專利名稱：一種長波致冷紅外焦平面探測器變焦距透鏡系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種紅外變焦距透鏡系統(tǒng)，尤其涉及一種用于長波致冷紅外焦平 面探測器的變焦距透鏡系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)定焦距紅外鏡頭僅有一個(gè)固定焦距固定視場只能觀測一定范圍內(nèi)的場景情 況，無法實(shí)現(xiàn)精確搜索、跟蹤的功能，大大限制其更廣泛的應(yīng)用。而新型紅外雙視場光學(xué)系 統(tǒng)雖然可以實(shí)現(xiàn)小焦距寬視場的搜索和大焦距窄視場的跟蹤等功能，但是系統(tǒng)在兩個(gè)焦距 以外是不可成像的，在焦距變換過程中很容易導(dǎo)致目標(biāo)的丟失。紅外變焦距透鏡系統(tǒng)可以 彌補(bǔ)上述非連續(xù)變焦系統(tǒng)在使用中的缺點(diǎn)。紅外連續(xù)變焦距透鏡系統(tǒng)是一種焦距可以連續(xù)變化而在變焦過程中像面保持穩(wěn) 定且像質(zhì)保持良好的系統(tǒng)。變焦距系統(tǒng)在一定范圍內(nèi)可以改變焦距從而可以得到不同大小 視場角、不同大小的影像和不同景物范圍，在民用和軍事方面都有重要的使用價(jià)值。根據(jù)變 焦過程中補(bǔ)償方式的不同可分為機(jī)械補(bǔ)償方式變焦距系統(tǒng)和光學(xué)補(bǔ)償方式變焦距系統(tǒng)。1.光學(xué)補(bǔ)償技術(shù)光學(xué)補(bǔ)償技術(shù)是利用幾個(gè)運(yùn)動(dòng)組元固定在一起作同方向同速 度的移動(dòng)達(dá)到在變焦的同時(shí)能夠減少像面移動(dòng)。其缺點(diǎn)是這種技術(shù)主要用于早期凸輪曲線技術(shù)不十分成熟且精細(xì)加工精度低的 條件下，整個(gè)變焦過程中只有幾個(gè)離散的點(diǎn)能夠達(dá)到像面平衡，可以說其并不屬于完全意 義上的連續(xù)變焦距系統(tǒng)。當(dāng)今的變焦距系統(tǒng)幾乎都不使用光學(xué)補(bǔ)償技術(shù)。2.機(jī)械補(bǔ)償技術(shù)隨著電子計(jì)算機(jī)在光學(xué)設(shè)計(jì)中的普遍應(yīng)用以及凸輪加工精度 的提高，機(jī)械補(bǔ)償技術(shù)得到了長足的發(fā)展。機(jī)械補(bǔ)償技術(shù)的變焦距系統(tǒng)一般含有前固定組、 變倍組、補(bǔ)償組和后固定組。變倍組作線性移動(dòng)，補(bǔ)償組作相對(duì)少量非線性移動(dòng)，以達(dá)到光 學(xué)系統(tǒng)既變倍而像面位置又穩(wěn)定的要求。機(jī)械補(bǔ)償技術(shù)是變焦系統(tǒng)主流的補(bǔ)償技術(shù)，可以在整個(gè)變焦過程中達(dá)到像面平衡 的目的，保證成像的連續(xù)性，在具體應(yīng)用中保證搜索和跟蹤過程中不丟失目標(biāo)，延伸其應(yīng)用 領(lǐng)域，擴(kuò)大適用范圍。其難點(diǎn)是凸輪曲線的繪制和機(jī)械加工過程中的精度保證。當(dāng)今的紅外變焦距透鏡系統(tǒng)大部分應(yīng)用于長波非致冷紅外焦平面探測器和中波 致冷紅外焦平面探測器，用于長波致冷紅外焦平面探測器的紅外變焦距透鏡系統(tǒng)的研究至 今還未見報(bào)道。系統(tǒng)的F數(shù)定義為焦距與光闌孔徑的比值，表征系統(tǒng)通光量大小的參數(shù)，在變焦 距系統(tǒng)中保持穩(wěn)定的F數(shù)可以使系統(tǒng)的靈敏度不變，有效提高其應(yīng)用領(lǐng)域。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種恒定F數(shù)長波致冷紅外變焦距透鏡系統(tǒng)，可在焦距 30mm 90mm范圍內(nèi)連續(xù)變焦，并實(shí)現(xiàn)100%的冷光闌效率，以解決熱成像系統(tǒng)空間小焦距、 寬視場的大范圍搜索監(jiān)控和大焦距、窄視場的跟蹤功能，提高熱成像系統(tǒng)的靈敏度。[0011]本實(shí)用新型所述的長波致冷紅外焦平面探測器變焦距透鏡系統(tǒng)的技術(shù)方案為由 前固定組透鏡、變焦組透鏡、補(bǔ)償組透鏡和后固定組透鏡組成，工作波段為8 12um，四組 透鏡的光焦度分配依次為正、負(fù)、正、正結(jié)構(gòu)。前固定組透鏡的焦距范圍為20mm 50mm，變 焦組透鏡能軸向移動(dòng)以調(diào)整光學(xué)系統(tǒng)的焦距，由于移動(dòng)變焦組透鏡會(huì)產(chǎn)生32. 5mm的像面 偏移，導(dǎo)致同一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)變焦，因此，通過補(bǔ)償組透鏡作非線性移動(dòng)來達(dá)到 像面平衡，其移動(dòng)范圍為變焦組透鏡調(diào)整焦距從30mm到90mm過程中，補(bǔ)償組透鏡與后固定 組透鏡的距離從60mm到31. 5mm，光線在變焦組透鏡和補(bǔ)償組透鏡之間成一次像。這種設(shè) 計(jì)可以有效地減小光學(xué)系統(tǒng)的重量和光軸方向和徑向的尺寸，并且有利于光學(xué)系統(tǒng)與紅外 探測器的匹配。后固定組透鏡使通過前固定組透鏡、變焦組透鏡、補(bǔ)償組透鏡的光線聚焦于 紅外探測器焦平面，焦距選取25mm時(shí)可以縮短光學(xué)系統(tǒng)的總長，并且補(bǔ)償光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生的 像差。光學(xué)系統(tǒng)在長焦時(shí)，孔徑光闌與前固定組透鏡共軛，這樣可以減小前固定組透鏡的孔 徑，降低成本。本實(shí)用新型采用機(jī)械補(bǔ)償方式，變焦組透鏡和補(bǔ)償組透鏡的運(yùn)動(dòng)曲線平滑， 在系統(tǒng)變焦過程中無卡滯現(xiàn)象。光學(xué)系統(tǒng)所有透鏡全部采用光學(xué)鍺單晶材料。為了便于與 致冷型紅外焦平面探測器結(jié)構(gòu)相匹配，提高整個(gè)系統(tǒng)的靈敏度及成像質(zhì)量，減少雜散光對(duì) 系統(tǒng)的干擾，系統(tǒng)的孔徑光闌與致冷型紅外焦平面探測器的冷光闌重合以達(dá)到100%冷光 闌效率。前固定組透鏡的前表面、變焦組透鏡的后表面、補(bǔ)償組透鏡的前表面和后固定組 透鏡的后表面采用偶次非球面，并且變焦組透鏡和后固定組透鏡的非球面上疊加二元衍射 面。上述非球面及二元衍射面(DOE)的使用可以消除球差、彗差、像散、色差等像差，大幅度 提高像質(zhì)量，簡化系統(tǒng)。本實(shí)用新型經(jīng)試用證明光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、調(diào)焦過程平滑無卡滯，系統(tǒng) 可在焦距30mm 90mm范圍內(nèi)連續(xù)變焦并且獲得良好的成像質(zhì)量。各個(gè)視場成像質(zhì)量接近 衍射極限，并且具有100%的冷光闌效率，解決了熱成像系統(tǒng)空間小焦距、寬視場的大范圍 搜索監(jiān)控和大焦距、窄視場的跟蹤功能，并且由于連續(xù)變焦而不會(huì)丟失觀測目標(biāo)，大大提高 了紅外熱成像系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。系統(tǒng)具備體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

圖1為本實(shí)用新型的光學(xué)結(jié)構(gòu)圖；圖2為本實(shí)用新型在焦距為90mm時(shí)的光學(xué)結(jié)構(gòu)圖；圖3為本實(shí)用新型在焦距為60mm時(shí)的光學(xué)結(jié)構(gòu)圖；圖4為本實(shí)用新型在焦距為30mm時(shí)的光學(xué)結(jié)構(gòu)圖。圖5為本實(shí)用新型在焦距為90mm時(shí)的調(diào)制傳遞函數(shù)圖；圖6為本實(shí)用新型在焦距為60mm時(shí)的調(diào)制傳遞函數(shù)圖；圖7為本實(shí)用新型在焦距為30mm時(shí)的調(diào)制傳遞函數(shù)圖。圖中，1為前固定組透鏡，2為變焦組透鏡，3為補(bǔ)償組透鏡，4為后固定組透鏡，5為 紅外致冷探測器窗口，6為冷光闌，7是探測器窗口，8為探測器焦平面陣列，dl為前固定組 透鏡與變焦組透鏡的距離，d2為變焦組透鏡與補(bǔ)償組透鏡的距離，d3為補(bǔ)償組透鏡與后固 定組透鏡的距離。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖，通過實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。如圖1所示，本實(shí)用新型所述的長波致冷紅外焦平面探測器變焦距透鏡系統(tǒng)由正 光焦度的前固定組透鏡1、負(fù)光焦度的變焦組透鏡2、正光焦度的補(bǔ)償組透鏡3和正光焦度 的后固定組透鏡4四片折射式透鏡組成，四片透鏡全部采用鍺材料，工作波段為8 12um。 前固定組透鏡1的前表面鍍類金剛石硬碳膜層進(jìn)行保護(hù)，其余透鏡表面鍍高效增透膜。前 固定組透鏡1的前表面、變焦組透鏡2的后表面、補(bǔ)償組透鏡3的前表面和后固定組透鏡4 的后表面采用偶次非球面，并且變焦組透鏡2和后固定組透鏡4的非球面上疊加二元衍射 面。前固定組透鏡1的后表面、變焦組透鏡2的前表面、補(bǔ)償組透鏡3的后表面和后固定組 透鏡4的前表面皆采用普通球面。偶次非球面的方程為
權(quán)利要求一種長波致冷紅外焦平面探測器變焦距透鏡系統(tǒng)，其特征在于由前固定組透鏡(1)、變焦組透鏡(2)、補(bǔ)償組透鏡(3)和后固定組透鏡(4)組成，工作波段為8～12um，四組透鏡的光焦度分配依次為正、負(fù)、正、正結(jié)構(gòu)，所有透鏡全部采用光學(xué)鍺單晶材料，前固定組透鏡(1)的前表面、變焦組透鏡(2)的后表面、補(bǔ)償組透鏡(3)的前表面和后固定組透鏡(4)的后表面采用偶次非球面，并且變焦組透鏡(2)和后固定組透鏡(4)的非球面上疊加二元衍射面，透鏡其余光學(xué)工作表面采用普通球面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的長波致冷紅外焦平面探測器變焦距透鏡系統(tǒng)，其特征在于 前固定組透鏡(1)的焦距范圍為20mm 50mm，變焦組透鏡(2)的調(diào)焦范圍為30mm 90mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的長波致冷紅外焦平面探測器變焦距透鏡系統(tǒng)，其特征在于 補(bǔ)償組透鏡⑶作非線性移動(dòng)，其移動(dòng)范圍為變焦組透鏡⑵調(diào)整焦距從30mm到90mm過程 中，補(bǔ)償組透鏡⑶與后固定組透鏡⑷的距離從60mm到31. 5mm，光線在變焦組透鏡⑵ 和補(bǔ)償組透鏡(3)之間成一次像。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的長波致冷紅外焦平面探測器變焦距透鏡系統(tǒng)，其特征在于 光學(xué)系統(tǒng)在長焦時(shí)，孔徑光闌與前固定組透鏡(1)共軛。
專利摘要一種長波致冷紅外焦平面探測器變焦距透鏡系統(tǒng)，由前固定組透鏡、變焦組透鏡、補(bǔ)償組透鏡和后固定組透鏡組成，工作波段為8～12μm，四組透鏡的光焦度分配依次為正、負(fù)、正、正結(jié)構(gòu)，透鏡全部采用光學(xué)鍺單晶材料并采用非球面及二元衍射面設(shè)計(jì)，使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、調(diào)焦過程平滑無卡滯，系統(tǒng)可在焦距30mm～90mm范圍內(nèi)連續(xù)變焦并獲得良好的成像質(zhì)量，各個(gè)視場成像質(zhì)量接近衍射極限，并且具有100％的冷光闌效率，解決了熱成像系統(tǒng)空間小焦距、寬視場的大范圍搜索監(jiān)控和大焦距、窄視場的跟蹤功能，并且由于連續(xù)變焦而不會(huì)丟失觀測目標(biāo)，大大提高了紅外熱成像系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。
文檔編號(hào)G02B3/02GK201732204SQ201020257998
公開日2011年2月2日 申請(qǐng)日期2010年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月14日
發(fā)明者丁黎梅, 張瑩昭, 李洪兵, 李茂忠, 王喬方, 白玉琢, 陳勇林, 陳驥 申請(qǐng)人:昆明物理研究所