征选择合适的工作视场，从而提高人机功效；

尤其是当前机载光电吊舱系统向着高集成度发展，装载光电传感器有增多趋势；国外现役的MTS-B和MX-25D可同时装载红热像仪和CCD传感器外，还可装载有低照度、日光和短波红外详查传感器(Daylight Spotter SWIR Spotter)、激光测距仪、激光照射器、激光照明器、激光指示器(Laser Pointer)、激光标识器(Laser Marker)、激光光斑***等，实现宽频谱、多波段目标探测，由于机载光电系统的体积、重量受限，因此红外热像仪及其他光电传感器在保证性能的同时，其小型化设计是必须克服的技术难题。

发明内容

为了克服背景技术中的不足，本发明公开了一种小型化负补偿式中波制冷红外连续变焦光学系统，采用负组机械补偿、二次成像、连续变焦、三次改变系统光轴方向设计，减小光学系统长度，同时具有较大的系统最小焦距；经光学及镜头设计，在满足系统成像质量的前提下，得到仅采用9片镜头的组合，因此具有较高的透过率，提高了系统灵敏度，同时有效控制了光学系统总长度；采用圆柱凸轮控制变倍组、补偿组运动，具有补偿结构简单的优点；增加视场光阑结构，降低了杂散光对系统成像的影响，提高了系统信噪比；采用冷光阑，且实现效率100％，减少了光束能量损失，抑制了系统噪声，提高了系统灵敏度及信噪比；通过三个平面反射镜三次改变系统光轴方向，有效缩短光学系统总长度；该发明满足了对光学系统体积、重量、成像质量都有严苛要求的机载光电吊舱系统的需求，处于国内同类产品的领先水平。

为了实现所述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种小型化负补偿式中波制冷红外连续变焦光学系统，采用负组机械补偿、二次成像、连续变焦设计；包括前固定组、变倍组、补偿组、后固定组、红外探测器；所述前固定组包括第一弯月形正透镜；所述变倍组包括第一弯月形负透镜、第二弯月形负透镜；所述补偿组包括第三弯月形负透镜；所述后固定组包括第二弯月形正透镜、第四弯月形负透镜、双凸正透镜、第三弯月形正透镜、第四弯月形正透镜；所述前固定组、变倍组、补偿组、后固定组共计有9片光学镜头；所述前固定组、变倍组、补偿组、后固定组、红外探测器从左至右依序排列，共光轴设置；所述红外探测器为中波制冷探测器，红外探测器设置在第二像平面；在变焦过程中，变倍组、补偿组沿光轴移动，前固定组、后固定组、红外探测器保持原位，变倍组第一弯月形负透镜、第二弯月形负透镜之间的距离保持恒定。

进一步的，在变焦过程中，所述变倍组、补偿组按照不同的运动规律沿光轴移动，两者运动规律通过两个凸轮控制实现；系统在短焦时，变倍组在靠近物方的位置，补偿组在靠近像方的位置；系统由短焦向长焦变化时，所述变倍组与补偿组在光轴上先是互相靠拢，然后一起向像方移动；变倍组、补偿组的运动规律通过两个圆柱凸轮控制实现；所述两个圆柱凸轮的包络线分别为变倍组、补偿组的运动规律曲线。

进一步的，所述后固定组中设置有第一平面反射镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜；所述第一平面反射镜、第二平面反射镜相邻设置，第一平面反射镜、第二平面反射镜设置在在双凸正透镜和第第三弯月形正透镜之间；所述第三平面反射镜设置在第三弯月形正透镜与第四弯月形正透镜之间；所述第一平面反射镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜的法线与光轴设置45°夹角；三个平面反射镜三次改变系统光轴方向，有效缩短光学系统总长度。

进一步的，所述以上各透镜焦距需满足以下条件：

2.65f≤f1≤2.8f，-1.1f≤f2≤-0.9f，-1.9f≤f3≤-1.8f，：-1.65f≤f4≤-1.6f，0.95f≤f5≤1.1f，-1.95f≤f6≤-1.9f，1.3f≤f7≤1.35f，2.5f≤f8≤2.53f，0.2f≤f9≤0.3f；

其中：f为光学系统短焦时的焦距，

f1为第一弯月形正透镜的有效焦距，

f2为第一弯月形负透镜的有效焦距，

f3为第二弯月形负透镜的有效焦距，

f4为第三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为第四弯月形负透镜的有效焦距，

f7为双凸正透镜的有效焦距，

f8为第三弯月形正透镜的有效焦距，

f9为第四弯月形正透镜的有效焦距。

进一步的，所述第一弯月形负透镜、第二弯月形正透镜、双凸正透镜入光侧表面均采用偶次非球面面型；用于改善成像像差及畸变。

进一步的，所述第一弯月形负透镜入光侧的面型方程为：

其中：c₁为第一弯月形负透镜入光侧表面的曲率，r₁为第一弯月形负透镜入光侧表面垂直光轴方向的径向坐标，k₁为第一弯月形负透镜入光侧表面的二次曲线常数，A₁为第一弯月形负透镜入光侧表面的四阶非球面系数、B₁为第一弯月形负透镜入光侧表面的六阶非球面系数、C₁为第一弯月形负透镜入光侧表面的八阶非球面系数。

进一步的，所述第二弯月形正透镜入光侧的面型方程为：

其中：c₂为第二弯月形正透镜入光侧表面的曲率，r₂为第二弯月形正透镜入光侧表面垂直光轴方向的径向坐标，k₂为第二弯月形正透镜入光侧表面的二次曲线常数，A₂为第二弯月形正透镜入光侧表面的四阶非球面系数、B₂为第二弯月形正透镜入光侧表面的六阶非球面系数、C₂为第二弯月形正透镜入光侧表面的八阶非球面系数。

进一步的，所述双凸正透镜入光侧的面型方程为：

其中：c₃为双凸正透镜入光侧表面的曲率，r₃为双凸正透镜入光侧表面垂直光轴方向的径向坐标，k₃为双凸正透镜入光侧表面的二次曲线常数，A₃为双凸正透镜入光侧表面的四阶非球面系数、B₃为双凸正透镜入光侧表面的六阶非球面系数、C₃为双凸正透镜入光侧表面的八阶非球面系数。

进一步的，第四弯月形正透镜出光侧的表面采用衍射非球面，非球面和衍射面作用于同一透镜表面；用于改善成像像差、畸变及分辨率；第四弯月形正透镜出光侧面型方程为：

其中，c₅为第四弯月形正透镜入光侧表面的曲率，r₅为第四弯月形正透镜出光侧表面垂直光轴方向的径向坐标，k₅为第四弯月形正透镜出光侧表面的二次曲线常数，A₅为第四弯月形正透镜出光侧表面的四阶非球面系数、B₅为第四弯月形正透镜出光侧表面的六阶非球面系数、C₅为第四弯月形正透镜出光侧表面的八阶非球面系数；HOR为第四弯月形正透镜出光侧表面的衍射级次，C₁、C₂为第四弯月形正透镜出光侧表面的衍射系数，n为第四弯月形正透镜光学材料的折射率，n₀为空气的折射率，λ₀为光学系统设计中心波长。

进一步的，系统还设置有视场光阑、孔径光阑；所述视场光阑设置在光学视场光阑像平面处，视场光阑用于滤除视场外杂散光，可降低杂散光对光学系统成像的影响，提高了系统信噪比；所述孔径光阑为冷观澜，冷光阑效率为100％，冷光阑用于抑制系统噪音，且不会对光束产生切割，减少能量损失，提高了系统灵敏度；孔径光阑设置在固定组的第四弯月形正透镜与红外探测器之间。

由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下有益效果：本发明公开的一种小型化负补偿式中波制冷红外连续变焦光学系统，采用负组机械补偿、二次成像、连续变焦、三次改变系统光轴方向设计，减小了光学系统长度，同时具有较大的系统最小焦距；经光学及镜头设计，在满足系统成像质量的前提下，得到仅采用9片镜头的组合，因此具有较高的透过率，提高了系统灵敏度，同时有效控制了光学系统总长度；采用圆柱凸轮控制变倍组、补偿组运动，具有补偿结构简单的优点；增加视场光阑结构，降低了杂散光对系统成像的影响，提高了系统信噪比；采用冷光阑，且实现效率100％，减少了光束能量损失，抑制了系统噪声，提高了系统灵敏度及信噪比；通过三个平面反射镜三次改变系统光轴方向，有效缩短光学系统总长度，满足了对光学系统体积、重量、成像质量都有严苛要求的机载光电吊舱系统的需求，处于国内同类产品的领先水平。

附图说明

图1为该光学系统焦距为55mm时的光路图；

图2为该光学系统焦距为260mm时的光路图；

图3为该光学系统焦距为550mm时的光路图；

图4为该光学系统焦距为550mm时的传递函数图；

图5为该光学系统焦距为260mm时的传递函数图；

图6为该光学系统焦距为55mm时的传递函数图；

图7为该光学系统焦距为550mm时的点列图；

图8为该光学系统焦距为260mm时的点列图；

图9为该光学系统焦距为55mm时的点列图；

图10为该光学系统焦距为550mm时的场曲、畸变图；

图11为该光学系统焦距为260mm时的场曲、畸变图；

图12为该光学系统焦距为55mm时的场曲、畸变图；

图13为该光学系统衍射元件相位周期与径向距离的关系示意图；

图14为该光学系统变倍组与补偿组的运动轨迹示意图；

图中：1、第一弯月形正透镜；2、第一弯月形负透镜；3、第二弯月形负透镜；4、第三弯月形负透镜；5、第二弯月形正透镜；6、第四弯月形负透镜；7、双凸正透镜；8、第一平面反射镜；9、第二平面反射镜；10、第三弯月形正透镜；11、第三平面反射镜；12、第四弯月形正透镜；13、红外探测器。

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。

一种小型化负补偿式中波制冷红外连续变焦光学系统，其特征是：系统采用负组机械补偿、二次成像、连续变焦设计；包括前固定组、变倍组、补偿组、后固定组、红外探测器13；所述前固定组包括第一弯月形正透镜1；所述变倍组包括第一弯月形负透镜2、第二弯月形负透镜3；所述补偿组包括第三弯月形负透镜4；所述后固定组包括第二弯月形正透镜5、第四弯月形负透镜6、双凸正透镜7、第三弯月形正透镜10、第四弯月形正透镜12；所述前固定组、变倍组、补偿组、后固定组共计有9片光学镜头；所述前固定组、变倍组、补偿组、后固定组、红外探测器13从左至右依序排列，共光轴设置；所述红外探测器13为中波制冷探测器，红外探测器13设置在第二像平面；在变焦过程中，变倍组、补偿组沿光轴移动，前固定组、后固定组、红外探测器13保持原位，变倍组第一弯月形负透镜2、第二弯月形负透镜3之间的距离保持恒定；

系统在变焦过程中，所述变倍组、补偿组按照不同的运动规律沿光轴移动，两者运动规律通过两个凸轮控制实现；所述两个凸轮的包络线分别为变倍组、补偿组的运动规律曲线；

所述后固定组中设置有第一平面反射镜8、第二平面反射镜9、第三平面反射镜11；所述第一平面反射镜8、第二平面反射镜9相邻设置，第一平面反射镜8、第二平面反射镜9设置在在双凸正透镜7和第三弯月形正透镜10之间；所述第三平面反射镜11设置在第三弯月形正透镜10与第四弯月形正透镜12之间；所述第一平面反射镜8、第二平面反射镜9、第三平面反射镜11的法线与光轴设置45°夹角；

所述以上各透镜焦距需满足以下条件：

2.65f≤f1≤2.8f，-1.1f≤f2≤-0.9f，-1.9f≤f3≤-1.8f，：-1.65f≤f4≤-1.6f，0.95f≤f5≤1.1f，-1.95f≤f6≤-1.9f，1.3f≤f7≤1.35f，2.5f≤f8≤2.53f，0.2f≤f9≤0.3f；

其中：f为光学系统短焦时的焦距，

f1为第一弯月形正透镜1的有效焦距，

f2为第一弯月形负透镜2的有效焦距，

f3为第二弯月形负透镜3的有效焦距，

f4为第三弯月形负透镜4的有效焦距，

f5为第二弯月形正透镜5的有效焦距，

f6为第四弯月形负透镜6的有效焦距，

f7为双凸正透镜7的有效焦距，

f8为第三弯月形正透镜10的有效焦距，

f9为第四弯月形正透镜12的有效焦距；

所述第一弯月形负透镜2、第二弯月形正透镜5、双凸正透镜7入光侧表面均采用偶次非球面面型；

所述第一弯月形负透镜2入光侧的面型方程为：

其中：c₁为第一弯月形负透镜2入光侧表面的曲率，r₁为第一弯月形负透镜2入光侧表面垂直光轴方向的径向坐标，k₁为第一弯月形负透镜2入光侧表面的二次曲线常数，A₁为第一弯月形负透镜2入光侧表面的四阶非球面系数、B₁为第一弯月形负透镜2入光侧表面的六阶非球面系数、C₁为第一弯月形负透镜2入光侧表面的八阶非球面系数；

所述第二弯月形正透镜5入光侧的面型方程为：

其中：c₂为第二弯月形正透镜)入光侧表面的曲率，r₂为第二弯月形正透镜5入光侧表面垂直光轴方向的径向坐标，k₂为第二弯月形正透镜5入光侧表面的二次曲线常数，A₂为第二弯月形正透镜5入光侧表面的四阶非球面系数、B₂为第二弯月形正透镜5入光侧表面的六阶非球面系数、C₂为第二弯月形正透镜5入光侧表面的八阶非球面系数；

所述双凸正透镜7入光侧的面型方程为：

其中：c₃为双凸正透镜7入光侧表面的曲率，r₃为双凸正透镜7入光侧表面垂直光轴方向的径向坐标，k₃为双凸正透镜7入光侧表面的二次曲线常数，A₃为双凸正透镜7入光侧表面的四阶非球面系数、B₃为双凸正透镜7入光侧表面的六阶非球面系数、C₃为双凸正透镜7入光侧表面的八阶非球面系数；

所述第四弯月形正透镜12出光侧的表面采用衍射非球面，非球面和衍射面作用于同一透镜表面，面型方程为：

其中，c₅为第四弯月形正透镜12入光侧表面的曲率，r₅为第四弯月形正透镜12出光侧表面垂直光轴方向的径向坐标，k₅为第四弯月形正透镜12出光侧表面的二次曲线常数，A₅为第四弯月形正透镜12出光侧表面的四阶非球面系数、B₅为第四弯月形正透镜12出光侧表面的六阶非球面系数、C₅为第四弯月形正透镜12出光侧表面的八阶非球面系数；HOR为第四弯月形正透镜12出光侧表面的衍射级次，C₁、C₂为第四弯月形正透镜12出光侧表面的衍射系数，n为第四弯月形正透镜12光学材料的折射率，n₀为空气的折射率，λ₀为光学系统设计中心波长；

系统还设置有视场光阑、孔径光阑；所述视场光阑设置在光学视场光阑像平面处；所述孔径光阑为冷观澜，孔径光阑设置在固定组的第四弯月形正透镜12与红外探测器13之间。

基于以上小型化负补偿式中波制冷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等技术特征，结合该系统实现的具体技术指标，给出了以下较佳的具体实施例：

具体技术指标：

波段：3.7μm～4.8μm；相对孔径：1:4；焦距：55mm～550mm；适配640×512，像元尺寸为15μm的中波制冷探测器；系统整体尺寸：208mm×176mm×155mm(长×宽×高)；

表1列出根据本发明的光学系统在焦距为55mm～550mm时实施例的详细数据，其包含各透镜的面型、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；

表1

表2列出根据本发明的第一弯月形负透镜2入光侧表面的非球面系数；

表2

表3列出根据本发明的第二弯月形正透镜5入光侧表面的非球面系数；

表3

表4列出根据本发明的双凸正透镜7入光侧表面的非球面系数；

表4

表5列出根据本发明的第四弯月形正透镜12出光侧的衍射非球面系数；

表5

小型化负补偿式中波制冷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会聚后到达第一弯月形负透镜2，经第一弯月形负透镜2发散后到达第二弯月形负透镜3，经第二弯月形负透镜3发散后到达第三弯月形负透镜4，经第三弯月形负透镜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会聚后到达第四弯月形负透镜6，经第四弯月形负透镜6发散后到达双凸正透镜7，经双凸正透镜7会聚后到达第一平面反射镜8，经第一平面反射镜8反射后到达第二平面反射镜9，经第二平面反射镜9反射后到达第三弯月形正透镜10，经第三弯月形正透镜10会聚后到达第三平面反射镜11，经第三平面反射镜11反射后到达第四弯月形正透镜12，经第四弯月形正透镜12会聚后成像在红外探测器13。

小型化负补偿式中波制冷红外连续变焦光学系统在工作时，变倍组、补偿组运动规律如下：光学系统在短焦时，变倍组、补偿组处在前固定组和后固定组中间位置；在从短焦到长焦变化过程中，变倍组与补偿组在光轴上先是互相向中间靠拢，然后一起向像方移动；变倍组沿光轴的运动实现焦距变化，补偿组沿光轴的运动补偿变倍组移动所引起的像面离焦，从而实现变焦全过程的清晰成像。

本发明未详述部分为现有技术。