非制冷长波红外光学补偿变焦光学系统技术方案

本实用新型专利技术涉及非制冷长波红外光学补偿变焦光学系统，解决了长波红外光学补偿变焦光学系统相对孔径小，成像灵敏度低的问题；系统包括固定的前固定镜组、中间固定镜组、光阑和可调的后固定镜组、变焦镜组；前固定镜组包括第一正透镜；中间固定镜组包括第二正透镜；后固定镜组主要由第三正透镜和第四正透镜组成；变焦镜组包括固定连接的第一负透镜和第二负透镜；第一正透镜、第一负透镜、第二正透镜、第二负透镜、光阑、第三正透镜、第四正透镜从物面到像面依次设置。在变焦过程中，变焦镜组在光轴上等距等速等方向前后联动。本实用新型专利技术具有体积小巧，结构紧凑，能够实现光学补偿变焦功能等优点，尤其适用8～12μm长波红外波段的大相对孔径光学系统。

【技术实现步骤摘要】
非制冷长波红外光学补偿变焦光学系统
本技术涉及光学变焦系统领域，具体涉及一种具有大相对孔径，采用光学补偿方式的非制冷长波红外光学补偿变焦光学系统。
技术介绍
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，现有的方式主要有机械补偿和光学补偿两种方式。光学补偿连续变焦系统是通过以相同的速度移动两个或多个透镜组来实现视场连续变换。在变焦过程中，变焦组的各组元同向等间距沿光轴移动，这种结构简化了机械构造，有利于对视轴及其校准进行良好的控制，而且少了凸轮机构，可以减小了整机系统的外形尺寸、成本和重量，但相对于机械补偿方式通过各组元非线性运动补偿像面偏移而言，整个光学系统视场变换过程中，都需要通过变焦组各组元的线性等速联动保证像面稳定，极大提高了光学补偿变焦光学系统的设计难度。现有的一些文献资料公开的长波红外光学补偿变焦光学系统多针对制冷型长波红外探测器所设计，而制冷型探测器高昂的成本极大的限制了其在低成本成像探测领域中的应用。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，题为《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，工作波段为7.7～10.3μm，F/#为2，共采用了10片透镜、3个非球面，实现了53mm～265mm五倍光学补偿变焦，但该系统适用探测器类型为制冷型长波红外探测器。2011年，刊载于中国文献《光学仪器》杂志，第33卷第3期，第53～56页，题为《光学补偿式长波红外变焦系统设计》，公开了一种长波红外光学补偿变焦光学系统，工作波段为7.7～9.3μm，F/#为2，共采用了9片透镜、2个非球面，实现了50mm～250mm五倍光学补偿变焦，但适用探测器类型同样为制冷型长波红外探测器。中国专利CN105676432A，公开了一种光学补偿长波红外连续变焦光学系统设计，工作波段为7.7～9.5μm，共采用了10片透镜，实现了33mm～500mm十五倍光学补偿变焦，F/#为3，同样适配制冷型长波红外探测器。另外，美国专利US7092150B1公开的光学补偿长波红外变焦光学系统也是针对制冷型探测器设计的。非制冷长波红外探测器灵敏度较低，若将上述现有设计应用于非制冷长波红外成像，会存在相对孔径小，成像灵敏度低等问题，无法满足使用要求。若要提高整个光学系统灵敏度，则需要更大的相对口径使得光学系统具有更高的像面照度。但是，随着相对口径增大，轴上点的像差(即球差)增大，以致难于校正，相应地将导致结构形式复杂化；视场愈大，轴外初级和高级像差增大，高级像差在像差中所占比重增大，给平衡像差造成困难。因此，设计出具有较小F数(F#即为光圈数，是入瞳口径与焦距之比的倒数，即F＝f/D)的非制冷长波红外光学补偿变焦光学系统，以满足低成本高可靠性红外变焦成像探测的要求，可以更好地满足市场需求，但困难较大。
技术实现思路
为解决现有技术中存在的问题，本技术提出了一种可以提高灵敏度、低成本、高可靠性、且具有较大相对孔径的非制冷长波红外光学补偿变焦光学系统。本技术解决上述问题的技术方案是：非制冷长波红外光学补偿变焦光学系统，包括位置固定的前固定镜组、中间固定镜组、光阑和位置可调的后固定镜组、变焦镜组；前固定镜组包括单片式第一正透镜；中间固定镜组包括第二正透镜；后固定镜组包括双分离透镜组，双分离透镜组主要由第三正透镜和第四正透镜组成；变焦镜组包括第一负透镜和第二负透镜，所述第一负透镜和第二负透镜固定连接；第一正透镜、第一负透镜、第二正透镜、第二负透镜、光阑、第三正透镜、第四正透镜从物面到像面依次设置。光学系统在焦距变化的过程中系统总长不变。前固定镜组、中间固定镜组和像面的位置恒定；变焦镜组的第一负透镜和第二负透镜中间间距也保持恒定。在变焦过程中，变焦镜组在光轴上等距等速等方向前后联动。在从宽视场向窄视场变化时，变焦镜组往靠近像面方向一侧平移；在从窄视场向宽视场变化时，变焦镜组向物面方向一侧移动。进一步地，第二正透镜和第三正透镜靠近物面一侧的面采用非球面，第一负透镜靠近像面一侧的面采用非球面，第二负透镜靠近物面一侧的面采用非球面。非球面的设计对光学系统像差校正有益，使整个光学补偿连续变焦镜头的加工更加方便和简单。进一步地，第一正透镜的焦距为f+1,光学补偿连续变焦光学系统长焦端焦距为fL，f+1和fL满足条件：1.5<|f+1/fL|<1.8，第一正透镜能够压缩后组(变焦镜组、中间固定镜组、后固定镜组)孔径，对与大口径化相伴而生的像差良好地进行校正，保证光学系统跨全变倍区域优良的集光能力。进一步地，变焦镜组第一负透镜的焦距为f-1,变焦镜组第二负透镜的焦距为f-2,光学补偿连续变焦光学系统长焦端焦距为fL，f-1、f-2和fL满足条件式：4.1<|fL/f-1|<5；3.2<|fL/f-2|<3.8，变焦镜组能对与变焦过程相伴而生的像差良好地进行校正，保证光学系统变焦过程像质稳定，变焦迅速。进一步地，中间固定镜组的焦距为f+2，光学补偿连续变焦光学系统长焦端焦距为fL，所述f+2和fL满足条件式：3.2<|fL/f+2|<3.5，能够保证变焦镜组运动平稳迅速，特别是能对短焦端的彗差和像散进行更好地校正,维持光学系统高的光学性能，并能够实现光学系统的小型化。进一步地，后固定镜组中的第四正透镜为本技术连续变焦光学系统的调焦件，第四正透镜的焦距为f+4时，光学补偿连续变焦光学系统长焦端焦距为fL，f+4与fL满足以下的条件式：3.2<|fL/f+4|<3.6，能够维持调焦件较短的调焦行程，并能够保证光学系统在不同使用条件下的适应性。为了使第一负透镜和第二负透镜的连接可靠，第一负透镜和第二负透镜可采用框架结构固联。为了使变焦镜组沿光轴做可靠的等速运动，变焦镜组通过齿轮-导轨机构驱动在光学系统的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。第一正透镜、第一负透镜、第二正透镜、第二负透镜、光阑、第三正透镜、第四正透镜均采用锗材料，能够对跨全变倍区域的在工作谱段范围内的光产生的色差更好地进行校正，保证光学系统具有较好的加工特性和公差特性。第一正透镜与第一负透镜也可采用硫系玻璃材料IRG206、IG6、IRG26或AMTIR2制成。进一步地，第四正透镜和像面之间还设置有位置固定的滤光片。本技术的优点为：1.本技术提供了一种体积小巧，结构紧凑，能够实现光学补偿变焦功能，且具有大相对孔径的光学系统，尤其是适用于8～12μm长波红外波段的大相对孔径光学系统。2.本技术采用光学补偿变焦方式，通过间距保持不变的第一负透镜和第二负透镜组成的变焦镜组在光轴上前后移动实现焦距变化，属于内变焦，变焦过程中，光圈恒定，总长固定不变，质心变化较小，变焦方式简单。本技术系统的四个透镜组镜片总数仅为6片，系统体积小，结构紧凑，变焦方式简单。3.本技术各透镜材料均使用锗材料,具有较好的公差特性和加工特性。4.本技术光学系统光阑固定位于后固定镜组第三正透镜靠近物面一侧的位置，光阑后置的方式一方面可以避免在变焦过程中为了保持光学系统相对孔径恒定而采用更为复杂的可变光阑；另一方面，光阑经后固定镜组成像于像面本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种非制冷长波红外光学补偿变焦光学系统，其特征在于：包括位置固定的前固定镜组、中间固定镜组、光阑和位置可调的后固定镜组、变焦镜组；前固定镜组包括单片式第一正透镜；中间固定镜组包括第二正透镜；后固定镜组包括双分离透镜组，双分离透镜组主要由第三正透镜和第四正透镜组成；变焦镜组包括第一负透镜和第二负透镜，所述第一负透镜和第二负透镜固定连接；第一正透镜、第一负透镜、第二正透镜、第二负透镜、光阑、第三正透镜、第四正透镜从物面到像面依次设置，所述第一正透镜与像面的距离不变。

【技术特征摘要】
1.一种非制冷长波红外光学补偿变焦光学系统，其特征在于：包括位置固定的前固定镜组、中间固定镜组、光阑和位置可调的后固定镜组、变焦镜组；前固定镜组包括单片式第一正透镜；中间固定镜组包括第二正透镜；后固定镜组包括双分离透镜组，双分离透镜组主要由第三正透镜和第四正透镜组成；变焦镜组包括第一负透镜和第二负透镜，所述第一负透镜和第二负透镜固定连接；第一正透镜、第一负透镜、第二正透镜、第二负透镜、光阑、第三正透镜、第四正透镜从物面到像面依次设置，所述第一正透镜与像面的距离不变。2.根据权利要求1所述的非制冷长波红外光学补偿变焦光学系统,其特征在于：第二正透镜和第三正透镜靠近物面一侧的面采用非球面，第一负透镜靠近像面一侧的面采用非球面，第二负透镜靠近物面一侧的面采用非球面。3.根据权利要求1所述的非制冷长波红外光学补偿变焦光学系统,其特征在于：第一正透镜的焦距为f+1,光学补偿连续变焦光学系统长焦端焦距为fL，f+1和fL满足条件：1.5<|f+1/fL|<1.8。4.根据权利要求1或2或3所述的非制冷长波红外光学补偿变焦光学系统,其特征在于：变焦镜组第一负透镜的焦距为f-1,变焦镜组第二负透镜的焦距为f-2,光学补偿连续变焦光学系统长焦端焦距为fL，f-1、f-2和fL满足条件式：4.1&l...

【专利技术属性】
技术研发人员：曲锐，曹剑中，武力，梅超，
申请(专利权)人：西安中科飞图光电科技有限公司，
类型：新型
国别省市：陕西,61