一种高分辨率长波红外连续变焦光学系统技术方案

本发明专利技术涉及一种高分辨率长波红外连续变焦光学系统，由从物方至像方依次同轴设置的第一弯月形正透镜、双凹负透镜、双凸正透镜、第一弯月形负透镜、第二弯月形负透镜、第二弯月形正透镜组成，双凹负透镜为变倍透镜，双凸正透镜为补偿透镜，所述光学系统通过各透镜光焦度的合理分配及非球面、衍射面位置的优化设置，在实现30mm～150mm范围内连续变焦的同时，实现了大靶面设计，能够适配新型分辨率为1024x768、像素间隔为12μm及分辨率为1280x1024、像素间隔为12μm的高分辨率长波探测器，成像质量高、变焦过程中全程成像清晰且不会出现运动卡滞现象。不会出现运动卡滞现象。不会出现运动卡滞现象。

【技术实现步骤摘要】
一种高分辨率长波红外连续变焦光学系统


[0001]本专利技术涉及红外光学系统领域，具体涉及一种高分辨率长波红外连续变焦光学系统。

技术介绍

[0002]在红外系统中，红外探测器作为探测、识别目标的关键，其主要作用是将入射的红外信号转化为可以检测的电信号后进行输出。非制冷红外探测器由于无需制冷装置，能够工作在室温状态下，具有成本低、体积小、功耗低等特点，在红外领域得到了广泛的应用。当前，随着红外技术的发展，非制冷红外探测器的面阵规模在不断增大，分辨率不断提高，分辨率为1280
×
1024像元间距12μm的大面阵、高分辨率探测器已经实现成熟量产。
[0003]大面阵的红外探测器需要配置相应大靶面的红外光学镜头，否则系统输出的图像四周发白。因此，设计红外光学系统时，光学系统的靶面大小要求不小于所选红外探测器的靶面尺寸。
[0004]此外，用于目标搜索、识别的光电系统，要求红外热成像系统要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识别。因此，单视场红外光学系统不能满足该要求。红外热像仪的光学系统需要设计为变焦光学系统来实现这一功能。连续变焦红外光学系统短焦距大视场的覆盖率广，长焦距小视场的分辨率高。大视场可用于大范围搜索目标，小视场可用于对目标进行识别；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，在连续变焦过程中不会丢失跟踪目标，而且能够根据场景和目标特征选择合适的工作视场，大大提高了人机功效。
[0005]现有普通长波红外变焦镜头大多数只能够适配分辨率为640
×
612的非制冷红外探测器，不能满足当前新型分辨率为1280
×
1024，像元尺寸为12μm的长波探测器的需求；有些红外变焦系统虽然能够适配高分辨率的探测器需求，但存在变倍比小、长焦焦距短的问题，或存在系统长度长、体积大、难以满足机载要求的问题。
[0006]因此，有必要提出一种高分辨率长波红外连续变焦光学系统，从而有效应用于分辨率为1280
×
1024的高分辨率非制冷红外探测器。

技术实现思路

[0007]针对现有技术的缺陷，本专利技术提供一种高分辨率长波红外连续变焦光学系统。
[0008]为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：
[0009]一种高分辨率长波红外连续变焦光学系统，所述光学系统由从物方至像方依次同轴设置的第一弯月形正透镜、双凹负透镜、双凸正透镜、第一弯月形负透镜、第二弯月形负透镜、第二弯月形正透镜组成；所述的第一弯月形正透镜、第一弯月形负透镜、第二弯月形正透镜的各表面凸面向物方，曲率半径为正，第二弯月形负透镜的各表面凸面向像方，曲率半径为负，其中，所述双凹负透镜为变倍透镜，通过双凹负透镜沿着轴向运动实现系统焦距改变，当系统由广角端向望远端变化时，所述的变倍透镜向着靠近像方方向移动，所述双凸
正透镜为补偿透镜，当系统由广角端向望远端变化时，所述的补偿透镜向着远离像方方向移动。
[0010]进一步地，所述第一弯月形正透镜与双凹负透镜的中心间隔为20～56.5mm，所述双凹负透镜与双凸正透镜的中心间隔为7.0～86.8mm，所述双凸正透镜与第一弯月形负透镜的中心间隔为6.5～49.9mm；在由广角端至望远端的变化过程中，双凹负透镜的行程为46.5mm，双凸正透镜的行程为43.4mm。
[0011]进一步地，采用轴向移动第二弯月形正透镜的方式实现系统在
‑
40℃～+60℃温度范围内的像面离焦补偿及由于被观察景物的距离变化所引起的系统离焦补偿，从而保证对不同距离物体的清晰成像。
[0012]进一步地，所述的第一弯月形正透镜、双凹负透镜、双凸正透镜、第一弯月形负透镜的材质均为单晶锗(Ge)，第二弯月形负透镜的材质为硫化锌(ZNS)，第二弯月形正透镜的材质为硒化锌(ZNSE)。
[0013]进一步地，所述第二弯月形负透镜与所述第二弯月形正透镜之间于光轴上的距离为T
56
，所述第二弯月形正透镜与所成像面之间于光轴上的距离为T
67
，所述第二弯月形正透镜于光轴上的厚度为CT6，满足以下条件：7.5≤(T
56
+T
67
)/CT6≤9.5。
[0014]进一步地，所述的第一弯月形正透镜满足以下条件：0.7≤f1/f≤0.9，其中f为光学系统长焦状态的焦距、f1为第一弯月形正透镜的有效焦距；
[0015]所述的双凹负透镜满足以下条件：
‑
0.3≤f2/f≤
‑
0.2，其中f为光学系统长焦状态的焦距、f2为双凹负透镜的有效焦距；
[0016]所述的双凸正透镜满足以下条件：0.3≤f3/f≤0.5，其中f为光学系统长焦状态的焦距、f3为双凸正透镜的有效焦距；
[0017]所述的第一弯月形负透镜满足以下条件：
‑
30≤f4/f≤
‑
25，其中f为光学系统长焦状态的焦距、f4为第一弯月形负透镜的有效焦距；
[0018]所述的第二弯月形负透镜满足以下条件：
‑
1.8≤f5/f≤
‑
1.5，其中f为光学系统长焦状态的焦距、f5为第二弯月形负透镜的有效焦距；
[0019]所述的第二弯月形正透镜满足以下条件：0.25≤f6/f≤0.45，其中f为光学系统长焦状态的焦距、f6为第二弯月形正透镜的有效焦距。
[0020]进一步地，所述双凹负透镜的入射表面、第一弯月形负透镜的入射表面、第二弯月形负透镜的入射表面均为非球面。
[0021]所述的双凸正透镜入射表面为衍射非球面。
[0022]所述的光学系统实现的技术参数为：工作波段：8μm～12μm；F
#
：1.2；焦距：30mm～150mm；第一弯月形正透镜的前表面至像面的光学总长：230mm；视场为：28.7
°×
23.2
°
～5.86
°×
4.69
°
；适配1280
×
1024，12μm长波红外探测器，其中，F
#
计算公式为f/D，f为光学系统的焦距，D为入射光瞳直径。
[0023]有益效果：
[0024]1、本专利技术光学系统通过各透镜光焦度的合理分配及非球面、衍射面位置的优化设置，在实现30mm～150mm范围内连续变焦的同时，实现了大靶面设计，能够适配新型分辨率为1024
×
768、像素间隔为12μm及分辨率为1280
×
1024、像素间隔为12μm的高分辨率长波探测器。
[0025]2、本专利技术光学系统的变倍透镜及补偿透镜在变焦过程中运动轨迹曲线连续、平滑，不存在突变拐点，从而能够保证在变焦过程中全程清晰成像的同时不会出现运动卡滞现象。
附图说明
[0026]图1为光学系统在短焦30mm状态时的光路本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高分辨率长波红外连续变焦光学系统，其特征在于，所述光学系统由从物方至像方依次同轴设置的第一弯月形正透镜、双凹负透镜、双凸正透镜、第一弯月形负透镜、第二弯月形负透镜、第二弯月形正透镜组成；所述的第一弯月形正透镜、第一弯月形负透镜、第二弯月形正透镜的凸面向物方，且各表面曲率半径为正；第二弯月形负透镜的凸面向像方，且各表面曲率半径为负，其中，所述双凹负透镜为变倍透镜，通过双凹负透镜沿着轴向运动实现系统焦距改变，当系统由广角端向望远端变化时，所述的变倍透镜向着靠近像方方向移动，所述双凸正透镜为补偿透镜，当系统由广角端向望远端变化时，所述的补偿透镜向着远离像方方向移动。2.根据权利要求1所述的一种高分辨率长波红外连续变焦光学系统，其特征在于，所述第一弯月形正透镜与双凹负透镜的中心间隔为20～56.5mm，所述双凹负透镜与双凸正透镜的中心间隔为7.0～86.8mm，所述双凸正透镜与第一弯月形负透镜的中心间隔为6.5～49.9mm；在由广角端至望远端的变化过程中，双凹负透镜的行程为46.5mm，双凸正透镜的行程为43.4mm。3.根据权利要求1所述的一种高分辨率长波红外连续变焦光学系统，其特征在于，采用轴向移动第二弯月形正透镜的方式实现系统在
‑
40℃～+60℃温度范围内的像面离焦补偿及由于被观察景物的距离变化所引起的系统离焦补偿，从而保证对不同距离物体的清晰成像。4.根据权利要求1所述的一种高分辨率长波红外连续变焦光学系统，其特征在于，所述的第一弯月形正透镜、双凹负透镜、双凸正透镜、第一弯月形负透镜的材质均为单晶锗(Ge)，第二弯月形负透镜的材质为硫化锌(ZNS)，第二弯月形正透镜的材质为硒化锌(ZNSE)。5.根据权利要求1所述的一种高分辨率长波红外连续变焦光学系统，其特征在于，所述第二弯月形负透镜与所述第二弯月形正透镜之间于光轴上的距离为T
56
，所述第二弯月形正透镜与成像面之间于光轴上的距离为T
67
，所述第二弯月...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴海清，李鹏飞，谈大伟，张昉，尹博，
申请(专利权)人：凯迈洛阳测控有限公司，
类型：发明
国别省市：